物理光学与应用光学第2章-5省名师优质课赛课获奖课件市赛课一等奖课件.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,*,本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢。本资料仅供参考，不能作为科学依据。感谢您,2.4,经典,干涉仪,2.4.1,迈克尔逊干涉仪,2.4.2,马赫,-,泽德干涉仪,2.4.3,法布里,-,珀罗干涉仪,第1页,2.4.1,迈克尔逊干涉仪,S,L,D,G,1,C,E,M,2,M,1,M,2,G,2,P,II,I,第2页,相对于半反射面,A,，作出平面反射镜,M,2,虚像,M,2,。于是能够认为观察系统,L,所观察到干涉图样，是由实反射面,M,1,和虚反射面,M,2,组成虚平板产生，虚平板厚度和楔角可经过调整,M,1,和,M,2,反射镜控制。,所以，迈克尔逊干涉仪能够产生厚或者薄平行平板,(M,1,和,M,2,平行,),和楔形平板,(M,1,和,M,2,有一小夹角,),干涉现象。,扩展光源能够是单色性很好激光，也能够是单色性很差,(,白光,),光源,。,2.4.1,迈克尔逊干涉仪,第3页,调整,M2,，使,M2,与,M1,平行，观察到干涉图样是一组在无穷远处,(,或在,L,焦平面上,),等倾干涉圆环。,当,M1,向,M2,移动时,(,虚平板厚度减小,),，圆环条纹,向中心收缩,，并在中心一一消失。,M1,每移动 距离，在中心就消失一个条纹。,2.4.1,迈克尔逊干涉仪,依据条纹消失数目，可确定,M,1,移动距离。依据,(2-26),式，此时条纹变粗,(,因为,h,变小，,eN,变大,),，同一视场中条纹数变少。,M,1,与,M,2,完全重合时，各个方向入射光光程差均相等，所以视场均匀。,M,1,逐步离开,M,2,时，条纹不停从中心冒出，且随虚平板厚度增大，条纹越来越细越密。,第4页,2.4.1,迈克尔逊干涉仪,假如调整,M2,，使,M2,与,M1,相互倾斜一个很小角度，且当,M2,与,M1,比较靠近，观察面积很小时，所观察到干涉图样近似是定域在楔表面上或楔表面附近一组平行于楔边等厚条纹。,在扩展光源照明下，假如,M1,与,M2,距离增加，则条纹将发生弯曲，弯曲方向是凸向楔棱一边，同时条纹可见度下降。,第5页,干涉条纹弯曲原因以下：,如前所述，干涉条纹应该是等光程差线,当入射光不是平行光时，对于倾角较大光束，若要与倾角较小入射光束等光程差，其平板厚度应增大,(,这可由 看出,),。,2.4.1,迈克尔逊干涉仪,由图,2-33,可见，靠近楔板边缘点对应入射角较大，所以，干涉条纹越靠近边缘，越偏离到厚度更大地方，即弯曲方向是凸向楔棱一边。在楔板很薄情况下，光束入射角引发光程差改变不显著，干涉条纹仍可视作一些直线条纹。,对于楔形板条纹，与平行平板条纹一样，,M1,每移动一个,/2,距离，条纹就对应地移动一个。,第6页,赔偿板,G2,作用：,消除两束光,和,不对称性。,对于单色光照明，这种赔偿并非必要；,观察白光条纹时，赔偿板不可缺乏。,2.4.1,迈克尔逊干涉仪,第7页,激光比长仪示意简图,M,1,M,2,干涉仪,可移动平台,光电显微镜,统计仪,光电计数器,激光器,待测物体,1.,激光比长仪,应用举例,2.4.1,迈克尔逊干涉仪,第8页,光纤迈克尔逊测长干涉仪原理图,M,1,D,L,P,M,2,2.,光纤迈克尔逊干涉仪,应用举例,2.4.1,迈克尔逊干涉仪,第9页,马赫,-,泽德干涉仪,2.4.2,马赫,-,泽德干涉仪,S,P,W,1,A,2,G,2,A,1,G,1,L,2,M,1,M,2,L,1,W,1,W,2,N,P,第10页,比如，为了研究尺寸较大风洞中任一平面附近空气涡流，将风洞置于,M,2,和,G,2,之间，并在,M1,和,G1,之间另一支光路上放置赔偿，调整,M2,和,G2,，使定域面在风洞中选定平面上，由透镜,L2,和摄影机拍摄下这个平面上干涉图样。