《【學(xué)習(xí)課件】物理光學(xué) 邁克爾遜干涉儀》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《【學(xué)習(xí)課件】物理光學(xué) 邁克爾遜干涉儀（32頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、3.4 典型干涉儀及其應(yīng)用典型干涉儀及其應(yīng)用 (typical interferometers and their applications)3.4.1 邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀 (Michelson interferometer )3.4.2 馬赫馬赫澤德干涉儀澤德干涉儀 (Mach-Zehnder Interferometer )3.4.4 干涉濾光片干涉濾光片 ( (Interference filter )3.4.3 法布里法布里珀羅干涉儀珀羅干涉儀 (Fabry Perot interferometer )邁克爾遜（邁克爾遜（18521931），美國物理），美國物理學(xué)家學(xué)家 ，主

2、要貢獻(xiàn)在于光譜學(xué)和度量，主要貢獻(xiàn)在于光譜學(xué)和度量學(xué)，獲學(xué)，獲1907年諾貝爾物理學(xué)獎。年諾貝爾物理學(xué)獎。邁克爾遜干涉儀是邁克爾遜和莫雷設(shè)計(jì)出來的一種利邁克爾遜干涉儀是邁克爾遜和莫雷設(shè)計(jì)出來的一種利用用分割光波振幅的方法分割光波振幅的方法實(shí)現(xiàn)干涉的精密光學(xué)儀器。其實(shí)現(xiàn)干涉的精密光學(xué)儀器。其調(diào)整和使用具有典型性。調(diào)整和使用具有典型性。3.4.1 邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀 (Michelson interferometer ) 邁克爾遜干涉儀是邁克爾遜干涉儀是1881年邁克爾遜設(shè)計(jì)制作的，它聞年邁克爾遜設(shè)計(jì)制作的，它聞名于世是因?yàn)檫~克爾遜曾用它作過三個重要的實(shí)驗(yàn)：名于世是因?yàn)檫~克爾遜曾用它作過三

3、個重要的實(shí)驗(yàn)：3.4.1 邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀 (Michelson interferometer )邁克爾遜邁克爾遜莫雷莫雷以太漂移實(shí)驗(yàn)以太漂移實(shí)驗(yàn)；第一次系統(tǒng)地研究了第一次系統(tǒng)地研究了光譜線的精細(xì)結(jié)構(gòu)光譜線的精細(xì)結(jié)構(gòu)；首次將光譜線的波長與標(biāo)準(zhǔn)米進(jìn)行了比較，建立首次將光譜線的波長與標(biāo)準(zhǔn)米進(jìn)行了比較，建立了以了以光波長光波長為基準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)長度。為基準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)長度。3.4.1 邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀 (Michelson interferometer )Gl 和和 G2是兩塊折是兩塊折射率和厚度都相射率和厚度都相同的平行平面玻同的平行平面玻璃板，分別稱為璃板，分別稱為分光板和補(bǔ)償板分光

4、板和補(bǔ)償板，G1背面有鍍銀或背面有鍍銀或鍍鋁的半反射面鍍鋁的半反射面A,G1和和G2互相干互相干行。行。1. 邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀的工作原理的工作原理2G1M2M 2M1GALPSD1EC如果調(diào)節(jié)如果調(diào)節(jié)M2，使得使得 M2 與與 M1 平行，所觀察到的干涉平行，所觀察到的干涉圖樣就是一組等傾干涉圓環(huán)。當(dāng)圖樣就是一組等傾干涉圓環(huán)。當(dāng) M1 向向 M2 移動時移動時(虛虛平板厚度減小平板厚度減小)，圓環(huán)條紋向中心收縮，并在中心一圓環(huán)條紋向中心收縮，并在中心一一消失一消失。1. 邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀的工作原理的工作原理Bfaf032.gif1M2M 1M2M M1每移動一個每移動一

5、個/2的距離，在中心就消失一個條紋。的距離，在中心就消失一個條紋。于是，可以根據(jù)條紋消失的數(shù)目，確定于是，可以根據(jù)條紋消失的數(shù)目，確定M1移動的距移動的距離。根據(jù)離。根據(jù)(26)式，此時條紋式，此時條紋變粗變粗(因?yàn)橐驗(yàn)?h 變小變小，eN變變大大)，同一視場中的條紋數(shù)變少。，同一視場中的條紋數(shù)變少。1. 邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀的工作原理的工作原理10 (26)21NNNfnerrnh N （）011 25NnrfNnh （ ）當(dāng)當(dāng) M1與與 M2完全重合時，因?yàn)閷τ诟鱾€方向入射光完全重合時，因?yàn)閷τ诟鱾€方向入射光的光程差均相等，所以的光程差均相等，所以視場是均勻視場是均勻的。的。1.

