萨格奈特干涉仪论文

编号编号 11510021391151002139 毕毕 业业 论论 文文 20152015 届本科 届本科 题题 目 目 萨格奈特干涉仪的搭建及实验萨格奈特干涉仪的搭建及实验 学学 院 院 物理与机电工程学院物理与机电工程学院 专专 业 业 物理学物理学 作者姓名 作者姓名 严文龄严文龄 指导教师 指导教师 韩振海韩振海 职称 职称 副教授副教授 完成日期 完成日期 20152015 年年 5 5 月月 2020 日日 二 一五 年 五 月 精品文档 II欢迎下载 目目录录 独创性声明 I 开题报告 II 摘要 1 正文 1 0 引言 1 1 干涉原理及过程 1 1 1 光波的叠加原理 1 1 2 干涉的种类以及稳定干涉 2 1 3 分振幅干涉原理 2 2 萨格奈特干涉仪 2 2 概述 2 3实验原理及实验过程 2 3 1 实验原理 2 3 2 萨格奈特干涉仪仪器元件指标 5 3 3 实验内容 5 3 4实验步骤及注意事项 5 3 5 实验实物图 6 3 6 实验现象 6 4 萨格奈特干涉仪的应用及前景 7 4 1 萨格奈特干涉仪的应用领域 7 4 2 萨格奈特干涉仪在光纤陀螺中的应用 7 4 3 萨格奈特干涉仪在光纤水听器中的应用 10 参考文献 III 精品文档 III欢迎下载 后记 致谢 IV 精品文档 I欢迎下载 河西学院本科生毕业论文 设计 诚信声明 本人郑重声明 所呈交的本科毕业论文 设计 是本人在指导老师 的指导下 独立进行研究工作所取得的成果 成果不存在知识产权争议 除文中已经注明引用的内容外 本论文不含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已 在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 作者签名 二O 年 月 日 精品文档 II欢迎下载 河河西西学学院院本本科科生生毕毕业业论论文文 设设计计 开开题题报报告告 论论文文题题目目萨格奈特干涉仪的搭建及实验 学学生生姓姓名名严文龄所所属属学学院院物电学院专专业业物理学年年级级2011级 指指导导教教师师韩振海所所在在单单位位河西学院职职称称副教授开开题题日日期期2014 11 17 选题的根据 选题的理论 实际意义并综述有关本选题的研究动态和自己的见解 自 1913 年萨格奈特首次实验发现 沿着环形路径反向传播的一对光波 当环形 路径旋转时将产生光程差 且光程差与转速以及环形路径所包围的面积成正比 这 一现象后被称为萨格奈特效应 目前萨格奈特干涉仪的应用比较广泛 尤其在科学 领域内应用广泛 例如在光纤陀螺仪中应用 具有高可靠 长寿命 小体积 轻重 量 低功耗 力学环境适应性好 动态范围大 线性度好 频带范围宽 启动时间 短等一系列特点 本文拟根据萨格奈特干涉实验的原理 搭建萨格奈特干涉仪并通 过实际操作得出实验现象 从而更进一步的理解萨格奈特干涉的原理 将该原理更 好的应用在实际生活中 论文的主要内容 基本要求及其主要的研究方法 本文主要是以实验为主 研究萨格奈特干涉仪的搭建及实验以及在科学领域内 的应用 萨格奈特干涉仪是通过一个 He Ne 激光器的激光通过针孔滤镜和准直镜后 光束经分光光楔后光束分为折射光和反射光 一路光经过三个反射镜顺时针到达分光 元件 另一部分经过三个反射镜逆时针到达分光元件 两路光在分光元件处叠加 从而形成干涉现象 产生规则而明亮的等倾干涉条纹 萨格奈特干涉实验仪器的稳 定性要足够的好 不能出现仪器的振动 以免影响实验结果 精品文档 III欢迎下载 论文进度安排和采取的主要措施 2014 年 12 月 2015 年 3 月准备开题报告 查阅资料 2015 