物理光学与应用光学——第2章ppt课件

1、光学薄膜光学薄膜 在透明的平整玻璃基片或金属光滑在透明的平整玻璃基片或金属光滑表面上，用物理或化学方法涂敷的透明介质薄膜。表面上，用物理或化学方法涂敷的透明介质薄膜。作用：满足不同光学系统对反射率和透射率的不作用：满足不同光学系统对反射率和透射率的不同要求。同要求。 2.3 光学薄膜光学薄膜 光学薄膜这门学科已成为现代光学不可缺光学薄膜这门学科已成为现代光学不可缺少的一个重要组成部分，没有光学薄膜，许多少的一个重要组成部分，没有光学薄膜，许多现代光学装置便无法发挥效能，失去作用，无现代光学装置便无法发挥效能，失去作用，无论在提高或降低反射率、吸收率与透射率方面，论在提高或降低反射率、吸收率与透

2、射率方面，在使光束分开或合并方面，或者在分色方面，在使光束分开或合并方面，或者在分色方面，在使光束偏振或检偏方面，以及在使某光谱带在使光束偏振或检偏方面，以及在使某光谱带通过或阻滞方面，在调整位相方面等等，光学通过或阻滞方面，在调整位相方面等等，光学薄膜均起着至关重要的作用。薄膜均起着至关重要的作用。 总之，薄膜在总之，薄膜在许多场合都扮演关键脚色。薄膜器件的轻巧灵许多场合都扮演关键脚色。薄膜器件的轻巧灵便、稳定给它带来更广阔的应用便、稳定给它带来更广阔的应用 ：窄带滤光：窄带滤光片片光栅单色仪光栅单色仪 三十年代中期德国的鲍尔和美国的斯特朗三十年代中期德国的鲍尔和美国的斯特朗先后用真空蒸发方

3、法制备了单层减反射膜，这先后用真空蒸发方法制备了单层减反射膜，这种简单的减反射膜至今在一般的光学装置上还种简单的减反射膜至今在一般的光学装置上还被大量地应用。被大量地应用。 折射率为折射率为152的玻璃敷有折射率为的玻璃敷有折射率为138的氟化镁薄膜后，单面的反射损失可从的氟化镁薄膜后，单面的反射损失可从4.2%减减少到少到15%左右，例如左右，例如7块平板系统镀膜后，在块平板系统镀膜后，在参考波长上总的透射率可近似地估计为：参考波长上总的透射率可近似地估计为： T(097)7807% 未镀膜：未镀膜： T=(0.92)7=55.7%这比没有经过镀膜处理的系统提高了约这比没有经过镀膜处理的系统

4、提高了约25的的透射能量透射能量与镀膜技术密切相关的产业与镀膜技术密切相关的产业镀膜眼镜镀膜眼镜幕墙玻璃幕墙玻璃滤光片滤光片ITO膜膜车灯、冷光镜、舞台灯光滤光片车灯、冷光镜、舞台灯光滤光片光通信领域：光通信领域：DWDM、光纤薄膜器件、光纤薄膜器件红外膜红外膜投影显示投影显示2.3 光学薄膜光学薄膜2.3.1 光学薄膜的反射特性光学薄膜的反射特性2.3.2 干涉滤光片干涉滤光片 在玻璃基片的光滑表面上镀上一层折射率和厚度都在玻璃基片的光滑表面上镀上一层折射率和厚度都均匀的透明介质薄膜。均匀的透明介质薄膜。 一、单层膜一、单层膜 2.3.1 光学薄膜的反射特性光学薄膜的反射特性rii21i21

5、00e|e1errrrrEErirr1 薄膜上表面的反射系数薄膜上表面的反射系数r2 薄膜下表面的反射系数薄膜下表面的反射系数 类似于平行平板的多光束干涉，单层膜的反射系数：类似于平行平板的多光束干涉，单层膜的反射系数： i0ii0re1)e1 (ERRERrrrt trr2221 相邻两个出射光束间的相位差相邻两个出射光束间的相位差 r 单层膜反射系数的相位因子单层膜反射系数的相位因子2.3.1 光学薄膜的反射特性光学薄膜的反射特性一、单层膜一、单层膜 则单层膜的反射率则单层膜的反射率 R R cos)1 ()1 (sin)1 (tan222221212rrrrrrrcos21cos2212

