工程光学--迈克尔逊干涉仪

1、 迈克耳逊在工作迈克耳逊在工作 迈克耳逊迈克耳逊 （A.A.Michelson） 美籍德国人美籍德国人 因创造精密光因创造精密光 学仪器，用以学仪器，用以 进行光谱学和进行光谱学和 度量学的研究，度量学的研究， 并精确测出光并精确测出光 速，速，获获19071907年年 诺贝尔物理奖。诺贝尔物理奖。 M2 M 1 GG1 2反反 射射 镜镜 1 1 反射镜反射镜 2 2 半透明半透明 镀银层镀银层 一一. 干涉仪结构和干涉条纹干涉仪结构和干涉条纹 M2 M 1 M1 GG1 2反反 射射 镜镜 1 1 反射镜反射镜 2 2 半透明半透明 镀银层镀银层 M2 M 1 M1 GG1 2 半透明半透

2、明 镀银层镀银层 反反 射射 镜镜 1 1 反射镜反射镜 2 2 补偿玻璃板补偿玻璃板 2. 若若M1、M2有小夹角有小夹角 3. 若若M1平移平移 d 时，干涉条纹移过时，干涉条纹移过 N 条，则有条，则有 2 Nd 当当M1和和M2不平行，且光平行入射不平行，且光平行入射, 此时为等厚条纹此时为等厚条纹 1. 若若M 1、M2平行平行 二二. 条纹特点条纹特点 等倾条纹等倾条纹 M 2 M 1 等等 倾倾 干干 涉涉 条条 纹纹 迈克耳逊干涉仪的干涉条纹迈克耳逊干涉仪的干涉条纹 M 2 M 2 M 1 M 1 等等 倾倾 干干 涉涉 条条 纹纹 迈克耳逊干涉仪的干涉条纹迈克耳逊干涉仪的干涉

3、条纹 M 2 M 2 M 2 M 1 M 1 M 1 与与 重重 合合 等等 倾倾 干干 涉涉 条条 纹纹 迈克耳逊干涉仪的干涉条纹迈克耳逊干涉仪的干涉条纹 M 2 M 2 M 2 M 2 M 1 M 1 M 1 M 1 与与 重重 合合 等等 倾倾 干干 涉涉 条条 纹纹 迈克耳逊干涉仪的干涉条纹迈克耳逊干涉仪的干涉条纹 M 2M 1 M 2 M 2 M 2 M 2 M 1 M 1 M 1 M 1 与与 重重 合合 等等 倾倾 干干 涉涉 条条 纹纹 迈克耳逊干涉仪的干涉条纹迈克耳逊干涉仪的干涉条纹 迈克耳逊干涉仪的干涉条纹迈克耳逊干涉仪的干涉条纹 M 2M 1 M 2 M 2 M 2 M

4、2 M 2 M 1 M 1 M 1 M 1 M 1 与与 重重 合合 等等 厚厚 干干 涉涉 条条 纹纹 等等 倾倾 干干 涉涉 条条 纹纹 M 2M 1 M 2 M 2 M 2 M 2 M 2 M 2 M 1 M 1 M 1 M 1 M 1 M 1 与与 重重 合合 等等 厚厚 干干 涉涉 条条 纹纹 等等 倾倾 干干 涉涉 条条 纹纹 迈克耳逊干涉仪的干涉条纹迈克耳逊干涉仪的干涉条纹 M 2M 1 M 2 M 2 M 2 M 2 M 2 M 2 M 2 M 1 M 1 M 1 M 1 M 1 M 1 M 1 与与 重重 合合 等等 厚厚 干干 涉涉 条条 纹纹 等等 倾倾 干干 涉涉 条条

5、 纹纹 迈克耳逊干涉仪的干涉条纹迈克耳逊干涉仪的干涉条纹 M 2M 1 M 2 M 2 M 2 M 2 M 2 M 2 M 2 M 2 M 1 M 1 M 1 M 1 M 1 M 1 M 1 M 1 与与 重重 合合 等等 厚厚 干干 涉涉 条条 纹纹 等等 倾倾 干干 涉涉 条条 纹纹 迈克耳逊干涉仪的干涉条纹迈克耳逊干涉仪的干涉条纹 M 2M 1 M 2 M 2 M 2 M 2 M 2 M 2 M 2 M 2 M 2 M 1 M 1 M 1 M 1 M 1 M 1 M 1 M 1 M 1 与与 重重 合合 等等 厚厚 干干 涉涉 条条 纹纹 等等 倾倾 干干 涉涉 条条 纹纹 迈克耳逊干涉

6、仪的干涉条纹迈克耳逊干涉仪的干涉条纹 M M1 2 当当MM1 2与与 之间距离变大之间距离变大 时，圆形干涉时，圆形干涉 条纹向外扩张条纹向外扩张, 干涉条纹变密。干涉条纹变密。 之之 M M1 2 当当MM1 2与与 之间距离变大之间距离变大 时，圆形干涉时，圆形干涉 条纹向外扩张条纹向外扩张, 干涉条纹变密。干涉条纹变密。 之之 M M1 2 当当MM1 2与与 之间距离变大之间距离变大 时，圆形干涉时，圆形干涉 条纹向外扩张条纹向外扩张, 干涉条纹变密。干涉条纹变密。 之之 M M1 2 当当MM1 2与与 之间距离变大之间距离变大 时，圆形干涉时，圆形干涉 条纹向外扩张条纹向外扩张,