年 3 月初 2015 年 5 月初主要在实验室反复进行实验 并对实验现象进行 研究 2015 年 5 月初 2015 年月中旬进行论文的编写 2015 年 5 月中旬 2015 年 5 月下旬论文修改的完成 主要参考资料和文献 1 赵凯华 新概念物理教程 光学 M 北京 高等教育出版社 2004 2 梁铨廷 物理光学 第 3 版 M 西安 电子工业出版社 2008 3 M 玻恩 E 沃耳夫 光学原理 M 杨葭荪等译 北京 北京科学出版社 1978 4 沃尔夫冈 戴姆特瑞德著 姬扬译 激光光谱学 M 北京 科学出版社 2012 5 吴俊林 基础物理实验 M 西安 陕西师范大学出版社 2010 6 姜启元 谢金星 叶俊 数学模型 M 北京 高等教育出版社 2003 7 张桂才编著 光纤陀螺原理与技术 M 北京 国防工业出版社 2008 8 宋章启 谢元平 姚琼等 开环光纤陀螺的研究与应用进展 J 光学技术 2005 指导教师意见 签 名 亲笔签名 年 月 日 教研室 意见 负责人签名 年 月 日 学 院 意 见 负责人签名 年 月 日 精品文档 1欢迎下载 萨格奈特干涉仪的搭建及实验萨格奈特干涉仪的搭建及实验 摘摘 要要 萨格奈特干涉仪是用分振幅法产生双光束以实现干涉的仪器 本文介绍了萨 格奈特干涉仪的干涉原理 并对萨格奈特干涉仪的实验室搭建做出了简单的步骤介绍 并用该干涉仪进行了实验验证 最后介绍了萨格奈特干涉仪在光纤陀螺和光纤水听器 的广泛应用 并对工作原理进行了简单的说明 关键词关键词 干涉 分振幅法 萨格奈特干涉仪 应用 AbstractAbstract Sagenaite interferometer is used sub amplitude method to achieve the interference In this paper made a brief introduction of segenaite interferometer s principle and structured the sagenaite interferometer in the laboratory used this interferometer to carry out interference experiment and the phenomenon show this experiment s requirements was reached Finally introduces the Sagenaite interferometer in fiber optic gyro and optical fiber hydrophone is widely used and working principle of a simple description KeywordsKeywords Interference Method of dividing amplitude Sagenaite interferometer Application 0 0 引言引言 我们知道当两列或几列光波在空间相遇时相互叠加 在某些区域始终加强 在另 一些区域则始终削弱 形成稳定的强弱分布的现象称为光的干涉现象 大学期间我们 已经学过分波面法和分振幅法 其中分振幅法干涉又包括等厚干涉和等倾干涉 等厚 干涉的典型实验有牛顿环的应用 双棱镜干涉测光波波长 而等倾干涉的典型应用 包括迈克耳逊干涉仪 从半导体激光器输出的光 耦合到光纤中 经过耦合器分束进入 干涉仪的两条光纤臂中 在光纤臂的两端直接镀上反射膜以实现传统分立元件迈克尔 逊干涉仪 本文主要介绍了萨格奈特干涉仪的原理以及搭建步骤 通过实验的搭建得 到了干涉图样 