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大家好 今天我们继续讲
双光束干涉系统及其应用
上一讲我们给大家介绍了
典型的双光束干涉系统中的
第一种干涉仪叫斐索干涉仪
包括激光平面干涉仪
和牛顿环两种
今天我们讲另一种典型的
双光束干涉系统
叫麦克尔逊干涉仪
这是麦克尔逊干涉仪的
结构原理图
大家可能也比较熟悉
由光源S发出的光
经过分光板G1的
透射和反射分成两路
我们把这两路分别称为
竖直光路和水平光路
竖直光路中
反射光束经过上面的
可移动反射镜M1的反射
再经过分光板G1透射
水平光路中
透射光束经过补偿板G2
到达反射镜M2
经过M2反射 补偿镜透射
再被分光镜G1反射
从两个臂反射回来的光束
共同经过透镜L汇聚
在观察面P上形成干涉
麦克尔逊干涉仪可以等效为
由两个反射镜M1和M2′
M2′是M2经过分光板G所成的像
M1和M2′构成的虚平板
根据M1 M2′相对位置不同
干涉仪可以形成平行平板
楔形平板 厚板 薄板等
多种形式的干涉
又可以根据不同照明情况
产生不同性质的干涉条纹
这里需要说明一下
补偿板G2的作用
我们大家知道
加入补偿板G2的目的
是为了让两个臂的光束
经过补偿板的次数相同
也都是三次
以补偿两个臂的光程差
大家想没有想过
是不是可以通过移动反射镜
M1的移动来补偿
两个臂的光程差呢 想过没
这个答案是对于单色光
照明情况下是可以补偿的
但是对于复色光来说
就不能通过移动
可移动反射镜M1的位置
同时补偿各种颜色光的光程差
也就是说你补偿了红光的光差
但不能补偿蓝光的
所以通过M1在空气中的移动
是不可能同时补偿
各种颜色光的光程差的
所以加入补偿板G2的目的
是为了同时补偿
各色光的光程差
这是麦克尔逊干涉仪的
实物照片
两个互相垂直的干涉臂
顶端是两块反射镜
中间两个互相平行的玻璃块
就是补偿板G1和G2
需要注意的是补偿板是成对的
也就是说它们必须是
相同的材料
厚度完全相同的两块板
只有这样才能达到同时补偿
各种颜色光程差的目的
所以两块补偿板
一般是从同一块
加工好的玻璃上切开的
我们叫成对的补偿板
这是用白光光源照明
麦克尔逊干涉仪的干涉图
把CCD相机
放在观察面P的位置拍摄的
可以观察到
明显的彩色干涉条纹
因为是白光光源照明
接下来我们分析一下
麦克尔逊干涉仪
产生的干涉条纹
先来看一下虚平板
两平面平行的情况
这种情况就是
我们前面讨论过的
平行平板的干涉
它所形成的是等倾干涉条纹
根据明纹满足的光程差公式
δ=2nhcosθ2=mλ
m是干涉级次
注意 这里形成的是虚平板
所以没有半波损
这幅图是用麦克尔逊干涉仪
观察到的等倾干涉条纹的照片
每一幅图下面示意的画出了
两反射镜的等效位置情况
可以看出来
虚平板越厚条纹越密
平板厚度h为0的时候
干涉条纹间距就变为无穷大
也就是一片均匀
我们所说的没有干涉条纹
根据明纹的光程差公式
我们可以判断条纹的变化规律
当h增大的时候
同一m级干涉条纹
对应的θ2会增大
所以条纹是从里往外冒的
同一m级干涉条纹
对应的θ2增大的时候
根据条纹间距公式Δθ1
反比hθ1分之1
知道两条纹间距变密
反之当h减小的时候条纹内缩
条纹间距变大
也就是条纹变疏
根据条纹变化
外冒或者内缩的数量n
可以求得虚拟平板的厚度变化
或者说光程差的变化
Δh就等于N倍的2分之λ
N是条纹变化数量
λ是所用的波长
接下来我们再来看一下
虚平板为楔板的情况
这种情况
就是我们前面讨论过的
楔形平板的干涉
在楔角比较小
楔板比较薄的时候
或者在用平行光照明的情况下
形成的是等厚干涉条纹
条纹的方向是平行于楔棱的
这个我们前面讨论过
对于虚平板为楔板的情况
在扩展光源照明下
或者形成的楔板厚度较大时
由于厚度h和入射角度θ1
同时影响光程差δ
所以这个时候
形成的是混合条纹
所谓混合条纹就是说
它既不是直条纹
也不是圆条纹
这个图就象征性的表示了
混合条纹的形状
它是凸向厚度减小的方向
楔棱方向
这是用麦克尔逊干涉仪
