光的干涉应用举例.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,光的干涉应用举例,简要回顾,干涉条件,（充分条件；必要条件）,相干和不相干,相干光源与不相干光源,杨氏双缝干涉,薄膜干涉（,等倾干涉,、,等厚干涉,）,Light beams can interfere with each other:Two point sources,Different separations.Note the different patterns.,Constructive vs.destructive interference,Constructive vs.destructive interference;Coherent vs.incoherent interference,Waves that combine,in phase,add up to relatively high irradiance.,Waves that combine,180 out of phase,cancel out and yield zero irradiance.,Waves that combine with,lots of different phases,nearly cancel out and yield very low irradiance.,=,=,=,Constructive interference(,coherent,),Destructive interference(,coherent,),Incoherent,addition,相长,相消,不相干,Coherent vs.Incoherent Light,I,total,=I,1,+I,2,+,+I,n,E,total,=E,1,+E,2,+,+E,n,Coherent light:,1.Its strong.,2.Its directional.,3.Total irradiance,N,2,or,0.,4.Total irradiance is the mag-square of the sum of individual fields mag-square of the sum of individual fields.,Incoherent light:,1.Its relatively weak.,2.Its omni-directional.,3.Total irradiance,N.,4.Total irradiance is the sum of individual irradiances.,Laser,相干光源,不相干光源,Young,s double-slit interference,测定波长,测定折射率,等倾干涉,等倾干涉,是指,厚度相等的薄膜,所发生的干涉。同一级条纹对应着,同一倾角,。,A,C,a,1,a,2,C,d,0,n,1,n,2,n,1,i,1,i,2,B,干涉相长 亮点,干涉相消 暗点,干涉原理,等厚干涉,等厚干涉,是,厚度不同的薄膜,所发生的干涉。同一级条纹对应着,同一厚度,。,D,L,2,c,a,n,1,c,1,n,2,a,2,n,1,C,B,A,C,d,0,i,1,i,2,干涉相长,亮纹,干涉相消,暗纹,d,d,A,dj,+1,d,j,d,l,B,O,等倾与等厚干涉的区别,类别,项目,等倾,等厚,光源,面,光源,点,光源,条纹形状,内疏外密,的同心圆环,等间距,直线状,干涉级,内高外低,高高低低,对光学表面磨光的检验,光学部件的精密测量,长度微小改变的精密测定,增透光薄膜的制备,干涉滤光片的制作,轴承滚珠的分类和检验,研究光谱谱线的精细结构,测定物质的折射率,光的干涉的应用,本课主要内容,一、等倾干涉及其应用,(,一）,迈克尔孙干涉仪（实验）,及其应用,（二）,法布罗,-,珀罗干涉仪,及其应用,（三）,全光纤,迈克尔孙干涉仪及其应用,（四）其它干涉仪及其应用,二、等厚干涉及其应用,（一）,劈尖,及其应用,（二）,牛顿环（实验）,及其应用,三、,镀膜,光学元件,（一）增透膜与增反膜,（二）照相机,四、,全息,干涉及其应用,一、等倾干涉及其应用,(,一）,迈克尔孙干涉仪（实验）,及其应用,（二）,法布罗,-,珀罗干涉仪,及其应用,（三）,全光纤,迈克尔孙干涉仪及其应用,（四）其它干涉仪及其应用,观察屏,分光板,补偿板,全反镜,粗调手轮,细调手轮,竖直调节螺丝,水平调节螺丝,（一）,迈克尔孙,干涉仪及其应用,1.,迈克耳孙干涉仪基本原理,（,1,）,仪器结构,迈克耳孙：美国物理学家。主要从事光学和光谱学方面的研究，以毕生精力从事光速的精密测量。,由于他在光学精密测量仪器、光谱学及基本度量学中的卓越贡献，,1907,年获得了美国第一个诺贝尔物理学奖。,1.9,（,2,）,工作原理,光束,1,和,2,发生干涉,若,M,1,、,M,2,平行,等倾条纹,若,M,1,、,M,2,有小夹角,等厚条纹,十字叉丝,等厚条纹,若,M,1,平移,d,时，干涉条移过,N,条，则有,:,2,1,可观测到,l,/,20,的量级（几十,nm,）,!,M,1,S,2,1,半透半反膜,M,2,M,1,G,1,G,2,E,补偿板,！,通常考虑垂直入射,实验,测量折射率,迈克尔孙,莫雷实验,2.,迈克耳孙干涉仪的应用,例：测量折射率,在迈克耳孙干涉仪的两臂,中分别引入,100.0,mm,长的,玻璃管,A,、,B,，其中一个,抽成真空，另一个在充以,一个大气压空气的过程中,观察到,107.2,条条纹移动，,所用波长为,546.1nm,。