6、邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀的工作原理的工作原理與與重重 合合1M2M 如果繼續(xù)移動如果繼續(xù)移動 M1，使使 M1 逐漸離開逐漸離開M2 ，則條紋不斷則條紋不斷從從中心冒出中心冒出，并且隨虛平板厚度的增大，條紋，并且隨虛平板厚度的增大，條紋越來越來越細(xì)且變密越細(xì)且變密。1. 邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀的工作原理的工作原理Bfaf032.gif1M2M 邁克耳遜干涉儀的干涉條紋邁克耳遜干涉儀的干涉條紋等等傾傾干干涉涉條條紋紋1M2M 1M2M 與與重重 合合1M2M 1M2M 1M2M 如果調(diào)節(jié)如果調(diào)節(jié) M2，使使 M2 與與 M1 相相互傾斜一個很小互傾斜一個很小的角度，且當(dāng)?shù)慕嵌?，且?dāng)M2

7、 與與M1比較接比較接近，觀察面積很近，觀察面積很小時，所觀察到小時，所觀察到的干涉圖樣近似的干涉圖樣近似是定域在楔表面是定域在楔表面上或楔表面附近上或楔表面附近的一組平行于楔的一組平行于楔邊的邊的等厚條紋等厚條紋。1. 邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀的工作原理的工作原理2G1M2M2M1GALPSD1EC邁克耳遜干涉儀的干涉條紋邁克耳遜干涉儀的干涉條紋1M2M Bfaf0424.gif1M2M 2M 1M在擴(kuò)展光源照明下，如果在擴(kuò)展光源照明下，如果 M1與與 M2 的的距離增加距離增加，則，則條紋將偏離等厚線，發(fā)生彎曲，彎曲的方向是條紋將偏離等厚線，發(fā)生彎曲，彎曲的方向是凸向楔凸向楔棱一邊棱一

8、邊，同時條紋可見度下降。，同時條紋可見度下降。1. 邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀的工作原理的工作原理1M2M 1M2M 干涉條紋彎曲的原因如下：如前所述，干涉條紋彎曲的原因如下：如前所述，干涉條紋干涉條紋應(yīng)當(dāng)是等光程差線應(yīng)當(dāng)是等光程差線。1. 邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀的工作原理的工作原理當(dāng)入射光不是平行光時，對于傾角較大的光束，若當(dāng)入射光不是平行光時，對于傾角較大的光束，若要與傾角較小的入射光束等光程差，其要與傾角較小的入射光束等光程差，其平板厚度應(yīng)平板厚度應(yīng)增大增大。1. 邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀的工作原理的工作原理 = 2nhcos2+/22222coscoshh靠近楔板邊緣的點(diǎn)對

9、應(yīng)的入射角較大，因此，干涉靠近楔板邊緣的點(diǎn)對應(yīng)的入射角較大，因此，干涉條紋越靠近邊緣，越偏離到厚度更大的地方，即條紋越靠近邊緣，越偏離到厚度更大的地方，即彎彎曲方向是凸向楔棱一邊曲方向是凸向楔棱一邊。1. 邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀的工作原理的工作原理M2 M1等厚線等厚線干涉條紋干涉條紋在楔板很薄的情況下，光束入射角引起的光程差變在楔板很薄的情況下，光束入射角引起的光程差變化不明顯，化不明顯，干涉條紋仍可視作一些直線條紋干涉條紋仍可視作一些直線條紋。1. 邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀的工作原理的工作原理對于楔形板的條紋對于楔形板的條紋,與平行平板條紋一與平行平板條紋一樣，樣，M2 每移動一

10、個每移動一個 /2距離，條紋就相距離，條紋就相應(yīng)地移動一個。應(yīng)地移動一個。1M2M 在干涉儀中，補(bǔ)償板在干涉儀中，補(bǔ)償板 G2 的作用是消除分光板分的作用是消除分光板分出的兩束光出的兩束光和和的不的不對稱性對稱性。不加。不加 G2時時，光光束束經(jīng)過經(jīng)過G1三次，而光三次，而光束束經(jīng)過一次。由于經(jīng)過一次。由于G1有一定厚度，導(dǎo)致有一定厚度，導(dǎo)致與與有一附加光程差。加有一附加光程差。加入入G2后，光束后，光束也三次也三次經(jīng)過同樣的玻璃板，因經(jīng)過同樣的玻璃板，因而得到了補(bǔ)償。而得到了補(bǔ)償。1. 邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀的工作原理的工作原理2G1M2M2M1GALPSD1EC不過，不過，對于單色光

