迈克尔逊及迈克尔逊干涉仪实验

1、迈克尔逊及迈克尔逊迈克尔逊及迈克尔逊干涉仪实验干涉仪实验陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西师范大学物理学与信息技术学院 吴吴* * *一、迈克尔逊及其对物理学发展的主要贡献一、迈克尔逊及其对物理学发展的主要贡献二、迈克尔逊干涉仪及光波波长的测量二、迈克尔逊干涉仪及光波波长的测量三、古老原理的现代应用三、古老原理的现代应用 美国著名实验物理学家：迈克尔逊，1852 年12月19日出生于波兰一个犹太商人家庭，1856年随父母移居美国.1873年毕业于美国海军学院。 设计思想如图所示，按照以太学说，光在以太中传播速率是C，而以太相对于地球的 速率为。实验时观察相干条纹，然后把仪器平稳转动90，再观

2、察转动前 后干涉条纹的变化。若干涉仪臂长LMM1=LMM2=d1111222MMM MxMMM MLLdctttccc根据经典速度合成公式，光由MM1 M22222222222MMM MyMMM MLLdtttccc222222xyd cdtttcctttt2tcN222()Ndc设设1c 0N00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1M2M1G2GPL1 1、迈克尔逊干涉仪光路图、迈克尔逊干涉仪光路图S22112Md) 1 (1M2M)2(DBCAd等倾干涉光路图 cos2)cossincos1(2sin2coscos2dddtgddADCBAC 2, 1 ,

3、0.2122, 1 ,0.22cos2kkkkd暗；（明） 等倾干涉圆环实验条件:M1与M2平行时，即M1与M2严格垂直。（1）和（2）的光程差可如下计算： 当d 一定时，光程差只取决于 。这样，以中心线为对称轴的同一角入射的光线，反射后形成一个圆形干涉环；以各种不同倾角入射的光线，反射后形成一组同心的明暗相间的等倾干涉环。形成明（即亮）和暗的条件是： 2dN 2dN观察屏观察屏分光板分光板补偿板补偿板全反镜全反镜粗调手轮粗调手轮细调手轮细调手轮竖直调节螺丝竖直调节螺丝水平调节螺丝水平调节螺丝 光学相干光学相干CT 断层扫描成像新技术断层扫描成像新技术 （Optical Coherence T

4、omography简称简称OCT） CT-Computed Tomography 计算机断层成象计算机断层成象第二代：第二代： NMR CT核磁共振成象核磁共振成象第三代：第三代： 光学相干光学相干CTOCT 微米量级的空间分辨率微米量级的空间分辨率第一代：第一代： X射线射线CT射线射线CT工业工业CT 三、三、“古老古老”原理的现代应用之原理的现代应用之例例 迈克尔逊干涉仪是历史上最著名的经典干涉仪，其迈克尔逊干涉仪是历史上最著名的经典干涉仪，其基本原理已经被推广到许多方面，研制成各种形式的精基本原理已经被推广到许多方面，研制成各种形式的精密仪器，广泛地应用于生产和科学研究领域密仪器，广泛

5、地应用于生产和科学研究领域 原理原理* * 样品中不同位置处反射样品中不同位置处反射回的光脉冲延迟时间不同回的光脉冲延迟时间不同* * 不同的材料或结构反射不同的材料或结构反射的强度不同的强度不同smdncdnt/10322881410s/m10s/mdd激光器的脉冲宽度要很小激光器的脉冲宽度要很小1015秒秒 飞秒飞秒要实现微米量级的空间分辨率要实现微米量级的空间分辨率, ,即即就要求能测量就要求能测量 秒的时间延迟秒的时间延迟时间延时短至时间延时短至10141015s 电子设备难以直电子设备难以直接测量接测量光源光源探测器探测器参考镜参考镜眼睛眼睛可利用光学迈克耳逊干涉仪原理可利用光学迈克

6、耳逊干涉仪原理只有当参考光与只有当参考光与信号光的某个脉信号光的某个脉冲经过相等光程冲经过相等光程时才会产生光学时才会产生光学干涉现象干涉现象因为因为1015秒秒 的光脉冲大约只有一个波长的光脉冲大约只有一个波长 要测量从眼内不同结构回来的光延迟要测量从眼内不同结构回来的光延迟, ,只须移动参考镜只须移动参考镜使参考光分别与不同的信号光产生干涉使参考光分别与不同的信号光产生干涉 参考臂扫描可得到样品深参考臂扫描可得到样品深度方向的一维测量数据度方向的一维测量数据 光束在平行于样品表面的光束在平行于样品表面的方向进行扫描测量方向进行扫描测量, ,可得到横可得到横向的数据向的数据 将得到的信号经计

7、算机处理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分别记录下相应的参考镜的空间位置, ,这些位置便反这些位置便反映了眼球内不同结构的相对空间位置映了眼球内不同结构的相对空间位置光源光源探测器探测器参考镜参考镜眼睛眼睛实验装置实验装置光纤化的光纤化的迈克耳逊迈克耳逊干涉仪干涉仪光源光源电子学系统电子学系统计算机计算机探探测测器器光纤耦合器光纤耦合器样样品品光纤聚焦器光纤聚焦器反反射射镜镜 大葱表皮的大葱表皮的 OCT OCT 图像图像 实际样品大小为实际样品大小为10mm4mm，图中横向分，图中横向分辨率约为辨率约为20m 纵向

8、分辨率约为纵向分辨率约为25m应用应用生物生物医学医学材料科学材料科学我国第一台我国第一台OCT的第一张图的第一张图 清华原子分子国家重点实验室清华原子分子国家重点实验室兔子眼球前部的兔子眼球前部的OCT图像图像晶状体上皮晶状体上皮睫状体睫状体角膜后表面角膜后表面角膜前表面角膜前表面Optical coherence tomography (Cardiovascular Radiation Medicine 4, 2003)(PDF)Optical coherence tomography (OCT) is a light-based imaging modality that can be

9、used in biological systems to study tissues in vivo with near-histologic, ultrahigh resolution. The rationale for intravascular application of OCT is its potential for in vivo visualisation of the coronary artery microstructure. Miniature endoscope for simultaneous optical coherence tomography and l

10、aser-induced fluorescence measurement (1 January 2004 Vol. 43, No. 1 APPLIED OPTICS)(PDF)We have designed a multimodality system that combines optical coherence tomography OCT and laser-induced fluorescence LIF in a 2.0-mm-diameter endoscopic package. OCT provides 18- m resolution cross-sectional st

11、ructural information over a 6-mm field.Video-rate three-dimensional optical coherence tomography (Vol. 10, No. 9 May 06, 2002, Optics Express)Here we demonstrate three-dimensional optical coherence tomography (3D OCT) at video rate.Use of optical coherence tomography to monitor biological tissue fre

12、ezing during cryosurgery (Journal of Biomedical Optics 9(2), 282286, March/April 2004)(PDF)OCT provides high spatial resolution (510 mm) images of optical backscattering due to local variations in refractive index, such as the boundary between liquid and frozen water in tissue.Optical Coherence Tomo

13、graphy: Endoscopic Instrumentation and Applications (James R. Parker March 20, 2003)This report reviews the technology of OCT with emphasis on endoscopic applications.Emerging Clinical Applications of Optical Coherence Tomography (Optics & Photonics News, April 2002)By measuring backscattered light

14、as a function of depth, OCT fills a valuable niche in imaging of tissue microstructure, providing subsurface imaging with high spatial resolution (on the order of ten micrometers) in three dimensions and high sensitivity in vivo with no contact needed between the probe and the tissue. Trends and prospects for