甲型光学第五章干涉装置

甲型光学第五章干涉装置第1页，课件共106页，创作于2023年2月5.1干涉装置最典型的是杨氏装置将每一列光波分为两列，或多列这些光波列之间有相关联的相位，因而是相干的所有的干涉装置都是按照这一思路设计的第2页，课件共106页，创作于2023年2月5.2分波前的干涉装置

一．杨氏干涉（双孔干涉或双缝干涉）每一孔或狭缝都是从光源发出的波场中的一点，相当于将波前分割，然后相遇、交叠，进行相干叠加。称为分波前的干涉。关键是设法获得两个或更多个相干的波列。第3页，课件共106页，创作于2023年2月菲涅耳（Fresnel）双镜重叠区域出现干涉条纹由图可见，∠S1OS＝2α，∠S2OS＝2α＋2ε，所以∠S1OS2＝2ε两反射镜面间夹角ε，光源到两镜面交线距离为r,找到S1,S2就等同杨氏了两光源间隔光源到接收屏距离条纹间距第4页，课件共106页，创作于2023年2月LloydMirror中央条纹是暗点半波损失第5页，课件共106页，创作于2023年2月菲涅耳（Fresnel）双棱镜平行光的干涉两个球面波的干涉第6页，课件共106页，创作于2023年2月梅斯林（L.Meslin）对切透镜

发散光源汇聚光源第7页，课件共106页，创作于2023年2月比累(Billet)对切透镜：虚像干涉光轴1光轴2L2L1虚像的干涉区域发散球面波的干涉第8页，课件共106页，创作于2023年2月比累对切透镜：实像干涉实像的干涉区域汇聚球面波的干涉第9页，课件共106页，创作于2023年2月5.3薄膜干涉

光波在介质的界面处分为反射和折射两部分，折射部分再经下界面反射，然后又从上界面射出。由于这些光都是从同一列光分得的，所以是相干的。这些光是将原入射光的能量（振幅）分为几部分得到的，被称为分振幅的干涉。第10页，课件共106页，创作于2023年2月光波在薄膜上的多次反射与折射第11页，课件共106页，创作于2023年2月薄膜干涉的复杂性仅仅从一个点光源发出的光波，经过薄膜不同表面的多次反射就可以在各处进行干涉所以，要采用一定的方法或装置，观察某一类光波的干涉第12页，课件共106页，创作于2023年2月两类典型的薄膜干涉用特殊的方式，可观察到不同类型的干涉一、相互平行的光波之间的干涉第13页，课件共106页，创作于2023年2月二、不同的光波在薄膜表面处的干涉第14页，课件共106页，创作于2023年2月透明薄膜的干涉光波在薄膜的两表面间可多次反射，有多列（上表面）反射光和（下表面）透射光透明薄膜，透射率接近于1，反射率很小振幅相差太大干涉效果不显著第15页，课件共106页，创作于2023年2月Stocks倒逆关系

入射波振幅为A。r，r′，t，t′：界面对复振幅的反射率和透射率。光路可逆原理。Stocks倒逆关系第16页，课件共106页，创作于2023年2月等倾干涉在薄膜上方放置一凸透镜，在凸透镜的像方焦平面观察干涉条纹。此时只有相互平行的光才能相遇，进行叠加。相互平行的光有相同的倾角，故称等倾干涉。第17页，课件共106页，创作于2023年2月薄膜面积比光波长大得多，可以应用反射折射定律第18页，课件共106页，创作于2023年2月光程差等倾光波的光程差第19页，课件共106页，创作于2023年2月由于反射，记入半波损失左边半波移到右边，和原先相反第20页，课件共106页，创作于2023年2月