7、 干涉条纹变密。干涉条纹变密。 之之 M M1 2 当当MM1 2与与 之间距离变大之间距离变大 时，圆形干涉时，圆形干涉 条纹向外扩张条纹向外扩张, 干涉条纹变密。干涉条纹变密。 之之 1 M M1 2 当当MM1 2与与 之间距离变大之间距离变大 时，圆形干涉时，圆形干涉 条纹向外扩张条纹向外扩张, 干涉条纹变密。干涉条纹变密。 之之 1 M M1 2 当当MM1 2与与 之间距离变大之间距离变大 时，圆形干涉时，圆形干涉 条纹向外扩张条纹向外扩张, 干涉条纹变密。干涉条纹变密。 之之 1 M M1 2 当当MM1 2与与 之间距离变大之间距离变大 时，圆形干涉时，圆形干涉 条纹向外扩张条

8、纹向外扩张, 干涉条纹变密。干涉条纹变密。 之之 1 M M1 2 当当MM1 2与与 之间距离变大之间距离变大 时，圆形干涉时，圆形干涉 条纹向外扩张条纹向外扩张, 干涉条纹变密。干涉条纹变密。 之之 1 M M1 2 当当MM1 2与与 之间距离变大之间距离变大 时，圆形干涉时，圆形干涉 条纹向外扩张条纹向外扩张, 干涉条纹变密。干涉条纹变密。 之之 1 M M1 2 当当MM1 2与与 之间距离变大之间距离变大 时，圆形干涉时，圆形干涉 条纹向外扩张条纹向外扩张, 干涉条纹变密。干涉条纹变密。 之之 1 M M1 2 当当MM1 2与与 之间距离变大之间距离变大 时，圆形干涉时，圆形干涉

9、 条纹向外扩张条纹向外扩张, 干涉条纹变密。干涉条纹变密。 之之 1 M M1 2 当当MM1 2与与 之间距离变大之间距离变大 时，圆形干涉时，圆形干涉 条纹向外扩张条纹向外扩张, 干涉条纹变密。干涉条纹变密。 之之 1 M M1 2 当当MM1 2与与 之间距离变大之间距离变大 时，圆形干涉时，圆形干涉 条纹向外扩张条纹向外扩张, 干涉条纹变密。干涉条纹变密。 之之 1 M M1 2 当当MM1 2与与 之间距离变大之间距离变大 时，圆形干涉时，圆形干涉 条纹向外扩张条纹向外扩张, 干涉条纹变密。干涉条纹变密。 之之 1 M M1 2 当当MM1 2与与 之间距离变大之间距离变大 时，圆形

10、干涉时，圆形干涉 条纹向外扩张条纹向外扩张, 干涉条纹变密。干涉条纹变密。 之之 1 M M1 2 当当MM1 2与与 之间距离变大之间距离变大 时，圆形干涉时，圆形干涉 条纹向外扩张条纹向外扩张, 干涉条纹变密。干涉条纹变密。 之之 1 M M1 2 当当MM1 2与与 之间距离变大之间距离变大 时，圆形干涉时，圆形干涉 条纹向外扩张条纹向外扩张, 干涉条纹变密。干涉条纹变密。 之之 1 M M1 2 当当MM1 2与与 之间距离变大之间距离变大 时，圆形干涉时，圆形干涉 条纹向外扩张条纹向外扩张, 干涉条纹变密。干涉条纹变密。 之之 1 M M1 2 当当MM1 2与与 之间距离变大之间距

11、离变大 时，圆形干涉时，圆形干涉 条纹向外扩张条纹向外扩张, 干涉条纹变密。干涉条纹变密。 之之 1 M M1 2 当当MM1 2与与 之间距离变大之间距离变大 时，圆形干涉时，圆形干涉 条纹向外扩张条纹向外扩张, 干涉条纹变密。干涉条纹变密。 之之 1 M M1 2 当当MM1 2与与 之间距离变大之间距离变大 时，圆形干涉时，圆形干涉 条纹向外扩张条纹向外扩张, 干涉条纹变密。干涉条纹变密。 之之 1 M 2 M 1 G 2 G P L 三三. 工作原理工作原理 光束光束 1 和和 2 发生干涉发生干涉 S 2 2 1 1 d2 2 M ,kkd21 2 22 ,kkd210 2 122，

12、）（ d 2 2 d 加强加强 减弱减弱 光程差光程差 (无半波损无半波损) (有半波损有半波损) 五五. 应用应用 1. 微小位移测量微小位移测量 3. 测折射率测折射率 2. 测波长测波长 2 Nd N d 2 四四. 时间相干性时间相干性 两光束产生干涉效应的最大光程差称为相干长度两光束产生干涉效应的最大光程差称为相干长度, ,与相干长与相干长 度对应的光传播时间称为相干时间度对应的光传播时间称为相干时间 相干长度相干长度 L 和谱线宽度和谱线宽度 之间的关系为之间的关系为 2 L 利用干涉仪测气体折射率利用干涉仪测气体折射率 用迈克耳逊干涉仪测气流用迈克耳逊干涉仪测气流 光学相干光学相

13、干CT 断层扫描成像新技术断层扫描成像新技术 （Optical Coherence Tomography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 六、六、“古老古老”原理的现代应用之例原理的现代应用之例 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

14、材料或结构反射 的强度不同的强度不同 sm dn c dn t /103 22 8 s/10 s/m10 14 8 d d t d 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 md 14 10t 激光器的脉冲宽度要很小激光器的脉冲宽度要很小10 15秒 秒 飞秒飞秒 时间延时短至时间延时短至10 14 10 15s 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

15、 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10 15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度方参考臂扫描可得到样品深度方 向的一维测量数据向的一维测量数据 光束在平行于样品表面的方向光束在平行于样品表面的方向 进行扫描测量进行扫描测量 可得到横向的可得到横向的 数据数据 将得到的信号经计算机处理便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 这些位置便反映了眼球内不同结构的相对空间位置这些位置便反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