并简单介绍了萨格奈特效应干涉仪在我国科技领域的应用 1 1 干涉原理及过程干涉原理及过程 1 11 1 光波的叠加原理光波的叠加原理 从几个振源发出的几列波相遇于同一个区域内 介质质点的合位移是各波单独 传播时在该点所引起的位移矢量和 因此 可以简单地 没有任何畸变的把各波的分 位移按照矢量加法叠加起来 这是波的叠加 1 精品文档 2欢迎下载 同相 若两波的波峰 或波谷 同时抵达同一地点 称两波在该点同相 反相 若两波之一的波峰与另一波的波谷同时抵达同一地点 称两波在该点反 相 两波交会后的波形和行进速度 不会因为曾经重叠而发生变化 1 21 2 干涉的种类以及稳定干涉干涉的种类以及稳定干涉 干涉 满足一定条件的两列相干光波相遇叠加 在叠加区域某些点的光振动始终 加强 某些点的光振动始终减弱 即在干涉区域内振动强度有稳定的空间分布的现象 只有两列光波的频率相同 在叠加处两列光波具有恒定的位相差 振动方向一致的相 干光源 才能产生稳定的光干涉 2 相长干涉 两波重叠时 合成波的振幅大于成分波的振幅 称为相长干涉或建设 性干涉 若两波刚好同相干涉 会产生最大的振幅 称为完全相长干涉或完全建设性 干涉 相消干涉 两波重叠时 合成波的振幅小于成分波的振幅 称为相消干涉或破坏 性干涉 若两波刚好反相干涉 会产生最小的振幅 称为完全相消干涉或完全破坏性 干涉 1 31 3 分振幅干涉原理分振幅干涉原理 当一束光投射到两种透明媒质的分界面上 光能一部分被反射 另一部分被折射 这方法叫做分振幅法 最简单的分振幅干涉装置是薄膜 当一条光线照射于空气或真 空的透明薄膜上 在薄膜表面将会分解成一条反射光和折射光 由于薄膜的上下表面 的光来自同一入射光的两部分 只是经历不同的路径而有恒定的相位差 这两条光线 来自于同一条光线因此是相干光 若将他们会聚在一起将产生光的干涉现象 称为薄 膜干涉 另一种重要的分振幅干涉装置 是迈克耳孙干涉仪 用它可以高度准确地测 定微小长度 光的波长 透明体的折射率等 下面就来介绍一种原理相同的萨格奈特 干涉仪 3 2 2 萨格奈特干涉仪萨格奈特干涉仪 2 2 概述概述 萨格奈特干涉仪是一个 He Ne 激光器发射出一束激光通过针孔滤镜和准直镜后 光束经分光光楔后光束分为折射光和反射光 一路光经过三个反射镜顺时针到达分光 元件 另一部分经过三个反射镜逆时针到达分光元件 两路光在分光元件处叠加 从 而形成干涉现象 产生规则而明亮的等倾干涉条纹 本实验其特点是很容易做到两束 光的光程严格相等 从而在实验中能消除由光程不相等而引入的误差 干涉图像清晰 可见 使实验更精确 4 精品文档 3欢迎下载 3 实验原理及实验过程实验原理及实验过程 3 13 1 实验原理实验原理 图 图 1 1 萨格奈特干涉实验原理图 萨格奈特干涉实验原理图 首先是激光通过针孔滤镜形成稳定的光束 光束通过准直棱镜使光形成稳定的光 带 发散的光束通过分光光楔后分为折射光和反射光 反射光通过三个反射镜后和折 射光叠加 在观察屏上形成明暗条纹 这样做的好处是反射光和折射光是来源一个激 光束 形成的明暗条纹是等距的 干涉仪的光路图 如图 2 所示 光源发出的光线射到分光光楔上光被分为光线 1 和光线 2 两部分 光线 1 经过三个反射镜顺时针反射回来后到达光楔 光线 2 经过 三个反射镜逆时针反射回来到达光楔和光线 1 叠加后到达观察屏 这两条光线是由一 条光线分出来的 所以它们是相干光 干涉条纹的图样 在干涉仪中 由于是两条相干光 所以可近似的认为光线 1 和光线 2 是两个光源 发出的两条频率相同的光线 因此我们可以在观察屏上看到 1 点光源产生的非定 域干涉条纹 2 点光源产生的干涉条纹 3 面光源等厚干涉条纹 由于本实验条件限 