6、221212221200rrrrrrrrEERir11cos4hn2.3.1 光学薄膜的反射特性光学薄膜的反射特性一、单层膜一、单层膜 10101nnnnr21212nnnnr反射率反射率 当光束正入射到薄膜上时，薄膜两表面的反射系数：当光束正入射到薄膜上时，薄膜两表面的反射系数： 2sin2cos)(2sin2cos)(22112022202211202220nnnnnnnnnnnnR2.3.1 光学薄膜的反射特性光学薄膜的反射特性一、单层膜一、单层膜 介质膜反射率介质膜反射率 R 随光学厚度随光学厚度 n1h 的变化的变化 2.3.1 光学薄膜的反射特性光学薄膜的反射特性一、单层膜一、单层

7、膜 n1 n2时，时，R R0，单层膜的反射率较未镀膜时减小，单层膜的反射率较未镀膜时减小，透过率增大，具有增透的作用，称为增透膜。透过率增大，具有增透的作用，称为增透膜。 n1=n0 或或 n1=n2时，时，R = R0 4.3% 当当n1 n2且且 n1h =0/4 时，时，R = Rm，有最好的增透效，有最好的增透效果。最小反射率为果。最小反射率为 222102210221202120/nnnnnnnnnnnnRm 特别特别 时，时，Rm = 0 完全增透。完全增透。 201nnn 2.3.1 光学薄膜的反射特性光学薄膜的反射特性一、单层膜一、单层膜 2.3.1 光学薄膜的反射特性光学薄

8、膜的反射特性一、单层膜一、单层膜 单层氟化镁膜的反射率随波长和入射角的变化单层氟化镁膜的反射率随波长和入射角的变化 ？00110011001coscoscoscosnnnnEErisrss0011001110011001001coscoscoscoscoscoscoscosnnnnnnnnEEriprpp 光束斜入射到薄膜上时，薄膜上表面的反射系数：光束斜入射到薄膜上时，薄膜上表面的反射系数： 则形式上与正入射时的表达式相同，则形式上与正入射时的表达式相同，n称为有效折射率。称为有效折射率。cosns 分量以分量以 替代替代ncos/np分量以分量以 替代替代n2.3.1 光学薄膜的反射特性光

9、学薄膜的反射特性一、单层膜一、单层膜 1010nnnn1010nnnn n1 n1 n2n2时，时，R R R0R0，反射率比未镀膜时增大，即该，反射率比未镀膜时增大，即该单层膜具有增反的作用，称为增反膜。单层膜具有增反的作用，称为增反膜。 当当n1 n2 且且 n1h = 0/4 时，时，R = RM，有最好的增反效，有最好的增反效果，其最大反射率果，其最大反射率 222102210221202120/nnnnnnnnnnnnRM 尽管尽管RMRM与与RmRm形式上相同，但因形式上相同，但因 n1 n1 取值不同，对应的反射率取值不同，对应的反射率 R R ，一个是最大，一个是最小。一个是最

10、大，一个是最小。 2.3.1 光学薄膜的反射特性光学薄膜的反射特性一、单层膜一、单层膜 这说明，对于波长这说明，对于波长0的光，膜层厚度增加的光，膜层厚度增加 (或减小或减小) 0/2，对反射率没有影响。对反射率没有影响。 对于对于n1h = 0/2的半波长膜，不管膜层折射率比基片的半波长膜，不管膜层折射率比基片折射率大还是小，单层膜对折射率大还是小，单层膜对0 的反射率都和未镀膜时的反射率都和未镀膜时的基片反射率相同，的基片反射率相同，R = 4.3%，即，即 22020nnnnR2.3.1 光学薄膜的反射特性光学薄膜的反射特性一、单层膜一、单层膜 1.1.构造构造 0/4 膜系示意图膜系示

11、意图 采用光学厚度均为采用光学厚度均为 0/4的的高折射率膜层和低折射率膜高折射率膜层和低折射率膜层层称为称为0/4 膜系，通常采膜系，通常采用符号表示为用符号表示为 HAHLGLHAGHLHLHp)( p = 1, 2, 3,二、多层膜二、多层膜2.3.1 光学薄膜的反射特性光学薄膜的反射特性 0/4 膜系膜系 每层膜的光学厚度是每层膜的光学厚度是 0/4，其优点是计算和，其优点是计算和制备工艺简单，镀制时容易采用极值法进行监控；缺点是制备工艺简单，镀制时容易采用极值法进行监控；缺点是层数多，层数多，R不能连续改变。不能连续改变。 非非0/4 膜系膜系 每层膜的光学厚度不是每层膜的光学厚度不