,求空气的折射率,？,解：,设空气的折射率为,n,相邻条纹或说条纹移动一条时，对应光程差的变化为一个波长，当观察到,107.2,条移过时，光程差的改变量满足：,迈克耳孙干涉仪的两臂中便于插放待测样品，由条 纹的变化测量有关参数。,精度高,。,！,1887,年迈克耳孙和莫雷（英国化学家）根据设想：如果存在以太，而且以太又完全不为地球运动所带动，则地球对于以太的运动速度就是地球的绝对速度。,利用地球的绝对速度和光速在方向上的不同,，应该在所设计的迈克耳孙干涉仪实验中观测到某种预期的结果，从而求得地球相对于以太的绝对速度。,迈克尔孙莫雷实验,1,）实验目的：,测量运动参考系（主要是地球）相对以太的速度。,2,）实验装置：,迈克尔逊干涉仪,3),实验原理：,地球假定沿,GM,1,方向运动。若伽利略变换成立，光沿,GM,1,相对于地球的速度,为,c-,v,，光沿,M,1,G,，,相对于地球的速度,为速度,c+,v,，光从,G-M,1,-G,所需时间为,G,M,1,M,2,v,G,M,1,M,2,v,光沿,GM,2,的速度和光沿,M,2,G,的速度,光从,G-M,2,-G,所需时间为,光沿,GM,2,光沿,M,2,G,G,点发出的两束光到达望远镜的时间差,光程差,仪器旋转,90,0,，前后两次,光程变化,2,d,，干涉条纹移动,测出,D,N,，便可由上式计算出地球相对以太的速度,v,.,4),实验结果：,在不同季节，不同地理条件下做实验，都没有观察到条纹的移动。,实验表明：,相对以太的绝对运动是不存在的，以太不能作为绝对参考系，,以太假设不能采用,；,地球上沿,各个方向的光速都是相等,的。,迈克耳逊,-,莫雷实验一直被认为是,狭义相对论,的主要,实验支柱,.,（二）布罗,-,珀罗干涉仪及其应用,Applications of Fabry-Perot interferometers,and etalons,To frequency filter a beam(this is often done inside a,laser,).,Money is now coated with,interferometric inks,to help foil counterfeiters.Notice the shade of the“20,”which is shown from two different angles.,The Laser,A laser is a medium that stores energy,surrounded by two mirrors.,Photons entering the medium undergo stimulated emission.As a,result,the irradiance exiting from the medium exceeds that entering it.,A partially reflecting output mirror lets some light out.,A laser will lase if the beam increases in irradiance during a round trip:,that is,if,I,3,I,0,.,Absorption Spontaneous Emission Stimulated Emission,Before After,（三）全光纤激光迈克尔孙干涉仪,光学干涉测量，如用钠光测量凸透镜曲率半径，用迈克尔孙干涉仪测量位移等，很久以来都是物理实验的和总要内容。然而，那些把空气作为介质的激光干涉装置，存在着致命的缺陷，如温度的不均匀、振动、空气中的水分等将使得这些激光干涉装置在工程应用中收到限制。而光纤干涉测量装置则耐振动、不怕电磁干扰、可在较高温度环境中工作。,利用干涉原理，将激光耦合在,直径为,4,微米,的,单模光纤,中制作成,全光纤,迈克尔孙干涉仪，就可解决上述问题。,Optical fibers use TIR to transmit light long distances.,Fiber Optics,光学光纤,They play an ever-increasing role in our lives!,Core:Thin glass center of the fiber that carries the light,Cladding:Surrounds the core and reflects the light back into the core,Buffer coating:Plastic protective coating,Design of optical fibers,n,core,n,cladding,Propagation of light in an optical fiber,Light travels through the core bouncing from the reflective walls.The walls absorb very little light from the core allowing the light wave to travel large distances.,Some signal degradation occurs due to imperfectly constructed glass used in the cable.The best optical fibers show very little light loss-less