12－5典型双光束干涉系统及其应用

1、典型双光束干涉系统典型双光束干涉系统 裴索干涉仪 迈克尔逊干涉仪 外差干涉原理 马赫增德干涉仪裴索裴索干涉仪干涉仪 定义：等厚干涉型的干涉系统统称为裴索干涉仪定义：等厚干涉型的干涉系统统称为裴索干涉仪等厚条纹等厚条纹待测工件待测工件平晶平晶标准验规标准验规待测透镜待测透镜暗纹暗纹 平面干涉仪平面干涉仪球面干涉仪球面干涉仪He2Hhe 迈克耳孙在工作迈克耳孙（A.A.Michelson ）18521931美籍德国人因创造精密光学仪器，用以进行光谱学和度量学的研究,并精确测出光速,获1907 诺贝尔物理奖。Michelson 干涉仪干涉仪 迈克耳孙干涉仪至今仍是许多光学仪器的核心。爱因斯坦： 我总

2、认为迈克耳孙是科学中的艺术家，他的最大乐趣似乎来自实验本身的优美和所使用方法的精湛，他从来不认为自己在科学上是个严格的”专家”，事实上的确不是，但始终是个艺术家。重要的物理思想巧妙的实验构思精湛的实验技术 科学中的艺术 许多著名的实验都堪称科学中的艺术，如：全息照相实验、吴健雄实验、施盖实验等等。 1 1 构造和光路构造和光路 振幅分割型双光束干涉仪；振幅分割型双光束干涉仪； 许多现代干涉计量仪器的基础。许多现代干涉计量仪器的基础。 不同方位看到的不同方位看到的Michelson 干涉仪装置干涉仪装置 SM1M2G1G2EM2a1a1a2a2半透半反膜补偿板反射镜反射镜光源观测装置虚薄膜a45

3、B: beam-splitter(分束镜分束镜);C: compensator(补偿器补偿器);M1, M2: mirrors (反射镜反射镜)激光器光源激光器光源分光板分光板补偿板补偿板扩束镜扩束镜反射镜反射镜M1反射镜反射镜M2观察屏观察屏M2移动导轨移动导轨二 、工作原理光束 a2和 a1发生干涉 M2、M1平行 等倾条纹 M2、M1有小夹角 等厚条纹补偿板作用：补偿两臂的附 加光程差。十字叉丝等厚条纹SM1M2G1G2EM2a1a1a2a2半透半反膜补偿板反射镜反射镜光源观测装置虚薄膜a45迈克耳孙等倾干涉迈克耳孙等厚干涉2Nh三、光程差计算 M2M1为虚薄膜，n1=n2=1 光束 a

4、2和 a1无半波损失且入射角i1等于反射角i22cos2ih四、极值条件2cos2ih)2 , 1 , 0(jj相长2) 12(j相消若M1平移h时光程差改变 2h干涉条纹移过N条Nh 2)( j)(g)( f)(e)(d)(c)(b)(a)(i)(h1M2M 1M1M1M1M1M1M1M1M1M2M 2M 2M 2M 2M 2M 2M 2M 2M )(a)(b)(c)(d)(e)( f)(g)(h)(i)( j干涉条纹和虚空气膜的对应关系等倾和等厚干涉迈克耳孙干涉仪三、应用： 测折射率： 测量微小位移ln光路a2中插入待测介质，产生附加光程差ln)1(2由此可测折射率n 。以波长为尺度，可精

5、确到 20M1a2若相应移过 N 个条纹Nln) 1(2则应有注意 光通过介质两次用迈克耳孙干涉仪测气流问题 能否根据上述干涉花样描述气流的分布状况？ 光学相干CT 断层扫描成像新技术（CT-Computed Tomography） 第二代： NMR CT核磁共振成像第一代： X射线 CT 射线 CT工业CT计算机断层成像 利用迈克耳孙干涉仪原理测量,空间分辨率可达微米的量级.第三代：光学相干CTOCT（Optical Coherence Tomography，简称 OCT）1、原理m/s103228dncdnt 要实现微米量级的空间分辨率（即d m），就要求能测量 t 10 -14 秒的时间

6、延迟。激光器的脉冲宽度要很小1015秒（飞秒） 样品中不同位置处反射的光脉冲延迟时间也不同：s/m108dtm / s 0 1 4 1 d数量级估计：样品（1）样品反射光脉冲的延迟时间td时间延迟短至10-14-10-15s，电子设备难以直接测量，可利用迈克耳孙干涉仪原理测量。 当参考光脉冲和信号光脉冲序列（眼睛的不同部位反射得到光脉冲序列）中的某一个脉冲同时到达探测器表面时,就会产生光学干涉现象。这种情形, 只有当参考光与信号光的这个脉冲经过相等光程时才会产生。因为1015 秒的光脉冲大约只有一个波长。光源探测器参考镜眼睛 测量不同结构层面返回的光延迟，只须移动参考镜，使参考光分别与不同的信

7、号光产生干涉。 参考臂扫描可得到样品深度方向的一维测量数据。光束在平行于样品表面的方向进行扫描测量，可得到横向的数据。将得到的信号经计算机处理，便可得到样品的立体断层图像。 分别记录下相应的参考镜的空间位置，这些位置便反映了眼球内不同结构的相对空间位置。光源探测器参考镜眼睛图像的断层分辨率由光的脉宽决定。 图像的横向分辨率由光束的直径决定。 对光程较长的多次散射光有极强的抑制作用。 不同材料或结构的样品反射光的强度不同。根据反射光信号的强弱，赋予其相应的色彩，这样便得到样品的假彩色图。（2）样品反射光脉冲强度的处理（3）OCT成像的特点：即使透明度很差的样品,仍可得到清晰的图像。2. 实验装置

8、光源电子学系统计算机探测器光纤耦合器样品光纤聚焦器反射镜光纤化的迈克耳孙干涉仪 大葱表皮的 OCT 图像 实际样品大小为10mm4mm，图中横向分辨率约为20m，纵向分辨率约为25m。3. 应用生物 医学 材料科学 兔子眼球前部的OCT图像角膜前表面角膜后表面晶状体上皮睫状体外差干涉法外差干涉法 heterodyne interferometerSM1M2D 频率偏移器PL2L1AB外差干涉的原理外差干涉的原理22200( , )( , , )( , , )( , )2( , )cosrrrx yI x y tE x y tEx yEE x y Et ( , )0( , , )( , )x y

9、rititrE x y tE x y eE e( , )2/rx yt T其中ABTt双频激光双频激光干涉仪干涉仪 021cos2 ()Iff t0211cos2()Iffft2vffc 2LN(1) 光电探测器接收信号为交流信号，前置放大器为高倍数的交流放大器，不用直流放大，故没有零点漂移等问题。 (2)由于物体变化所产生的多普勒频移信息是载于稳定的差频上，且其频率较高（几兆至100兆赫）,因此，光电探测时避过了激光器的低频噪声和半导体器件的高频 噪声区;又利用频率跟踪等外差解调技术大量滤除了宽带噪声，因此提高了光电信号的信噪比。 (3) 利用多普勒效应，计数器计频率差的变化，不受激光强度和磁场变化的影响。在光强度衰减90时仍可得到满意的信号，这对于远距离测量是十分重要的，同时在近距离测量时又能简化调