12、是0/4，具体厚度，具体厚度要由计算确定。其优点是只要较少膜层就能达到所需要的要由计算确定。其优点是只要较少膜层就能达到所需要的反射率，缺点是计算和制备工艺较复杂。反射率，缺点是计算和制备工艺较复杂。 只讨论只讨论 0/4 膜系。膜系。2.3.1 光学薄膜的反射特性光学薄膜的反射特性二、多层膜二、多层膜 高反射膜反射率的一般计算十分复杂，对于高反射膜反射率的一般计算十分复杂，对于0/4 0/4 膜系，由于膜层光学厚度已经选定，可以简单地采用等膜系，由于膜层光学厚度已经选定，可以简单地采用等效折射率法，把一个多层膜的问题变成单层膜的问题。效折射率法，把一个多层膜的问题变成单层膜的问题。2. 反射

13、率反射率R膜系的反射率）膜系的反射率）2.3.1 光学薄膜的反射特性光学薄膜的反射特性二、多层膜二、多层膜 把单层膜系看成是具有折射率为把单层膜系看成是具有折射率为 nI 的一个的一个“新基片新基片”， nI 为等效折射率。为等效折射率。“新基片新基片与与 n0 的新界面称为等效面。的新界面称为等效面。 （1单层的单层的0/4 膜等效折射率膜等效折射率 (空气到玻璃空气到玻璃)等效界面等效界面n0n1nG等效于等效于n0nI等效折射率）等效折射率）GA2.3.1 光学薄膜的反射特性光学薄膜的反射特性二、多层膜二、多层膜正入射时，对于给定的波长正入射时，对于给定的波长 0，其反射率为，其反射率为

14、那么那么222102210221202120/nnnnnnnnnnnnRM200IIMnnnnR引入等效折射率引入等效折射率221nnnI2.3.1 光学薄膜的反射特性光学薄膜的反射特性二、多层膜二、多层膜（1单层的单层的0/4 膜等效折射率膜等效折射率 (空气到玻璃空气到玻璃)等效界面等效界面n0n1n2n0nI等效折射率）等效折射率）（2多层多层 0/4膜系的等效折射率和反射率膜系的等效折射率和反射率第一层：第一层：n0nHnGn0nLnI第二层：第二层：GHInnn2GHLILIInnnnnn222.3.1 光学薄膜的反射特性光学薄膜的反射特性二、多层膜二、多层膜 依此类推，当膜层为偶数

15、依此类推，当膜层为偶数(2p)层时，层时，(HL)p膜系的等膜系的等效折射率为效折射率为 相应的反射率为相应的反射率为 GpHLpnnnn222222pApApnnnnR2.3.1 光学薄膜的反射特性光学薄膜的反射特性二、多层膜二、多层膜（2多层多层 0/4膜系的等效折射率和反射率膜系的等效折射率和反射率 当膜层为奇数当膜层为奇数(2p+1)(2p+1)层时，层时，(HL)p(HL)p膜系的等效折射率为膜系的等效折射率为 相应的反射率为相应的反射率为 GHpLHpnnnnn22122121212pApApnnnnR2.3.1 光学薄膜的反射特性光学薄膜的反射特性二、多层膜二、多层膜（2多层多层

16、 0/4膜系的等效折射率和反射率膜系的等效折射率和反射率 表表2-1 多层膜的反射率和透射率多层膜的反射率和透射率与真实折射率不同，等效折射率可以小于与真实折射率不同，等效折射率可以小于1 1，其取值范围可以很大。，其取值范围可以很大。2.3.1 光学薄膜的反射特性光学薄膜的反射特性二、多层膜二、多层膜 要获得高反射率，膜系的两侧最外层均应为高折射率层要获得高反射率，膜系的两侧最外层均应为高折射率层(H层层)，因此，高反射率膜一定是奇数层。，因此，高反射率膜一定是奇数层。结论结论 ： 0/4膜系为奇数层时，层数愈多，反射率膜系为奇数层时，层数愈多，反射率 R 愈大。愈大。 上述膜系的全部结果只