只要比较有气流和无气流时条纹图样，就可确定出气流所引发空气密度改变情况。,2.4.2,马赫,-,泽德干涉仪,第11页,马赫,-,泽德光纤干涉仪定域温度传感器,激光器,扩束器,分束器,显微物镜,单模光纤,温度,干涉,应用举例,2.4.2,马赫,泽德干涉仪,第12页,1.,法布里,珀罗干涉仪结构,h,G,2,G,1,L,1,S,P,L,2,为了得到尖锐条纹，两镀膜面应准确保持平行，平行度普通要到达,(1/20,1/100),。每块玻璃板两表面通常制成一个小楔角,(1,10,),，以防止无镀膜表面反射光干扰。,2.4.3,法布里,-,珀罗干涉仪,第13页,两板之间距离能够调整,法布里,-,珀罗干涉仪,两板间距离固定不变（两板间放殷钢制成空心圆柱形间隔器）,法布里,-,珀罗标准具,1.,法布里,珀罗干涉仪结构,h,G,2,G,1,L,1,S,P,L,2,2.4.3,法布里,-,珀罗干涉仪,第14页,(a),迈克尔逊干涉仪,(b)F-P,干涉仪,两种干涉仪中干涉条纹比较,2.,法布里,珀罗干涉仪光强,两种条纹角半径和角间距计算公式相同。,2.4.3,法布里,-,珀罗干涉仪,第15页,条纹干涉级决定于空气平板厚度,h,，通常法布里,-,珀罗干涉仪使用范围是,1200 mm,，在一些特殊装置中，,h,可大到,1m,。,以,h,=5mm,计算，中央条纹干涉级约为,0,，因而这种仪器只适合用于单色性很好光源。,2.,法布里,珀罗干涉仪光强,2.4.3,法布里,-,珀罗干涉仪,第16页,当干涉仪两板内表面镀金属膜时，因为金属膜对光产生强烈吸收，使得整个干涉图样强度降低。假设金属膜吸收率为,A,，则依据能量守恒关系有：,R+T+A,=1,2.,法布里,珀罗干涉仪光强,2.4.3,法布里,-,珀罗干涉仪,第17页,当干涉仪两板膜层相同时，由爱里公式能够得到膜层存在吸收时透射光干涉强度：,光在金属内表面反射时相位改变，,R,金属膜内表面反射率。可见，因为金属膜吸收，干涉图样强度降低了,1,A,/(1,R,),2,倍，严重时，峰值强度只有入射光强几十分之一。,2.,法布里,珀罗干涉仪光强,2.4.3,法布里,-,珀罗干涉仪,第18页,法布里,-,珀罗标准具能够产生十分细而亮等倾干涉条纹，其主要应用之一是研究光谱线精细结构，即将一束光中不一样波长光谱线分开。,2.4.3,法布里,-,珀罗干涉仪,应用举例,1.,研究光谱线超精细结构,分光元件三个技术指标：,自由光谱范围,分辨本事,角色散,第19页,F-P,标准具两套干涉圆环,2,1,干涉级,m,m,+1,m,+2,2.4.3,法布里,-,珀罗干涉仪,应用举例,(1),自由光谱范围,标准具常数,当波长为,1,和,2,(,2,1,),光入射至标准具，因为两种波长同级条纹角半径不一样，因而将得到两组干涉圆环。,允许最大分光波长差，称为,自由光谱范围,(,),f,。,1.,研究光谱线超精细结构,第20页,对于靠近条纹中心某一点,(,0),处,2,第,m,级条纹与,1,第,m,+1,级条纹发生重合时，其光程差相等。,所以,2.4.3,法布里,-,珀罗干涉仪,应用举例,(1),自由光谱范围,标准具常数,比如：对于,h,=5mm,标准具，入射光波长,=0.5461,m,，,n,=1,时，,(,),f,=0.310,-4,m,1.,研究光谱线超精细结构,第21页,分光仪器所能分辨开最小波长差,(,),m,称为分辨极限。