than 10%/km at 1,550 nm.,Maximum light loss occurs at the points of maximum curvature.,Microstructure fiber,Such fiber has many applications,from medical imaging to optical clocks.,Air holes,Core,In microstructure fiber,air holes act as the cladding surrounding a glass core.Such fibers have different dispersion properties.,（四）其它类型的干涉仪及其应用,马赫,-,曾德尔干涉仪及其应用,萨格奈克干涉仪及其应用,Mach-Zehnder Interferometer,马赫,-,曾德尔干涉仪,原理图,The Mach-Zehnder interferometer is usually operated“misaligned”and with something of interest in one arm.,Beam-,splitter,Input,beam,Mirror,Mirror,Beam-,splitter,Output beam,Object,Mach-Zehnder Interferogram,Nothing in either path,Plasma in one path,The Sagnac Interferometer,萨格奈克干涉仪,原理图,The two beams take the same path around the interferometer and the output light can either exit or return to the source.,Beam-,splitter,Input,beam,Mirror,Mirror,Mirror,Beam-,splitter,Input,beam,Mirror,Mirror,It turns out that no light exits!It all returns to the source!,Why all the light returns to the source in a Sagnac interferometer,For the exit beam:,Clockwise path has phase shifts of,p,p,p,and 0.,Counterclockwise path has phase shifts of 0,p,p,and 0.,Perfect cancellation!,For the return beam:Clockwise path has phase shifts of,p,p,p,and 0.Counterclockwise path has phase shifts of 0,p,p,and,p,.,Constructive interference!,Beam-,splitter,Input,beam,Mirror,Mirror,Reflection off a front-surface mirror yields a phase shift of,p,(180 degrees).,Reflective surface,Reflection off a back-surface mirror yields no phase shift.,Exit beam,Returnbeam,Sagnac,干涉仪的基本结构,发生干涉的两个光场在同一段,光纤,内传输,是一种自平衡的干涉仪,具有结构紧凑、稳定，制作相对容易，对环境不敏感等优点,它可以灵活地构成各种,全光器件,非对称的实现方法,提高非线性,结构非对称,高非线性光纤,微纳光纤,光相位调制器,SOA,光纤长度精密测量,两个方向分别引入的相位,声光调制器引入的频偏,干涉仪的输出,光纤陀螺,相对速度,绕环一圈的时间差,光程差：,光纤陀螺是基于,光纤通信和集成光学,发展而来的一种新型现代陀螺仪，是一种非常重要的,角速率传感器件,，常用来测量物体相对于惯性空间的角速度或转动角度的无自转质量。光纤陀螺在当今的惯性传感器领域有着特殊的重要意义，具有寿命长、启动快、精度高、耗电少、动态范围宽等优点，国内外都将光纤陀螺及其构成的导航系统作为惯性技术领域的主攻方向，在,航空航天、武器导航,等领域起到了极为关键的作用。,二、等厚干涉及其应用,（一）,劈尖,及其应用,（二）,牛顿环（实验）,及其应用,干涉亮条纹：,平行于,Y,方向的平行条纹,x,y,条纹的疏密,:,等间距的平行条纹,劈尖干涉,（一）,劈尖,及其应用,1.11,检查光学平面的缺陷,平面上有凹坑,。,“,凹,”,向薄处偏！,！,“,凸,”,向厚处偏！