度只能进行点光源产生的非定域干涉图样的形成 5 激光 准直镜 观察屏 反射镜 准直镜 分光光楔 针孔滤镜 精品文档 4欢迎下载 图 图 2 2 干涉仪的光路图 干涉仪的光路图 点光源经过光楔后相当于两个虚拟的光源 设每个反射镜之间的距离是等距的且 为 2d 如图 3 所示 6 图 图 3 3 点光源分析图 点光源分析图 通常把观察屏放在连线的处 对应的干涉图样是一组同心圆 同心圆在 12 SSO A 延长线和屏的焦点处 由于连线到屏上任一点 两点线的光程差为 12 SS 12 SSA 12 2 222 2 22 22 2d 44 1 1 SAS A LRL R Ldd LR LR 通常 利用公式展开式取前两项 Ld 2 11 11 224 2 1 2d 1 S L A R O 2 S 精品文档 5欢迎下载 可将上式改写成 222 22 222 22 2 22 22 144116 28 2 1 LR LddLd LR LR LR LddR L LR 由上图的关系可以改写成 2 2 cos 1si n d d L 略去二级无穷小项 可得 2 cosd 2 cos 1 2 1 2 d 由上图可知当时的光程差最大 即圆心所对应的干涉级别最高 只要在0 观察屏上读出及相应的 就可以测出光波的波长 d N 3 23 2 萨格奈特干涉仪仪器元件指标萨格奈特干涉仪仪器元件指标 主要元件 3 33 3 实验内容实验内容 1 根据实验原理图正确组建搭建萨格奈特干涉仪 2 认真调节萨格奈特干涉仪的分光光楔 平面镜之间的角度 使实验现象清晰 的呈现在观察屏 观察干涉仪的稳定性 3 调节个仪器元件观察干涉仪的灵敏度 3 43 4 实验步骤及注意事项实验步骤及注意事项 1 按萨格奈特干涉实验原理图 图 1 的结构示意图安装仪器 使仪器的稳定性要 足够的好 不能出现仪器的摇动 以免影响实验结果 序号元件规格个数 1 氦氖激光器组件 5mW1 2 扩束系统组件 10 0 f 15 0 1 3 准直系统组件 50 8 f150 1 4 反射镜组件 40 f80 0 3 5 分光光楔组件 50 T R 9 1 1 6 白屏组件 1 精品文档 6欢迎下载 2 调节光路 先不要使光线通过分光光楔 调节光源和三个反光镜的位置 使光源 的光可以直接落在观察屏上 为了实验能够精确 可以尽量使光点落在屏的正中 间 3 加上分光光楔之后 调节光路 此时在屏上就会出现干涉条纹 调节光路 直到 能够看到位置适中 清晰的圆环装的非定域干涉条纹 3 53 5 实验实物图实验实物图 图 图 4 4 实验搭建实物图 实验搭建实物图 3 63 6 实验现象实验现象 图 图 5 5 实验现象 实验现象 实验效果分析 经过对实验仪器的精心调节 基本得到了实验的现象 由于实验 室仪器的缺陷 再加上搭建效果跟仪器的调整时人为引进的实验误差 在拍照时为了 精品文档 7欢迎下载 不挡住光的传播 所选择的拍照角度也是倾斜的 所以实验效果不是那么好 本实验 的重中之重是调节一个分光镜跟三个平面镜的角度问题 如果克服了这个困难 实验 效果可以说是完美 4 4 萨格奈特干涉仪的应用及前景萨格奈特干涉仪的应用及前景 4 14 1 萨格奈特干涉仪的应用领域萨格奈特干涉仪的应用领域 1913 年萨格奈特首次实验发现 沿着环形路径反向传播的一对光波 当环形路 径旋转时将产生光程差 且光程差与转速以及环形路径所包围的面积成正比 这一现 象后被称为萨格奈特效应 萨格奈特干涉仪是基于萨格奈特效应的基础之上 在实验 室中组建的仪器 除此之外 萨格奈特干涉仪在光纤传感器方面的应用尤为广泛 光 纤传感器是七十年代中期发展起来的一种新型传感器 它与常规传感器相比 具有灵 敏度高 动态范围大 几何通用性好 