观察到的等厚干涉条纹的照片
每一幅图下面示意的画出了
两个反射镜的等效位置情况
从这幅图可以看出来
由于楔角大小没有变化
所以条纹的间距是不变的
但是当楔板厚度较大时
比如最左边和最右边这两幅图
干涉直条纹就变得弯曲了
这两幅图明显
显示的是混合条纹
最后我们说一下
麦克尔逊干涉仪的应用
根据干涉条纹变化数量N
与虚平板厚度变化量
δh之间的关系
也就是δh
等于N倍的λ除以2n
n是材料的折射率
根据这个公式我们可以知道
只要这个公式中的三个参数
波长 折射率 厚度
其中的两个已经知道
就可以通过
干涉条纹变化量的测量
求得第三个未知量
还需要说明一点
用白光条纹做精密测量的时候
白光条纹可以确定
零程差的位置
而单色光是不能精确确定
零程差位置的
另外白光光源
是比较便宜的光源
可以以较低的成本进行厚度
或者折射率的精密测量
这一讲就讲到这里谢谢
-1.1.1 课程背景和内容简介
-1.1.2 光学工程的特点
--光学工程的特点
-1.1.3 本课程的学习方法
--本课程的学习方法
--外部链接
-1.2.1 微积分基础知识
--微积分基础知识
-1.2.2 光学工程中的常用函数
-1.2.3 常用函数的运算与变换
-扩展阅读
--SPIE课程:Light in Action-Lasers,Cameras&Other Cool Stuff
--SPIE课程:A Day Without Photonics-A Modern Horror Story
--SPIE课程:Advice to Students from Leaders in the Optics&Photonics Community
--版权说明
-2.1.1 基本概念和光线传播基本定律
-2.1.2 成像基本概念
--成像基本概念
-2.1.3 费马原理
--费马原理
-2.1.4 等光程成像
--等光程成像
-2.1.5 常用曲面形状
--常用曲面形状
-第一次作业--作业
-2.2.1 近轴光学基本概念
--近轴光学基本概念
-2.2.2 近轴球面成像
--近轴球面成像
-2.2.3 近轴球面成像放大率
-2.2.4 物像空间及光学不变量
-2.2.5 矩阵光学简介
--矩阵光学简介
-2.2.6 矩阵光学应用
--矩阵光学应用
-第二次作业--作业
-2.3.1 理想光学系统基本概念
-2.3.2 理想光学系统的基点与基面
-2.3.3 图解法求像
-2.3.4 解析法求像
-2.3.5 理想光学系统的放大率
-2.3.6 理想光学系统焦距关系
-2.3.7 理想光学系统组合
-2.3.8 透镜与薄透镜
-2.3.9 远摄型光组和反远距型光组
-第三次作业--作业
-2.4.1 平面反射镜及双平面反射镜
-2.4.2 反射棱镜及其展开和平行平板成像
-2.4.3 反射棱镜成像方向
-2.4.4 棱镜转动定理
-2.4.5 角锥棱镜和折射棱镜
-2.4.6 光学材料简介
-第四次作业--作业
-2.5.1 光阑简介与孔径光阑
-2.5.2 视场光阑与渐晕
-2.5.3 远心光路
-2.5.4 景深
--2.5.4 景深
-第五次作业--作业
-2.6.1 光度学与色度学基础
-2.6.2 视见函数和光度学
-2.6.3 光传播过程中光学量的变化规律
-2.6.4 色度学基本概念
-2.6.5 CIE标准色度学系统
-第六次作业--作业
-2.7.1 球差
--2.7.1 球差
-2.7.2 色差
--2.7.2 色差
-2.7.3 子午像差和弧矢像差
-2.7.4 彗差、像散、场曲、畸变
-2.7.5 垂轴像差、波像差
-2.7.6 光学传递函数
-第七次作业(像差)--作业
-2.8.1 人眼的光学模型
-2.8.2 人眼的缺陷与校正
-2.8.3 人眼的景深
-2.9.1 光学系统的分辨率
-上篇:应用光学——光学系统的分辨率(光学系统分辨率)
-2.9.2 人眼的分辨率
-上篇:应用光学——光学系统的分辨率--第八次作业(人眼)
-2.10.1 放大镜
-上篇:应用光学——放大镜--第八次作业(放大镜)