,（,1,）干涉膨胀仪,干涉条纹移动,测量长度的微小改变,（,2,）测膜厚、细丝直径,Si,空气,The Unbalanced,Michelson,Interferometercan sensitively,measure phase,vs.position.,Phase variations of a small fraction of a wavelength can be measured.,Placing an object in one arm of a misaligned Michelson,interferometer will distort the spatial fringes.,Beam-,splitter,Input,beam,Mirror,Mirror,q,Spatial fringes distorted by a soldering iron tip in one path,劈尖干涉,测量相移,平行光入射,平凸透镜与平晶间,形成,空气劈尖,.,平晶,S,分束镜,M,显微镜,0,平凸透镜,.,实验装置示意图,d,可用,r,R,表示,:,分 析,d,或利用,:,圆周角,=,弦切角,暗环,（二）,牛顿环（实验）,及其应用,（,1,）,牛顿环中心是暗点。愈往边缘，条纹级别愈高。,即：,外环,j,值大，,与等倾干涉条纹,相反,。,（,2,）,相邻两环的间隔为,(,r,对,j,求导,):,内疏外密（,与等倾干涉条纹,相似）,;,讨论：,或：,增大,R,，条纹间隔,变大,;,增大,l,，条纹间隔,变大,。,反射暗环,（,3,）,复色光入射,彩色圆环,（,4,）,透射光,与反射情况,互补,（,5,）,动态反应：,连续,增加,薄膜的厚度,视场中条纹,缩入,反之,冒出。,0 1 2 345.,与等倾干涉条纹情况,相反,!,“,红,包,紫,”,压,环外扩,:,要打磨中央部分,压,环内缩,:,要打磨边缘部分,牛顿环在光学冷加工中的应用,每一圈对应,厚度,差（因为,n,=1,）,打磨工件,三、,镀膜,光学元件,（一）增透膜与增反膜,（二）照相机,（一）,增透膜和增反膜,增透膜-,利用薄膜上、下表面反射光的光程差符合相消干涉条件来减少反射，从而使透射增强。,增反膜,-,利用薄膜上、下表面反射光的光程差满足相长干涉，因此反射光因干涉而加强。,Anti-reflection Coating,减反膜,-,增透膜,Notice that the center of the round glass plate looks like its missing.,Its not!Theres an“anti-reflection coating”there(on both the front and back of the glass).,正入射时：,例,:,空气,（,n,1,=1,）,玻璃（,n,2,=1.5),镀膜光学元件基本原理,n,0,n,2,n,1,(1)(2)(3)(4),第一界面,第二界面,入射光,材,料,折射率,反射率,/,（,%,）,透射率,/,（,%,）,水,1.33,2.0,98.0,玻璃,1.52,4.3,95.7,白宝石,1.73,7.2,92.8,钻石,2.4,17,83,石英（红外）,3.5,31,69,锗（红外）,4.0,36,64,光从空气正入射到一些材料时的反射率和折射率,n,0,n,2,n,1,(1)(2)(3)(4),第一界面,第二界面,入射光,薄膜干涉：,r,与,n,0,、,d,无关，故,n,0,膜层称为,“,无影响膜层,”,.,(2),l/,膜层,当,当,反射率增大,反射率降低,垂直入射,垂直入射,反射光、透射光的相位差与,膜厚、折射率及入射角,有关,.,(1),l,/2,膜层,a,n,0,n,2,时，,b,n,0,n,2,时，为增透膜,；,结论：,正入射，,时，无论,n,0,、,d,为何值,，当,c.,零反射条件,为增反膜,；,（二）照相机,增透膜,：增加某波段光的通光量（照相机、望远镜、显微镜等助视仪器的镜头）。,增反膜,：紫外防护镜、冷光膜、各种面镜。,干涉滤光片,：从复色光中获得准单色光。,四、,全息,干涉及其应用,全息图的实际应用：,1,、全息图像,显示,：,照片；图片；邮票；书籍、杂志的,封皮与插页等。,2,、包装、装潢和,防伪,：,产品的包装、标牌和商标；饰品；广告；,装潢；人民币；银行卡；居民身份证等。,3,、全息,计量,技术：,（两次曝光法；时间平均法,）,面内和离面位移的测量；残余应力的测量；,振动模式测量；气流分布测量；粒子大小,和分布的测量等。,4,、全息,元件,：,光栅；透镜；波带片等。,5,、光学,信息处理,技术：,图像识别；图像的消模糊和边缘增强；,图像的假彩色编码。,全息技术的发展方向和趋势：,1,、全息元件：,一些特殊作用的全息元件研制等。,2,、全息加密技术：,如何进一步提高全息图的技术含量。,3,、全息计量技术,：,（非线性曝光；增加光程差）,如何进一步提高测量的精度；干涉条纹,的自动识别和判读的问题。,4,、白光全息技术：,克服相干光的缺点（相干噪声大、能量损,失大,4%,0,）提高全息图质量。,5,、全息技术的新方法：,随着计算机、光机电一体化等技术的发展，,又产生了新的全息技术。,（,1,）计算机像素全息技术：如何减小像素,线度以便提高图像质量。,（,2,）数字全息技术：如何把原始像和共轭,像分离开。,“,Photonic crystals,（光子晶体）,”,use interference to guide light,sometimes around corners,!,Interference controls the path of light.Constructive interference occurs along the desired path.,Augustin,et al.,Opt.Expr.,11,3284,2003.,Yellow indicates peak field regions.,Borel,et al.,Opt.Expr.12,1996(2004),目前前沿研究,作业,查阅,internet,进一步了解光的干涉应用的,新进展,，并写成,评述性,的小论文。,