17、对一种波长上述膜系的全部结果只对一种波长 0 成立，这个波长称成立，这个波长称为该膜系的中心波长。当入射光偏离中心波长时，其反射为该膜系的中心波长。当入射光偏离中心波长时，其反射率相应地下降。率相应地下降。2.3.1 光学薄膜的反射特性光学薄膜的反射特性二、多层膜二、多层膜 几种不同层数的几种不同层数的0/4膜系的反射率曲线膜系的反射率曲线2.3.1 光学薄膜的反射特性光学薄膜的反射特性二、多层膜二、多层膜 R 下降到下降到1/2处时的宽度为反射带宽。处时的宽度为反射带宽。LHLHnnnngarcsin42式中式中g = 0/ 。由此可见，反射带宽。由此可见，反射带宽g只与只与nH/nL有关，

18、有关， nH/nL愈大，带宽就愈大。愈大，带宽就愈大。 2.3.1 光学薄膜的反射特性光学薄膜的反射特性二、多层膜二、多层膜2.3.2 干涉滤波器干涉滤光片）干涉滤波器干涉滤光片） 滤光片的作用滤光片的作用只让某一波段范围的光通过。只让某一波段范围的光通过。 性能指标性能指标 中心波长中心波长0 透光率最大透光率最大(TM)时的波长；时的波长； 透射带的波长半宽度透射带的波长半宽度透过率为最大值一半处的波透过率为最大值一半处的波 长范围长范围 1/2 ； 峰值透过率峰值透过率TM 吸收滤光片吸收滤光片利用物质对光波的选择性吸收进行滤光。利用物质对光波的选择性吸收进行滤光。 干涉滤光片干涉滤光片

19、利用多光束干涉原理实现滤光。利用多光束干涉原理实现滤光。滤光片的分类滤光片的分类1、法布里、法布里-珀罗型干涉滤光片珀罗型干涉滤光片全介质干涉滤光片全介质干涉滤光片金属反射膜干涉滤光片金属反射膜干涉滤光片 2.3.2 干涉滤波器干涉滤光片）干涉滤波器干涉滤光片）正入射时，透射光产生极大的条件为正入射时，透射光产生极大的条件为 滤光片的中心波长滤光片的中心波长 2nh = m m = 1, 2, 3, 滤光片的中心波长滤光片的中心波长 mnh2相邻干涉级相邻干涉级 (m = 1) 的中心波长差的中心波长差 nh22i2t2sin11IFI = 2m m = 1, 2, 3, 2.3.2 干涉滤波

20、器干涉滤光片）干涉滤波器干涉滤光片）1、法布里、法布里-珀罗型干涉滤光片珀罗型干涉滤光片RRmnhRRnh1212222/1m、R 愈大，愈大，1/2愈小，干涉滤光片的输出单色性愈愈小，干涉滤光片的输出单色性愈好。好。 透射带的波长半宽度透射带的波长半宽度 FmRRm212/1或或RmnhRcmmcos)1 (2)(222/ 12/ 12.3.2 干涉滤波器干涉滤光片）干涉滤波器干涉滤光片）1、法布里、法布里-珀罗型干涉滤光片珀罗型干涉滤光片 对应于透射率最大的中心对应于透射率最大的中心 波长的透射光强与入射光强之比波长的透射光强与入射光强之比考虑膜层的吸收损耗，透射光干涉图样强度考虑膜层的吸

21、收损耗，透射光干涉图样强度2)11 (RAIITMitM 峰值透射率峰值透射率 TM TM 2sin111122FRAIIit(2.4-3)得得2.3.2 干涉滤波器干涉滤光片）干涉滤波器干涉滤光片）1、法布里、法布里-珀罗型干涉滤光片珀罗型干涉滤光片一种典型的多层介质膜干涉滤光片透射率曲线一种典型的多层介质膜干涉滤光片透射率曲线 1、法布里、法布里-珀罗型干涉滤光片珀罗型干涉滤光片2.3.2 干涉滤波器干涉滤光片）干涉滤波器干涉滤光片）几种干涉滤光片的特性几种干涉滤光片的特性 1、法布里、法布里-珀罗型干涉滤光片珀罗型干涉滤光片2.3.2 干涉滤波器干涉滤光片）干涉滤波器干涉滤光片）膜厚变化