-2.10.2 放大镜的光束限制和视场及目镜
-2.11.1 望远系统
-2.11.2 望远镜的放大倍率
-2.11.3 望远镜的视觉放大率
-2.11.4 望远镜的分辨率
-第九次作业(望远镜)--作业
-2.12.1 显微镜及其放大率
-2.12.2 显微镜的视觉放大率
-2.12.3 显微镜的孔径光阑
-2.12.4 显微镜的机械筒长
-2.12.5 显微镜的分辨率及有效放大率
-2.12.6 显微镜的景深
-2.12.7 显微镜的照明系统
-第九次作业(显微镜)--作业
-3.1.1 电磁场的波动性
-3.1.2 平面电磁波及其性质
-3.1.3 球面波与柱面波,光波辐射与辐射能
-3.2.1 电磁场的连续条件(边界条件)
-3.2.2 光在两电介质分界面上的折射与反射
-3.2.3 菲涅耳公式
-3.2.4 全反射与倏逝波
-3.2.5 金属表面的反射
-3.2节课后习题--作业
-3.3.1 光的吸收、色散和散射
-3.4.1 光波的叠加
-3.5.1 干涉原理及相干条件
-3.5节课后习题--作业
-3.6.1 干涉图样计算
-3.6.2 分波阵面干涉装置的特点
-3.6节课后习题--作业
-3.7.1 时间相干性
-3.7.2 空间相干性
-下篇:物理光学——干涉条纹的对比度及其影响因素
-3.8.1 干涉条纹的定域
-3.8.2 平行平板产生的等倾干涉
-3.8.3 楔形平板产生的等厚干涉
-下篇:物理光学——平板的双光束干涉--3.8节课后习题
-3.9.1 斐索干涉仪
-3.9.2 迈克尔逊干涉仪
-下篇:物理光学——典型的双光束干涉系统及其应用
-3.10.1 平行平板的多光束干涉
-3.10.2 F-P 干涉仪
-3.10.3 光学薄膜基础
-3.10.4 单层膜与多层膜
-3.10课后习题--作业
-3.11.1 惠更斯—菲涅耳原理
-3.11.2 菲涅耳—基尔霍夫衍射公式及衍射分类
-3.11节习题--作业
-3.12.1 夫朗和费衍射公式的意义
-3.12.2 矩孔衍射和单缝衍射
-3.12.3 圆孔衍射
-3.12节习题--作业
-3.13.1 成像系统的分辨本领
-下篇:物理光学—— 光学成像系统的衍射和分辨本领
-3.14.1 双缝与多缝的夫朗和费衍射
-3.14.2 光栅的分光性能
-3.14.3 几种典型光栅
-3.14节习题--作业
-3.15.1 圆孔和圆屏(盘)的菲涅耳衍射
-3.15.2 菲涅耳透镜
-下篇:物理光学—— 菲涅耳衍射(菲涅耳衍射)
-3.16.1 平面波的复振幅分布和空间频率、复杂复振幅及其分解
--3.16.1 平面波的复振幅分布和空间频率、复杂复振幅及其分解
-3.16.2 光波衍射的傅里叶分析方法
-3.16.3 透镜的傅立叶变换性质
-3.16.4 相干成像系统分析及相干传递函数
-3.16节习题--作业
-3.17.1 非相干成像系统分析及光学传递函数
-3.17.2 阿贝成像理论、波特实验与光学信息处理
-3.17.3 全息术
-3.17节习题--作业
-3.18.1 偏振光概述
-3.18.2 光在晶体中的传播
-3.18.3 单色平面波在晶体中的传播
-3.18.4 单轴晶体中光的传播
-3.18节习题--作业
-3.19.1 光波在晶体表面的折射和反射
-3.20.1 偏振棱镜和相位延迟器(一)
-3.20.1 偏振棱镜和相位延迟器(二)
-3.20.2 偏振光和偏振态的琼斯矩阵表示
-3.20节课后作业--作业
-3.21.1 偏振光的变换
-3.21.2 偏振光的测定
-3.21节课后习题--作业
-3.22.1 平面偏振光的干涉
-3.22.2 会聚偏振光的干涉
-3.22节课后习题--作业
-3.23.1 旋光现象和磁致旋光效应(一)
-3.23.1 旋光现象和磁致旋光效应(二)
-3.23.2 电光效应(一)
-3.23.2 电光效应(二)
-3.23.3 声光效应
-下篇:物理光学——磁光、电光和声光效应--3.23节课后习题
-期末考试--作业