相互平行的光，汇聚到焦平面上同一点；系统是轴对称的，所以干涉条纹是同心圆环。同一倾角的光是同一干涉级，故称等倾干涉。第21页，课件共106页，创作于2023年2月等倾干涉的条纹是同心圆环第22页，课件共106页，创作于2023年2月透反镜等倾干涉的观察装置第23页，课件共106页，创作于2023年2月等倾条纹的特性光强分布由双光束干涉决定，即光程差屏上条纹对透镜光心的张角第24页，课件共106页，创作于2023年2月第j级亮条纹相邻条纹间的角距离中心处条纹较稀疏。Deltai2大膜厚增大，条纹变密。中心处级数最高n2,hnochange,i2→90第25页，课件共106页，创作于2023年2月

条纹的角宽度（亮条纹中心到相邻暗条纹中心的角距离）亮纹暗纹膜厚增大，条纹细锐中心条纹没有周围细锐第26页，课件共106页，创作于2023年2月原来是第4级条纹的位置现在是第5级，4、3、2、1级分别向外移动一条，故看到条纹自内向外冒出若h则m动态反应考察中心点第27页，课件共106页，创作于2023年2月等厚干涉

定域在薄膜上表面的干涉条纹。

第28页，课件共106页，创作于2023年2月厚度相等的地方，是同一级亮条纹。故称等厚干涉。是一系列等间距的平行直条纹垂直入射相邻条纹的厚度差第29页，课件共106页，创作于2023年2月（1）劈尖愈厚处条纹级别愈高（2）棱边处h=0对应着暗纹讨论：（3）相邻两明（暗）纹间对应的厚度差为第30页，课件共106页，创作于2023年2月越小，越大，条纹愈清晰（4）相邻两明（暗）纹间距（5）动态反应（6）复色光入射得彩色条纹h(平移提升），条纹移向棱边（厚度小的方向）x,x定级考察mh∝j,同样位置h大j大，原先j向劈尖移，见下图第31页，课件共106页，创作于2023年2月白光入射单色光入射肥皂膜的等厚干涉条纹第32页，课件共106页，创作于2023年2月分振幅的干涉装置Michelson干涉仪Mach－Zehnder干涉仪干涉滤波片NewtonRing干涉装置第33页，课件共106页，创作于2023年2月空气薄膜（没有半波损失）Michelson干涉仪补偿板分光板接收装置第34页，课件共106页，创作于2023年2月第35页，课件共106页，创作于2023年2月Michelson干涉仪装置示意图第36页，课件共106页，创作于2023年2月Na灯的干涉条纹第37页，课件共106页，创作于2023年2月白光的干涉条纹第38页，课件共106页，创作于2023年2月干涉条纹的特征迈克耳逊干涉仪是严格的双光束干涉装置。干涉等效于空气中的空气薄膜干涉。一、平行等倾圆条纹(1)条纹特征同前（中疏边密；中高边低）(2)等倾圆条纹的变化d每减少/2：视场中心内陷一个条纹，视场内条纹向中心收缩，条纹变稀疏

d每增加/2：视场中心外冒一个条纹，视场内条纹向外扩张，条纹变稠密第39页，课件共106页，创作于2023年2月二、交叉等厚干涉条纹若d大时,由于使用的扩展光源,空间相干性极差,干涉消失；d,出现凸向空气膜薄边、弧状的干涉条纹，朝背离交线的方向（向左）平移；d,Ｍ1Ｍ2相交,出现等厚直条纹；d,出现凸向空气膜薄边、弧状的条纹，朝交线的方向（向左）平移在Ｍ1Ｍ2

的相交处,两光等光程,即干涉仪两臂等光程,不论哪种波长,交点处都是等光程点，该处是暗纹，周围彩色分布，常用来确定等光程点的位置。1、Ｍ1Ｍ2

不平行,d？2、白光做光源

？第40页，课件共106页，创作于2023年2月Michelson干涉仪的干涉花样第41页，课件共106页，创作于2023年2月等厚条纹的弯曲向正上方的光线偏向的光线对同一级条纹，为满足等光程条件，厚度h要增加于是条纹向膜厚处弯曲第42页，课件共106页，创作于2023年2月马赫－曾德尔干涉仪Sample等离子体第43页，课件共106页，创作于2023年2月