22、对截止带的影响膜厚变化对截止带的影响 2.3.2 干涉滤波器干涉滤光片）干涉滤波器干涉滤光片）2、红外滤光片、红外滤光片 依据多层高反射膜的反依据多层高反射膜的反射率光谱特性，膜厚的变化射率光谱特性，膜厚的变化将改变截止带的位置。将改变截止带的位置。 假设假设 nh = 0.22m，则反射，则反射红外线而透过可见光。红外线而透过可见光。 假设假设 nh = 0.13m，膜系反，膜系反射可见光而透过红外光。射可见光而透过红外光。 在玻璃上镀高折射率薄膜，可以增大反射率，当光束斜入射在玻璃上镀高折射率薄膜，可以增大反射率，当光束斜入射时，其反射率的大小因时，其反射率的大小因 p 分量和分量和 s

23、分量而异，并且在某个入射角上，分量而异，并且在某个入射角上，反射光中的反射光中的p分量可以变为零。所以，与只有玻璃板的情况相似，分量可以变为零。所以，与只有玻璃板的情况相似，这种高反膜也可以起到偏振元件的作用，这种高反膜也可以起到偏振元件的作用， 2.3.2 干涉滤波器干涉滤光片）干涉滤波器干涉滤光片）3、偏振滤光片、偏振滤光片 利用物质对光波的选择性吸收进行滤光。例如：红、利用物质对光波的选择性吸收进行滤光。例如：红、绿玻璃以及各种有色液体等。绿玻璃以及各种有色液体等。 如果光的如果光的 吸收较大，且吸收系数随波长有显著变化，吸收较大，且吸收系数随波长有显著变化，称为选择性吸收。称为选择性吸

24、收。 如对红光和橙光吸收少，而对绿光、蓝光和紫光几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。乎全部吸收。 2.3.2 干涉滤波器干涉滤光片）干涉滤波器干涉滤光片）4、吸收滤光片、吸收滤光片2.4 典型干涉仪典型干涉仪2.4.1 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪2.4.2 马赫马赫-泽德干涉仪泽德干涉仪2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪2.4.1 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪SLDG1CEM2M1M2G2PIII 相对于半反射面相对于半反射面A，作出平面反射镜，作出平面反射镜M2的虚像的虚像M2。于是可以认为观察系统。于是可以认为观察系统 L 所观察到的干涉图样，是由所观察

25、到的干涉图样，是由实反射面实反射面M1和虚反射面和虚反射面M2构成的虚平板产生的，虚平构成的虚平板产生的，虚平板的厚度和楔角可通过调节板的厚度和楔角可通过调节M1和和M2反射镜控制。反射镜控制。 因此，迈克尔逊干涉仪可以产生厚的或者薄的平行因此，迈克尔逊干涉仪可以产生厚的或者薄的平行平板平板(M1和和M2 平行平行)和楔形平板和楔形平板(M1和和M2 有一小的有一小的夹角夹角)的干涉现象。扩展光源可以是单色性很好的激光，的干涉现象。扩展光源可以是单色性很好的激光，也可以是单色性很差的也可以是单色性很差的(白光白光)光源。光源。2.4.1 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪 调节调节M2，使，使M2与

26、与M1平行，观察到的干涉图样是平行，观察到的干涉图样是一组在无穷远处一组在无穷远处(或在或在L的焦平面上的焦平面上)的等倾干涉圆环。的等倾干涉圆环。 当当M1向向M2移动时移动时(虚平板厚度减小虚平板厚度减小)，圆环条纹向，圆环条纹向中心收缩，并在中心一一消失。中心收缩，并在中心一一消失。 M1每移动每移动 的距离，在中心就消失一个条纹。的距离，在中心就消失一个条纹。 2/2.4.1 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪 根据条纹消失的数目，可确定根据条纹消失的数目，可确定M1移动的距离。根据移动的距离。根据(2-26)式，此时条纹变粗式，此时条纹变粗(因为因为h变小，变小，eN变大变大)，同一视，同

27、一视场中的条纹数变少。场中的条纹数变少。 M1与与M2完全重合时，各个方向入射光的光程差均完全重合时，各个方向入射光的光程差均相等，所以视场均匀。相等，所以视场均匀。M1逐渐离开逐渐离开M2时，条纹不断从时，条纹不断从中心冒出，且随虚平板厚度的增大，条纹越来越细越密。中心冒出，且随虚平板厚度的增大，条纹越来越细越密。2.4.1 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪 如果调节如果调节M2，使，使M2与与M1相相互倾斜一个很小的角度，且当互倾斜一个很小的角度，且当M2与与M1比较接近，观察面积很小时，所比较接近，观察面积很小时，所观察到的干涉图样近似是定域在楔表观察到的干涉图样近似是定域在楔表面上或楔表面

