第二章-光纤传感器测量的理论基础1.ppt

第一节 光纤传感器测量的理论基础 第二章 本章内容 2理论基础 2 7光的衍射 本章内容 2理论基础 2 7光的衍射 惠菲原理 2 1光的本质 本章内容 2理论基础 2 7光的衍射 惠菲原理 2 2光的电磁理论 1864年 麦克斯韦在经典电磁理论基础上 把光学现象和电磁现象联系起来 指出光是一种电磁波 即光频范围内的电磁波 光波 光矢量 2 2光的电磁理论 惠菲原理 2 2光的电磁理论 电磁波 电磁波在介质中的传播速度v取决于介质的介电常数 和磁导率 关系式为 当电磁波在真空中传播时 速度为c 在真空中 8 8542 10 12C2 N m2 4 10 7N s2 C2 得 惠菲原理 2 2光的电磁理论 电磁波 真空中 光波波长 光频率f和光速c的关系为 在折射率为n的介质中 本章内容 2理论基础 2 7光的衍射 惠菲原理 2 3光的量子特性 光具有波粒二象性 光不仅是一种电磁波 而且是一种粒子 是由光量子 光子 组成 是以速度c运动的光子流 惠菲原理 2 3光的量子特性 光子的能量E 式中 h为普朗克常数 为光频 从而得光子的运动质量为 惠菲原理 2 3光的量子特性 光子的动量p 本章内容 2理论基础 2 7光的衍射 惠菲原理 2 4光的干涉 光的叠加原理 多个光波在空间一点相遇时 会发生波的叠加 相遇点处的合振动是各个波单独产生的振动的矢量和 即各个波独立地产生作用 不会因为其他波的存在而受到影响 保持自身原有的波动特性 光干涉的必要条件 P 能产生干涉条件的光称为相干光 2 4光的干涉 相干光 惠菲原理 2 4光的干涉 普通独立光源产生干涉现象的方法 1 分波面法 一分为二 法 2 分振幅法 分波面与分振幅 分振幅法 获得相干光的两类典型方法 惠菲原理 2 4光的干涉 杨氏双缝实验 杨 T Young 在1801年首先发现光的干涉现象 并首次测量了光波的波长 杨氏双缝实验 第一个判定光性质的关键性实验 分波振面法获得相干光 杨氏双缝实验 2 4光的干涉 k 2101 光束 杨氏双缝实验结果 1 当平行光垂直照射双缝时 屏幕中央为明纹 向两侧分布明暗相间的条纹 2 单色光条纹间距 x 3 对于复色光 明条纹有色散 内侧紫 外侧红 2 4光的干涉 r1 r2 单色光入射 d D d d 10 4m D 1m 波程差 相位差 P 杨氏双缝实验原理分析 2 4光的干涉 明纹 暗纹 条纹间距 k 0 1 2 3 零级明纹k 0 一级明纹 一级暗纹 一级暗纹 杨氏双缝实验条纹特点 k 0为中央明纹 1 一系列平行的明暗相间的条纹 3 中间级次低 6 单缝沿x方向移动 条纹间距不变而整体移动 4 2 不太大时条纹等间距 5 双缝间距变小 条纹间距变大 白光入射应为彩色条纹 2 4光的干涉 所以I1 I2 I0 则 光强曲线 由波的干涉知 杨氏实验中E10 E20 当 dsin k 时 I 4I0 2 4光的干涉 白光入射的杨氏双缝干涉照片 红光入射的杨氏双缝干涉照片 2 4光的干涉 衬比度差 V 1 衬比度好 V 1 振幅比 决定衬比度的因素 光源的宽度 光源的单色性 干涉条纹可反映光的全部信息 强度 相位 条纹衬比度 对比度 反衬度 contrast 2 4光的干涉 衍射图样 例 用白光作光源观察双缝干涉 设缝间距为d 试求能观察到的清晰可见光谱的级次 解 白光波长在390 750nm范围 明纹条件为 dsin 土k 在 0处 各种波长的光波程差均为零 所以各种波长的零级条纹在屏x 0处重叠 形成中央白色明纹 各种波长的同一级次的明纹 由于波长不同而角位置不同 因而彼此错开 并产生不同级次的条纹的重叠 在重叠的区域内 靠近中央明纹的两侧 观察到的是由各种色光形成的彩色条纹 再远处则各色光重叠的结果形成一片白色 看不到条纹 最先发生重叠的是某一级次的红光和高一级次的紫光 最先发生重叠的是某一级次的红光和高一级次的紫光 故 从紫到红排列清晰可见光谱只有正负各一级 因k取整 所以k 1 本章内容 2理论基础 2 7光的衍射 一 光的非单色性 1 理想的单色光 2 实际光束 波列准单色光 谱线宽度 准单色光 在某个中心波长 频率 附近有一定波长 频率 范围的光 2 5 1光的非单色性对干涉的影响 二 非单色性对干涉条纹的影响 设能产生干涉的最大级次为kM 又 则有 三 相干长度与相干时间 1 相干长度 coherentlength 两列波能发生干涉的最大波程差叫相干长度 中心波长 才能发生干涉 波列长度就是相干长度 相干长度 能干涉 不能干涉 只有同一波列 分成的两部分 经过不同的路 程再相遇时 普通单色光 激光 实际上 一般为10 1 101m 理想情况 光通过相干长度所需时间叫相干时间 2 相干时间 coherentlength 的长短来衡量的 光的单色性好 相干时间 时间相干性也就好 时间相干性的好坏 就是用相干长度 M 波列长度 或相干时间 波列延续时间 相干长度和相干时间就长 3 4空间相干性 spatialcoherence 一 空间相干性的概念 光源宽度对干涉条纹衬比度的影响 二 极限宽度 当光源宽度b增大到某个宽度b0时 纹刚好消失 干涉条 D d R b0 d b0称为光源的极限宽度 其计算如下 此时L端的一级明纹中心在 一级明纹 为观察到较清晰的干涉条纹通常取 d D R 极限宽度 b0 三 相干间隔和相干孔径角 1 相干间隔 R一定时 d0越大 光场的空间相干性越好 由 则要得到干涉条纹 必须 令 相干间隔 d0 若b和R一定 相干间隔d0是光场中正对光源的平面上能够 产生干涉的两个次波源间的最大距离 2 相干孔径角 相干孔径角 0越大空间相干性越好 在 0范围内的光场中 正对光源的平面上的任意两点的光振动是相干的 普通单色光源分波面干涉受到光源宽度的限制 不受以上限制 相干孔径角来代替 相干间隔也可以用 d0对光源中心的张角 存在条纹亮度和衬比度的矛盾 而激光光源则 本章内容 2理论基础 2 7光的衍射 同一束光在不同介质中传播时 频率f不变而波长不同 同一频率的光在折射率为n的介质中通过的距离r时 引起的相位落后与光在真空中通过距离nr引起的相位落后相同 此时nr被称为光程 即在介质中传播的波长 与真空中波长的折算关系 光在不同媒质中传播的距离都折算成真空中的传播的路程 P 为进一步认识光程的意义 见图中例子 S1的光波传至P点 引起的振动为 S2的光波传至P点 引起的振动为 两者的相位差为 光程差 相位差用光程差表示为 式中 0为真空中的波长 可见采用光程的概念后 相当于把光在介质中的传播都折算成为光在真空中的传播 这样有了一个统一的客观尺度 光程 来计算光波在不同媒质中传播的两束光的光程差 注意光程和几何路程是不同的两个概念 一般情况下光程大于光通过的