11、照明，這種補(bǔ)償并非必要對于單色光照明，這種補(bǔ)償并非必要，因?yàn)椋驗(yàn)楣馐馐?經(jīng)過經(jīng)過 G1 所增加的光程，完全可以用光束所增加的光程，完全可以用光束在空氣中的行程補(bǔ)償。在空氣中的行程補(bǔ)償。但對于白光光源，因?yàn)椴Ａв猩?，不同波長的光但對于白光光源，因?yàn)椴Ａв猩?，不同波長的光有不同的折射率，通過玻璃板時所增加的光程不同，有不同的折射率，通過玻璃板時所增加的光程不同，無法用空氣中的行程補(bǔ)償，無法用空氣中的行程補(bǔ)償，因而觀察白光條紋時，因而觀察白光條紋時，補(bǔ)償板不可缺少補(bǔ)償板不可缺少。1. 邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀的工作原理的工作原理1. 邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀的工作原理的工作原理1M2

12、M 白光條紋只有在楔形白光條紋只有在楔形虛平板極薄虛平板極薄(M1與與 M2 的距離僅的距離僅為幾個波長為幾個波長)時才能觀察到，這時的條紋是帶彩色的時才能觀察到，這時的條紋是帶彩色的.如果如果 M1和和 M2 相交錯，交線上的條紋對應(yīng)于虛平板相交錯，交線上的條紋對應(yīng)于虛平板的厚度的厚度 h=0。當(dāng)當(dāng) G1不鍍半反射膜時，因在不鍍半反射膜時，因在 G1中產(chǎn)生內(nèi)反射的光線中產(chǎn)生內(nèi)反射的光線和產(chǎn)生外反射的光線和產(chǎn)生外反射的光線之間有一附加光程差之間有一附加光程差 / 2，所以白色條紋是所以白色條紋是黑色的黑色的；鍍上半反射膜后，附加程差與所鍍金屬及厚度有關(guān)，鍍上半反射膜后，附加程差與所鍍金屬及厚度

13、有關(guān)，但通常均接近于零，所以白光條紋一般是但通常均接近于零，所以白光條紋一般是白色的白色的。交線條紋的兩側(cè)是彩色條紋。交線條紋的兩側(cè)是彩色條紋。1. 邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀的工作原理的工作原理邁克爾遜干涉儀的邁克爾遜干涉儀的主要優(yōu)點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn)是兩束光是兩束光完全分開，并可由完全分開，并可由一個鏡子的平移來一個鏡子的平移來改變它們的光程差，改變它們的光程差，因此可以很方便地因此可以很方便地在光路中安置測量在光路中安置測量樣品。這些優(yōu)點(diǎn)使樣品。這些優(yōu)點(diǎn)使其有許多重要的應(yīng)其有許多重要的應(yīng)用，并且是許多干用，并且是許多干涉儀的基礎(chǔ)。涉儀的基礎(chǔ)。1. 邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀的工作原理的工作原理

14、2G1M2M2M1GALPSD1EC2. 邁克爾遜干涉儀應(yīng)用舉例邁克爾遜干涉儀應(yīng)用舉例1)激光比長儀激光比長儀應(yīng)用邁克爾遜干涉儀和穩(wěn)頻應(yīng)用邁克爾遜干涉儀和穩(wěn)頻He-Ne激光器可以進(jìn)行長激光器可以進(jìn)行長度的度的精密計(jì)量精密計(jì)量。在圖所的裝置中，光電計(jì)數(shù)器用來記。在圖所的裝置中，光電計(jì)數(shù)器用來記錄干涉條紋的數(shù)目錄干涉條紋的數(shù)目, 光電顯微鏡給出起始和終止信號光電顯微鏡給出起始和終止信號.可移平臺可移平臺激光器激光器M1M2記錄儀記錄儀光電計(jì)數(shù)器光電計(jì)數(shù)器顯微鏡顯微鏡待測物體待測物體1)激光比長儀激光比長儀當(dāng)光電顯微鏡對準(zhǔn)待測物體的起始端時，它向記錄當(dāng)光電顯微鏡對準(zhǔn)待測物體的起始端時，它向記錄儀發(fā)出

15、一個信號，使記錄儀開始儀發(fā)出一個信號，使記錄儀開始記錄干涉條紋數(shù)記錄干涉條紋數(shù)。當(dāng)物體測量完時，光電顯微鏡對準(zhǔn)物體的末端，發(fā)當(dāng)物體測量完時，光電顯微鏡對準(zhǔn)物體的末端，發(fā)出一個終止信號，使記錄儀停止工作。出一個終止信號，使記錄儀停止工作?？梢破脚_可移平臺激光器激光器M1M2記錄儀記錄儀光電計(jì)數(shù)器光電計(jì)數(shù)器顯微鏡顯微鏡待測物體待測物體1)激光比長儀激光比長儀這樣，利用這樣，利用2hm就可算出待測物體的長度。式中，就可算出待測物體的長度。式中，m 是從物體起端是從物體起端到末端記錄儀記錄的條紋數(shù)。到末端記錄儀記錄的條紋數(shù)。22cos 2nhmh2)光纖邁克爾遜干涉光纖邁克爾遜干涉儀儀隨著光纖技術(shù)的發(fā)