28、附近的一组平行于楔边面上或楔表面附近的一组平行于楔边的等厚条纹。在扩展光源照明下，如的等厚条纹。在扩展光源照明下，如果果M1与与M2的距离增加，则条纹将的距离增加，则条纹将发生弯曲，弯曲的方向是凸向楔棱一发生弯曲，弯曲的方向是凸向楔棱一边，同时条纹可见度下降。边，同时条纹可见度下降。 干涉条纹弯曲的原因如下：干涉条纹弯曲的原因如下： 如前所述，干涉条纹应当是等光程差线如前所述，干涉条纹应当是等光程差线,当入射光不是平行当入射光不是平行光时，对于倾角较大的光束，若要与倾角较小的入射光束等光时，对于倾角较大的光束，若要与倾角较小的入射光束等光程差，其平板厚度应增大光程差，其平板厚度应增大(这可由这

29、可由 看出看出)。2cos2nh2.4.1 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪 由图2-33可见，靠近楔板边缘的点对应的入射角较大，因此，干涉条纹越靠近边缘，越偏离到厚度更大的地方，即弯曲方向是凸向楔棱一边。在楔板很薄的情况下，光束入射角引起的光程差变化不明显，干涉条纹仍可视作一些直线条纹。对于楔形板的条纹，与平行平板条纹一样，M1每移动一个 /2 间隔，条纹就相应地移动一个。 补偿板补偿板G2的作用：消除两束光的作用：消除两束光和和的不对称性。的不对称性。 对于单色光照明，这种补偿并非必要；对于单色光照明，这种补偿并非必要；观察白光条纹时，补偿板不可缺少。观察白光条纹时，补偿板不可缺少。2.4.1

30、 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪激光比长仪示意简图激光比长仪示意简图 M1M2干涉仪干涉仪可移动平台可移动平台光电显微镜光电显微镜记录仪记录仪光电计数器光电计数器激光器激光器待测物体待测物体1. 激光比长仪激光比长仪应用举例应用举例2.4.1 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪光纤迈克尔逊测长干涉仪原理图光纤迈克尔逊测长干涉仪原理图 M1DLPM22. 光纤迈克尔逊干涉仪光纤迈克尔逊干涉仪应用举例应用举例2.4.1 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪马赫马赫-泽德干涉仪泽德干涉仪2.4.2 马赫马赫-泽德干涉仪泽德干涉仪SPW1A2G2A1G1L2M1M2L1W1W2NP 例如，为了研究尺寸较大的风洞中任一

31、平面附近的空气例如，为了研究尺寸较大的风洞中任一平面附近的空气涡流，将风洞置于涡流，将风洞置于M2和和G2之间，并在之间，并在M1和和G1之间的另一之间的另一支光路上放置补偿，调节支光路上放置补偿，调节M2和和G2 ，使定域面在风洞中选，使定域面在风洞中选定的平面上，由透镜定的平面上，由透镜L2和照相机拍摄下这个平面上的干涉和照相机拍摄下这个平面上的干涉图样。只要比较有气流和无气流时的条纹图样，就可确定图样。只要比较有气流和无气流时的条纹图样，就可确定出气流所引起空气密度的变化情况。出气流所引起空气密度的变化情况。2.4.2 马赫马赫-泽德干涉仪泽德干涉仪马赫马赫- -泽德光纤干涉仪的定域温度

32、传感器泽德光纤干涉仪的定域温度传感器 激光器激光器扩束器扩束器分束器分束器显微物镜显微物镜单模光纤单模光纤温度温度干涉干涉应用举例应用举例2.4.2 马赫马赫泽德干涉仪泽德干涉仪1. 法布里法布里珀罗干涉仪的结构珀罗干涉仪的结构hG2G1L1SPL2 为了得到尖锐的条纹，两镀膜面应精确保持平行，平为了得到尖锐的条纹，两镀膜面应精确保持平行，平行度一般要达到行度一般要达到(1/201/100)。每块玻璃板两表面通常。每块玻璃板两表面通常制成一个小楔角制成一个小楔角(110)，以避免无镀膜表面的反射光干，以避免无镀膜表面的反射光干扰。扰。2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪两板之间的距离