第44页，课件共106页，创作于2023年2月第45页，课件共106页，创作于2023年2月

利用干涉相长或干涉相消原理，对某些波长增透或增反，制成光学镜头或反射镜以及滤光镜。

现在多利用多层膜制作增透或增反的滤波片干涉滤波片第46页，课件共106页，创作于2023年2月反射光：一列在球面被反射，另一列在平面被反射，有半波损失(透射没有损失）。由相交弦定理亮条纹的光程差NewtonRing半径Newton环干涉装置第j级条纹（圆环）的直径第47页，课件共106页，创作于2023年2月透射光：一列直接透过，另一列在平面和球面间反射后透过，由于两次反射，无半波损失。

NewtonRing半径

j=0，1，2，3……反射光j=0,1,2……可测球面透镜曲率半径R。

反射光与透射光是互补的第48页，课件共106页，创作于2023年2月讨论***m=j（2）愈往边缘，条纹愈密0

1

2

345……（1）牛顿环中心是暗点愈往边缘，条纹级别愈高级别与等倾反第49页，课件共106页，创作于2023年2月第50页，课件共106页，创作于2023年2月第51页，课件共106页，创作于2023年2月ListoftypesofinterferometersFieldandlinearinterferometersIntensityandnonlinearinterferometersQuantumopticsinterferometersInterferometersoutsideoptics第52页，课件共106页，创作于2023年2月FieldandlinearinterferometersAstronomicalinterferometer/MichelsonstellarinterferometerClassicalinterferencemicroscopyCyclicinterferometerDiffraction-gratinginterferometer(whitelight)Double-slitinterferometerFabry-PerotinterferometerFizeauinterferometerFourier-transforminterferometerFresnelinteferometer(e.g.Fresnelbiprism,FresnelmirrororLloyd'smirror)第53页，课件共106页，创作于2023年2月FieldandlinearinterferometersFringesofEqualChromaticOrderinteferometer(FECO)GaborhologramGires-TournoisetalonHeterodyneinterferometer(seeheterodyning)HolographicinterferometerLinnikinterferometer(microscopy)Mach-ZehnderinterferometerMartin-PuplettinterferometerMichelsoninterferometerMirauinterferometer(alsoknownasaMirauobjective)(microscopy)Moireinterferometer(seeMoirepattern)Multi-beaminterferometer(microscopy)Near-fieldinterferometerNewtoninterferometer(seeNewton'srings)NonlinearMichelsoninterferometer/Step-phaseMichelsoninterferometer第54页，课件共106页，创作于2023年2月FieldandlinearinterferometersPhase-shiftinginterferometerPlanarlightwavecircuit(PLC)interferometerPolarizationinteferometer(seealsoBabinet-Soleilcompensator)PointdiffractioninterferometerRayleighInterferometerSagnacinterferometerSchliereninteferometer(phase-shifting)Shearinginterferometer(lateralandradial)Twyman-GreeninterferometerTalbotLauinterferometerWatsoninterferometer(microscopy)White-lightinterferometer(seealsoOpticalcoherencetomography)White-lightscatterplateinterferometer(white-light)(microscopy)WedgeinterferometerYoung'sdouble-slitinterferometerZernikephasecontrastmicroscope第55页，课件共106页，创作于2023年2月Intensityandnonlinearinterferometersintensityinterferometerintensityopticalcorrelatorfrequency-resolvedopticalgating(FROG)Spectralphaseinterferometryfordirectelectric-fieldreconstruction(SPIDER)第56页，课件共106页，创作于2023年2月QuantumopticsinterferometersHong-Ou-Mandelinterferometer(HOM)(seeLeonardMandel)FransoninterferometerHanbury-BrownTwissinterferometer第57页，课件共106页，创作于2023年2月InterferometersoutsideopticsAtominterferometerRamseyinterferometerMinigrailinterferometerAharonov-BohmeffectInterferometricsyntheticapertureradar(aradar-based3-dsurfacemapping)第58页，课件共106页，创作于2023年2月多光束干涉：Fabry-Perot干涉仪和标准具在薄膜干涉中，如果膜的反射率足够大，则无论是反射光还是透射光，相邻光束的强度相差不大，是多光束的相干叠加。Fabry-Perot干涉仪和标准具第59页，课件共106页，创作于2023年2月两边折射率相等各振幅关系等倾（反射率较高）单色光入射i2原先第60页，课件共106页，创作于2023年2月各复振幅关系第61页，课件共106页，创作于2023年2月R=♀(书上）=rr第62页，课件共106页，创作于2023年2月第63页，课件共106页，创作于2023年2月5%30%60%90%I互补精细度R位置P=pi(位置）反射系数第64页，课件共106页，创作于2023年2月干涉条纹的锐度变大，这一特征是多光束干涉的普遍规律1、（定I0，R，h）