,分辨本事,2.4.3,法布里,-,珀罗干涉仪,应用举例,(2),分辨本事,“能分辨开”？,1.,研究光谱线超精细结构,第22页,瑞利判据,两个等强度波长亮条纹只有当它们合强度曲线中央极小值低于两边极大值,81%,时，才算被分开。,2.4.3,法布里,-,珀罗干涉仪,应用举例,(2),分辨本事,两个波长亮条纹刚好被分辨开时强度分布,I,0,0.81,I,M,I,M,G,F,1.,研究光谱线超精细结构,第23页,假如不考虑标准具吸收损耗，,1,和,2,透射光合强度为,:,1,和,2,是在干涉场上同一点两波长条纹所对应相位差。,2.4.3,法布里,-,珀罗干涉仪,应用举例,(2),分辨本事,1.,研究光谱线超精细结构,第24页,所以极小值强度,:,在合强度极大值处，,1,=2,m,，,2,=2,m,，,2.4.3,法布里,-,珀罗干涉仪,应用举例,设,I,1i,=,I,2i,=,I,i,，,1,2,=,，则在合强度极小值处,1,=2,m,/2,2,=2,m,/2,(2),分辨本事,所以极大值强度,:,1.,研究光谱线超精细结构,第25页,按照瑞利判据，两个波长条纹恰能分辨条件是,:,所以有,:,(2),分辨本事,2.4.3,法布里,-,珀罗干涉仪,应用举例,因为,很小，,sin,/2,/2,，则,N,条纹精细度。,1研究光谱线超精细结构,第26页,因为此时两波长刚被分辨开，,=,，所以标准具分辨本事为：,2.4.3,法布里,-,珀罗干涉仪,应用举例,(2),分辨本事,由 ，略去,影响，有,:,1.,研究光谱线超精细结构,第27页,分辨本事与条纹干涉级数和精细度成正比,。因为法布里,-,珀罗标准具,m,很大，所以分辨本事极高。,比如：,h,=5mm,N,30(R0.9),，,=0.5 m,，则在靠近正入射时，标准具分辨本事：,2.4.3,法布里,-,珀罗干涉仪,应用举例,(2),分辨本事,这相当于在,=0.5m,上，标准具能分辨最小波长差为,0.008 310,-4,m,，这么高分辨本事是普通光谱仪所达不到。,1.,研究光谱线超精细结构,第28页,应该指出，上面讨论是把,1,和,2,谱线视为单色谱线，因为任何实际谱线本身都有一定宽度，所以标准具实际分辨本事达不到这么高。,有时把,0.97,N,称为标准具有效光束数,N,。于是：,2.4.3,法布里,-,珀罗干涉仪,应用举例,(2),分辨本事,1.,研究光谱线超精细结构,第29页,角色散定义为单位波长间隔光，经分光仪所分开角度，用,d,/d,表示。,d,/d,愈大，不一样波长光经分光仪分得愈开。,2.4.3,法布里,-,珀罗干涉仪,应用举例,(3),角色散,1.,研究光谱线超精细结构,第30页,可见角度,愈小，仪器角色散愈大。所以，,F-P,干涉仪干涉环中心处光谱最纯。,2.4.3,法布里,-,珀罗干涉仪,应用举例,(3),角色散,由,F-P,干涉仪透射光极大值条件,：,或,不计平行板材料色散，两边进行微分得：,1.,研究光谱线超精细结构,第31页,性能指标,中心波长,0,透光率最大,(,T,M,),时波长；,透射带波长半宽度,透过率为最大值二分之一处波,长范围,1/2,；,峰值透过率,T,M,2,）滤光片作用,只让某一波段范围光经过。,吸收滤光片,利用物质对光波选择性吸收进行滤光。,干涉滤光片,利用多光束干涉原理实现滤光。