33、可以调节两板之间的距离可以调节法布里法布里- -珀罗干涉仪珀罗干涉仪两板间的距离固定不变两板间放殷钢制成的空心两板间的距离固定不变两板间放殷钢制成的空心圆柱形间隔器）圆柱形间隔器）法布里法布里- -珀罗标准具珀罗标准具1. 法布里法布里珀罗干涉仪的结构珀罗干涉仪的结构hG2G1L1SPL22.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪(a) 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪 (b) F-P干涉仪干涉仪两种干涉仪中干涉条纹的比较两种干涉仪中干涉条纹的比较2. 法布里法布里珀罗干涉仪的光强珀罗干涉仪的光强两种条纹的角半径和角间距计算公式相同。两种条纹的角半径和角间距计算公式相同。2.4.3 法布里法布

34、里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪 条纹干涉级决定于空气平板的厚度条纹干涉级决定于空气平板的厚度h，通常法布里，通常法布里-珀罗干涉仪的使用范围是珀罗干涉仪的使用范围是1200 mm，在一些特殊装置，在一些特殊装置中，中，h可大到可大到 1m 。 以以h=5mm计算，中央条纹的干涉级约为计算，中央条纹的干涉级约为20000，因而这种仪器只适用于单色性很好的光源。因而这种仪器只适用于单色性很好的光源。2. 法布里法布里珀罗干涉仪的光强珀罗干涉仪的光强2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪 当干涉仪两板内表面镀金属膜时，由于当干涉仪两板内表面镀金属膜时，由于金属膜对光产生强烈吸收，使得整个干涉金属膜

35、对光产生强烈吸收，使得整个干涉图样的强度降低。假设金属膜的吸收率为图样的强度降低。假设金属膜的吸收率为A A，则根据能量守恒关系有：，则根据能量守恒关系有： R + T + A = 1 R + T + A = 12. 法布里法布里珀罗干涉仪的光强珀罗干涉仪的光强2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪 当干涉仪两板的膜层相同时，由爱里公式可以得到膜当干涉仪两板的膜层相同时，由爱里公式可以得到膜层存在吸收时的透射光干涉强度：层存在吸收时的透射光干涉强度：2sin111122itFRAII2cos4nh 光在金属内表面反射时的相位变化，光在金属内表面反射时的相位变化，R金金属膜内表面反射率。

36、可见，由于金属膜的吸收，干涉图样属膜内表面反射率。可见，由于金属膜的吸收，干涉图样强度降低了强度降低了1 A/(1 R)2 倍，严重时，峰值强度只有入射倍，严重时，峰值强度只有入射光强的几十分之一。光强的几十分之一。2. 法布里法布里珀罗干涉仪的光强珀罗干涉仪的光强2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪 法布里法布里-珀罗标准具能够产生十分细而亮的等倾干珀罗标准具能够产生十分细而亮的等倾干涉条纹，其重要应用之一是研究光谱线的精细结构，即涉条纹，其重要应用之一是研究光谱线的精细结构，即将一束光中不同波长的光谱线分开。将一束光中不同波长的光谱线分开。2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗

37、干涉仪应用举例应用举例1. 研究光谱线的超精细结构研究光谱线的超精细结构 分光元件的三个技术指标：分光元件的三个技术指标： 自由光谱范围自由光谱范围 分辨本领分辨本领 角色散角色散F-PF-P标准具的两套干涉圆环标准具的两套干涉圆环 2 1干涉级干涉级 mm+1m+22.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪应用举例应用举例(1) 自由光谱范围自由光谱范围标准具常数标准具常数 当波长为当波长为1和和2 (2 1)的光入射至标准具，由的光入射至标准具，由于两种波长的同级条纹角半径于两种波长的同级条纹角半径不同，因而将得到两组干涉圆不同，因而将得到两组干涉圆环。环。 允许的最大分光波长差，允许

38、的最大分光波长差，称为自由光谱范围称为自由光谱范围()f 。 1. 研究光谱线的超精细结构研究光谱线的超精细结构 对于靠近条纹中心的某一点对于靠近条纹中心的某一点( 0 )处处, 2的第的第m级级条纹与条纹与1的第的第m+1级条纹发生重叠时，其光程差相等级条纹发生重叠时，其光程差相等。)() 1(121fmmmnhmf2)(211因此因此2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪应用举例应用举例(1) 自由光谱范围自由光谱范围标准具常数标准具常数例如：对于例如：对于h = 5mm的标准具，入射光波长的标准具，入射光波长 = 0.5461m， n = 1 时，时， ()f = 0.310-4