抗电磁干扰 高绝缘强度 防燃防爆 易于遥 测和构成阵列等优越性能 更适合在爆炸 高温 腐蚀 强电磁等环境中使用 具有 广阔的应用前景 光纤传感器的军事应用一直得到各国军方的高度重视 光纤陀螺和 光纤水听器已被列入许多国家的重点军事研究项目 4 24 2 萨格奈特干涉仪在光纤陀螺中的应用萨格奈特干涉仪在光纤陀螺中的应用 萨格奈特发明了一种可以旋转的环干涉仪 将同一光源发出的一束光分解为两束 让它们在同一个环路内沿相反方向循行一周后会合 然后在屏幕上产生干涉 当在环 路平面内有旋转角速度时 屏幕上的干涉条纹将会发生移动 这就是萨格奈特效应 在 图 6 萨格奈特干涉仪中分光镜将入射光分为透射光束和反射光束 这两束BS 光在平面内沿着相反的方向通过环形干涉仪 如果整个干涉仪绕着轴顺时针xy Z 旋转 轴位于光束环绕的区域的中心 那么顺时针方向运动的光束的光程就Zxy 大于逆时针运动的光束 萨格奈特效应 在观测平面出测量得到的干涉束的强度就 随着旋转角速度而变化 两束分波的相移是 8 A n c 图图 6 萨格奈特干涉仪萨格奈特干涉仪 激光 B S 探测器 转动的底座 4L A 精品文档 8欢迎下载 其中 是光束包围的面积 是垂直于面积的单位矢量 是光波长 是光速 AnA c 利用这种器件 可以探测次小于的角速度 利用光纤可以 o7 0 1 510rad sh 让光束绕着面积环绕次 式中的有AN 10010000N 8 A n c 效面积就变为 这从而显著地提高了灵敏度 NA 由三个正交的萨格奈特干涉仪组成的器件可以用于导航系统 地球的旋转使得萨 格奈特效应依赖于表面法线和地球旋转轴之间的夹角 即依赖于纬度 n 萨格奈特效应也可以用多普勒效应来解释 当光在速度为的反射镜上反射的时 候 反射光的频率改变了 因此 沿着相反方向绕动的两束光的v 0 2 vvc 频率差就是 4 ALn 其中 是环形干涉仪的周长 虽然探测技术不同 但是 因为 L 2 Lc 所以 两个方程彼此等价 确定相位利用的是探测器的强度变化 而拍频频率可v 以高精度地直接计数 萨格奈特效应已经得到广泛的应用 由萨格奈特效应研制出的 光纤陀螺已成功地用于航空 航天等领域 是近 20 年发展较快的一种陀螺仪 光纤陀 螺是一种基于萨格奈特效应而发展起来的一种重要的光纤传感器 1976 年美国犹他 大学 V Vali 教授首先提出光纤陀螺仪设想 并成功进行了第一个光纤陀螺仪演示实 验 过去的陀螺主要属机械型的 其工作原理是基于转动轮或转动球所产生的大角度 惯量测量 光纤陀螺仪具有高可靠 长寿命 小体积 轻重量 低功耗 力学环境适 应性好 动态范围大 线性度好 频带范围宽 启动时间短等一系列特点 是新一代 全固态陀螺仪的典型代表 光纤陀螺是应用萨格奈特效应做传感原理 把旋转传感器 的灵敏度提高了几个数量级 展现出极大的开发潜力 随着光纤技术迅速发展而出现 的一种新型光纤旋转传感器 光纤陀螺与传统的机械陀螺相比较具有以下优点 1 没有运动部件 不存在磨损 因此寿命长 启动快 2 构造简单 可靠性高 3 耗 电小 4 动态范围宽等优点 干涉式光纤陀螺是基于萨格奈特效应的光纤干涉仪 来自光源的光束被分光光楔 分成两束光 分别从光纤圈的两端耦合进光纤敏感线圈 沿顺 逆时针方向传播 从 光纤圈两端出来的两束光 再经过分光楔而叠加产生干涉 当光纤圈处于静止状态时 从光纤圈两端出来的两束光 光程差为零 干涉式光纤陀螺包括全光纤型 集成光学 器件型两种 全光纤的光纤陀螺又可按光纤使用不同分为消偏 全保偏两种类型 它 精品文档 9欢迎下载 们具有的不同的结构 决定了其各自的特点及适用范围 工作原理都是采用直接检测 干涉后的萨格奈特相移来得到旋转角速度 对于低 