,滤光片分类,2.4.3,法布里,-,珀罗干涉仪,应用举例,第32页,1,、法布里,-,珀罗型干涉滤光片,全介质干涉滤光片,金属反射膜干涉滤光片,2.4.3,法布里,-,珀罗干涉仪,应用举例,第33页,正入射时，透射光产生极大条件为,滤光片中心波长,2,nh,=,m,m,=1,2,3,滤光片中心波长,相邻干涉级,(,m,=1),中心波长差,=2,m,m,=1,2,3,1,、法布里,-,珀罗型干涉滤光片,2.4.3,法布里,-,珀罗干涉仪,应用举例,第34页,m,、,R,愈大，,1/2,愈小，干涉滤光片输出单色性愈好。,透射带波长半宽度,或,1,、法布里,-,珀罗型干涉滤光片,2.4.3,法布里,-,珀罗干涉仪,应用举例,第35页,对应于透射率最大中心,波长透射光强与入射光强之比,考虑膜层吸收损耗，透射光干涉图样强度,峰值透射率,T,M,(2.4-3),得,1,、法布里,-,珀罗型干涉滤光片,2.4.3,法布里,-,珀罗干涉仪,应用举例,第36页,一个经典多层介质膜干涉滤光片透射率曲线,1,、法布里,-,珀罗型干涉滤光片,2.4.3,法布里,-,珀罗干涉仪,应用举例,第37页,几个干涉滤光片特征,1,、法布里,-,珀罗型干涉滤光片,2.4.3,法布里,-,珀罗干涉仪,应用举例,第38页,膜厚改变对截止带影响,2,、红外滤光片,依据多层高反射膜反射率光谱特征，,膜厚改变将改变截止带位置。,假如,nh,=0.22,m,，则反射红外线而透过可见光。,假如,nh,=0.13,m,，膜系反射可见光而透过红外光。,2.4.3,法布里,-,珀罗干涉仪,应用举例,第39页,在玻璃上镀高折射率薄膜，能够增大反射率，当光束斜入射时，其反射率大小因,p,分量和,s,分量而异，而且在某个入射角上，反射光中,p,分量能够变为零。所以，与只有玻璃板情况相同，这种高反膜也能够起到偏振元件作用，,3,、偏振滤光片,2.4.3,法布里,-,珀罗干涉仪,应用举例,第40页,利用物质对光波选择性吸收进行滤光。比如：红、绿玻璃以及各种有色液体等。,假如光 吸收较大，且吸收系数随波长有显著改变，称为选择性吸收。,如对,红光和橙光吸收少,，而对绿光、蓝光和紫光几乎全部吸收。,4,、吸收滤光片,2.4.3,法布里,-,珀罗干涉仪,应用举例,第41页,2.4.3,法布里,-,珀罗干涉仪,应用举例,(1),组成激光谐振腔,3.,用作激光器谐振腔,激光器及其纵模,第42页,激光器输出纵模频率实际上是满足法布里,-,泊罗干涉仪干涉亮条纹条件一系列频率。在正入射情况下满足：,2,nL,=,m,m,=1,2,3,n,和,L,分别是腔内介质折射率和腔长，,m,为干涉级。,2.4.3,法布里,-,珀罗干涉仪,应用举例,(2),纵模频率,2.,用作激光器谐振腔,由此可得纵模频率：,对应波长：,第43页,对应纵模间隔：,只与谐振腔长度和激光工作物质折射率相关。,由此可见，在激光谐振腔中，满足纵模条件而且在阈值以上能够起振各个纵模，其频率间隔相等；同理可证，它们波长间隔也相等。,2.4.3,法布里,-,珀罗干涉仪,应用举例,(3),纵模间隔,2.,用作激光器谐振腔,第44页,由多光束干涉条纹锐度，干涉条纹相位差半宽度为：,而,当光波包含有许多波长时，与相位差半宽度对应波长差为：,2.4.3,法布里,-,珀罗干涉仪,应用举例,(4),单模线宽,2.,用作激光器谐振腔,第45页,假如以频率表示，则对应谱线宽度可表为：,可见,:,谐振腔反射率越高或腔长越长，谱线宽度越小。,比如，以,He-Ne,激光器为例，假如,L,=1 m,而且,R,=98%,，则可算出,1/2,=1MHz,。,实际上，因为激光工作物质对激光输出单色性影响很大，就使得激光谱线宽度远小于该计算值。,2.4.3,法布里,-,珀罗干涉仪,应用举例,(4),单模线宽,2.,用作激光器谐振腔,第46页,作 业,27,，,28,，,29,，,31,第47页,