39、m1. 研究光谱线的超精细结构研究光谱线的超精细结构分光仪器所能分辨开的最小波长差分光仪器所能分辨开的最小波长差()m称为分辨极限称为分辨极限。 m1)(A分辨本领分辨本领2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪应用举例应用举例(2) 分辨本领分辨本领1. 研究光谱线的超精细结构研究光谱线的超精细结构瑞利判据瑞利判据两个等强度波两个等强度波长的亮条纹只有当它们的合长的亮条纹只有当它们的合强度曲线中央极小值低于两强度曲线中央极小值低于两边极大值的边极大值的81%81%时，才算被时，才算被分开分开 。2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪应用举例应用举例(2) 分辨本领分辨本领两个波

40、长的亮条纹刚好两个波长的亮条纹刚好被分辨开时的强度分布被分辨开时的强度分布 I00.81IMIM GF1. 研究光谱线的超精细结构研究光谱线的超精细结构 如果不考虑标准具的吸收损耗，如果不考虑标准具的吸收损耗，1和和2的透射光合强度为的透射光合强度为: 2sin12sin122i 212i 1FIFII 1和和 2是在干涉场上同一点的两波长条纹所对应的相位差。是在干涉场上同一点的两波长条纹所对应的相位差。2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪应用举例应用举例(2) 分辨本领分辨本领1. 研究光谱线的超精细结构研究光谱线的超精细结构4sin122imFII因此极小值强度因此极小值强度:在

41、合强度极大值处，在合强度极大值处，1 = 2m， 2 = 2m ，2sin12iiMFIII2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪应用举例应用举例设设I1i=I2i=Ii，12= ，则在合强度极小值，则在合强度极小值处处 1 = 2m /2, 2 = 2m /2(2) 分辨本领分辨本领因此极大值强度因此极大值强度:1. 研究光谱线的超精细结构研究光谱线的超精细结构按照瑞利判据，两个波长条纹恰能分辨的条件是按照瑞利判据，两个波长条纹恰能分辨的条件是:%8181. 0MMmIII因此有因此有:(2) 分辨本领分辨本领2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪应用举例应用举例2sin18

42、1. 04sin122ii2iFIIFI由于由于 很小，很小，sin/2 /2，那么那么 NF07. 215. 4N 条纹的精细度。条纹的精细度。1. 研究光谱线的超精细结构研究光谱线的超精细结构2cos4|2mhmNmNAm97. 007. 22)( 由于此时两波长刚被分辨开，由于此时两波长刚被分辨开， = ，所以标准，所以标准具的分辨本领为：具的分辨本领为：2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪应用举例应用举例(2) 分辨本领分辨本领由由 ，略去，略去 的影响，有的影响，有:2cos4nh1. 研究光谱线的超精细结构研究光谱线的超精细结构 分辨本领与条纹干涉级数和精细度成正比。由于

43、法分辨本领与条纹干涉级数和精细度成正比。由于法布里布里-珀罗标准具的珀罗标准具的 m很大，所以分辨本领极高。很大，所以分辨本领极高。 例如：例如：h=5mm, N30(R0.9)，=0.5 m，则在接近，则在接近正入射时，标准具的分辨本领正入射时，标准具的分辨本领 ：5106297. 0NhA2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪应用举例应用举例(2) 分辨本领分辨本领 这相当于在这相当于在 = 0.5m上，标准具能分辨的最小波长上，标准具能分辨的最小波长差为差为0.008 310-4m，这样高的分辨本领是一般光谱仪，这样高的分辨本领是一般光谱仪所达不到的。所达不到的。1. 研究光谱线的超精细结构研究光谱线的超精细结构 应当指出，上面的讨论是把应当指出，上面的讨论是把 1 和和 2 的谱线视为的谱线视为单色谱线，由于任何实际谱线的本身都有一定的宽度，单色谱线，由于任何实际谱线的本身都有一定的宽度，所以标准具的实际分辨本领达不到这样高。所以标准具的实际分辨本领达不到这样高。 有时把有时把 0.97N 称为标准具的有效光束数称为标准具的有效