中精度的光纤陀螺来讲 全光纤 陀螺有成本低 体积小的优点 但对于精度较高 稳定性好的还是集成光学的光纤陀 螺优越 而对于惯性级光纤陀螺来讲 采用集成光学器件是发展方向 纵观光纤陀螺的各种技术方案 干涉型光纤陀螺是目前唯一实用的方案 而谐振 腔型和受激布里渊散射型光纤陀螺由于在成本和可能获得的性能方面目前没有明显优 势 现在研究的已经很少了 目前麻省理工学院的电子研究实验室正在进行谐振腔式 的光纤陀螺研究 干涉型光纤陀螺信号解调包括开环和闭环两种方案 开环方案是最 早提出的光纤陀螺信号解调方案 它直接从萨格奈特干涉仪输出信号中提取转速信号 而不进行任何反馈 因而信号解调电路简单 且所用器件成本低廉 目前主要应用于 低精度低成本的光纤陀螺 闭环方案则对沿相反方向传输光的相位差进行反馈 使两 束光保持零相 可以大大扩展的光纤陀螺的动态范围 同时还提高了陀螺标度因子的 线性度 但闭环方案信号解调复杂 所用关键器件成本高 所以通常此方案被用于高 精度光纤陀螺 市场是适用于对陀螺需求高性能 而对成本没有太高要求的场合 而 对一些天线 平台稳定和短时间的导航等方面的应用 对陀螺指标要求不高 但要求 低成本的陀螺 7 国内光纤陀螺研究的起步较晚 目前研制单位主要包括北京航空航天大学 航天 时代电子 13 所 航天 33 所航空 618 所 浙江大学 北京理工大学 中国船舶 707 所 等 由于缺少必要的交流和合作 国内研制机构走了不少弯路 但是经过努力目前已 取得了不少成果 其中以北航 时代电子 13 所和航天 33 所较为显著 北京航空航天 大学研制的光纤陀螺正向工程化应用方向努力 并已初步在某型导弹上进行初步的实 验 航天十院对光纤陀螺的研制也做出了重大贡献 在 八五 期间其自筹资金 在 国内首次采用退火质子交换集成光学芯片研制出全数字闭环光纤陀螺 并进行了技术 鉴定 这一先进的技术方案目前已被国内许多研制单位所采用 目前时代电子 13 所 针对几种不同的型号或准型号的光纤陀螺进行了实验性应用 已设计出基于同一方案 的具有不同精度的光纤陀螺 随着光纤技术和光电子技术的发展和应用 预计在未来 的 10 年内 不仅飞机 舰艇 潜艇以及导弹均将装备光纤陀螺用于导航和制导 而 且卫星 宇宙飞船上也将装备光纤陀螺用于与地形跟踪匹配和导向 一个完整的导航 和制导系统通常采用 三个陀螺仪 三个加速度计以及信号处理电路和封装元件等 主要用于小型舰艇 短程火箭 空对空导弹和反潜武器等系统中 经过 30 多年的不 断研究 光纤陀螺的技术已经达到了较高的水平 随着一个个关键技术的攻破 主要 精品文档 10欢迎下载 技术指标已接近或达到高性能惯性导航和制导系统的要求 相信在 21 世纪内 光纤 陀螺凭着自身的优势 将会逐步替代激光陀螺 静电陀螺等 占据主流地位 在民用 方面 随着成本的逐步降低 在强振动由于它的相位调制传感方式具有极高灵敏度以 及精巧和高机械强度的实用性将成为航天 航空 航海等诸多领域中最具有发展前景 的惯性部件 高冲击等环境的民用运载工具方面将得到广泛应用 8 4 34 3 萨格奈特干涉仪在光纤水听器中的应用萨格奈特干涉仪在光纤水听器中的应用 萨格奈特干涉仪由于其良好的互易性结构 早已被成功应用于光纤陀螺来测量运 动物体的角速度 除此之外 萨格奈特干涉仪还可以测量非对称扰动的互易性信号 并且已经逐渐应用于结构检测管道侦漏等方面 检测声信号也是萨格奈特干涉仪进行 互易性信号测量的一种重要用途 可以作为设计光纤水听器的一种方案 声波是目前在海洋中能够远距离传输信息的最有效载体 在海洋中探测载有信号 的声波所形成的声场的时空结构 是进行水下探测 识别 通讯及环境监测等的重要 手段 它即可用于远距离军事目标探测 海底矿藏开发 鱼群探