16、展，光纖傳感器已經(jīng)獲得了廣泛隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感器已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。在眾多的光纖傳感器中，有許多裝置的工的應(yīng)用。在眾多的光纖傳感器中，有許多裝置的工作原理，作原理，實(shí)際上是由光纖構(gòu)成的邁克爾遜干儀實(shí)際上是由光纖構(gòu)成的邁克爾遜干儀。光源光源L電子學(xué)系統(tǒng)電子學(xué)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)探測器探測器D光纖耦合器光纖耦合器P樣品樣品M1光纖聚焦器光纖聚焦器反射鏡反射鏡M2馬赫一澤德干涉儀是馬赫一澤德干涉儀是一種大型光學(xué)儀器一種大型光學(xué)儀器，它廣泛應(yīng)用于研究空它廣泛應(yīng)用于研究空氣動力學(xué)中氣體的折氣動力學(xué)中氣體的折射率變化、可控?zé)岷松渎首兓⒖煽責(zé)岷朔磻?yīng)中等離子體區(qū)的反應(yīng)中等離子體區(qū)的密度分布，并且在測

17、密度分布，并且在測量光學(xué)零件、制備光量光學(xué)零件、制備光信息處理中的空間濾信息處理中的空間濾波器等許多方面，有波器等許多方面，有著極其重要的應(yīng)用著極其重要的應(yīng)用。3.4.2 馬赫馬赫澤德干涉儀澤德干涉儀 (Mach-Zehnder Interferometer )SL1G1W11L2A1M1M2W1W2PNA2G2P1在在 W2上將形成平行等距上將形成平行等距的直線干涉條紋的直線干涉條紋(圖中畫圖中畫出了兩支出射光線在出了兩支出射光線在 W2的的 P點(diǎn)虛相交點(diǎn)虛相交)，條紋的走，條紋的走向與向與W2和和W1 所形成空氣楔的楔棱平行所形成空氣楔的楔棱平行。3.4.2 馬赫馬赫澤德干涉儀澤德干涉儀

18、(Mach-Zehnder Interferometer )當(dāng)有某種物理原因使當(dāng)有某種物理原因使 W2 發(fā)生變形，則干涉圖形不發(fā)生變形，則干涉圖形不再是平行等距的直線，從而可以從干涉圖樣的變化再是平行等距的直線，從而可以從干涉圖樣的變化測出相應(yīng)物理量。測出相應(yīng)物理量。3.4.2 馬赫馬赫澤德干涉儀澤德干涉儀 (Mach-Zehnder Interferometer )在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高于涉條紋的亮度，通常都在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高于涉條紋的亮度，通常都利用擴(kuò)展光源，此時干涉條紋是定域的，定域面可利用擴(kuò)展光源，此時干涉條紋是定域的，定域面可根據(jù)根據(jù) = 0 作圖法求出。作圖法求出。3.4.2

19、馬赫馬赫澤德干涉儀澤德干涉儀 (Mach-Zehnder Interferometer )S S S0PEdRO1S2S( )a當(dāng)四個反射面嚴(yán)格平行當(dāng)四個反射面嚴(yán)格平行時，條紋定域在無窮遠(yuǎn)時，條紋定域在無窮遠(yuǎn)處，或定域在處，或定域在 L2 的焦的焦平面上；當(dāng)平面上；當(dāng) M2 和和 G2 同同時繞自身垂直軸轉(zhuǎn)動時，時繞自身垂直軸轉(zhuǎn)動時，條紋虛定域于條紋虛定域于 M2 和和 G2 之間之間。即通過調(diào)節(jié)即通過調(diào)節(jié)M2和和G2，可使條紋定域在可使條紋定域在 M2和和 G2 之間的任意位之間的任意位置上，置上，從而可以研究任從而可以研究任意點(diǎn)處的狀態(tài)。意點(diǎn)處的狀態(tài)。3.4.2 馬赫馬赫澤德干涉儀澤德干涉儀 (Mach-Zehnder Interferometer )G1M1M2G2定域位置定域位置在光纖傳感器中，大量利用光纖馬赫一繹德干涉儀在光纖傳感器中，大量利用光纖馬赫一繹德干涉儀進(jìn)行工作。下圖是一種用于進(jìn)行工作。下圖是一種用于溫度傳感器溫度傳感器的馬赫的馬赫澤澤德干涉儀結(jié)構(gòu)示意圖。德干涉儀結(jié)構(gòu)示意圖。3.4.2 馬赫馬赫澤德干涉儀澤德干涉儀 (Mach-Zehnder Interferometer )激光器激光器擴(kuò)束器擴(kuò)束器分束器分束器溫度溫度顯微物鏡顯微物鏡干涉干涉