等倾条纹（一组同心圆）条纹特征精细度R仅在△♀是pi偶数时大第65页，课件共106页，创作于2023年2月2、条纹表观R增大时，反射条纹的亮线越来越宽；透射条纹的亮线越来越窄由前图：R1时，反射条纹是亮背景中的暗纹；透射条纹暗背景中的亮纹常用：透射条纹第66页，课件共106页，创作于2023年2月3、透射亮纹的锐度半值宽度（半宽度）光强等于极大值一半时曲线上相应两点的间隔取不同的量作为自变量就有不同的半值宽度(i)锐线R越大，越小，透射亮纹越细第67页，课件共106页，创作于2023年2月以i作自变量表示半宽度,半值角宽度表示某一级透射亮纹的两个半强度点的角距离（只在特定的方向im上出现干涉极强）i越小，亮环条纹越细锐干涉场中越向外亮纹越细锐注意半值角宽和半角宽不一样第68页，课件共106页，创作于2023年2月以变量透射亮纹的半值谱线宽度m∧=2nhcosimm—j(书上）第69页，课件共106页，创作于2023年2月法布里—珀罗干涉仪法布里—珀罗（F-P）干涉仪是实施多光束等倾干涉的重要仪器在精密测量和光谱分析等方面有广泛的应用一、仪器结构三、作为光谱仪的分光特性

(用于分辨超精细光谱)色散本领色分辨本领二、选频作用第70页，课件共106页，创作于2023年2月非单色光垂直入射F-P作为滤光器的选频作用(干涉滤波片，光学厚度nh）只有满足的特定色光才能形成透射极大1、中心波长或中心频率频率间隔(区别于半宽）各中心频率等间距分布每一透射谱线称为一个纵模透射光是分立谱第71页，课件共106页，创作于2023年2月2、透射亮纹(谱线)的半值谱线宽度第72页，课件共106页，创作于2023年2月3、透射谱线的个数若入射光能量在范围内，有多少个中心波长透过？一方面透过谱线的半值谱线宽度尽可能的窄，要求m越大越好，光学厚度越大越好；另一方面要使中心波长个数N尽可能的少，这要求m越小越好，光学厚度越小越好。第73页，课件共106页，创作于2023年2月h固定，为Fabry-Perot标准具。h可调，为Fabry-Perot干涉仪。相对两面镀有半透半反膜。条纹特性第74页，课件共106页，创作于2023年2月相邻两列波的位相差第一列反射波与其它反射波之间要计入半波损失，所以第二列反射波与第一列反射波之间的光程差为反射光的振幅透射光的振幅第75页，课件共106页，创作于2023年2月反射波光强反射率透射波

透射波的合振动各列波的复振幅第76页，课件共106页，创作于2023年2月透射光的光强复振幅光强第77页，课件共106页，创作于2023年2月入射光强反射光的光强分布回到半值宽度透射光强度分布第78页，课件共106页，创作于2023年2月或者直接求得反射波的合振动第79页，课件共106页，创作于2023年2月第80页，课件共106页，创作于2023年2月多光束干涉（等倾）的强度分布第81页，课件共106页，创作于2023年2月条纹的角宽度半值宽度：光强降为峰值一半时峰的宽度。对于反射光和透射光，都有第82页，课件共106页，创作于2023年2月可以表示条纹的几何宽度，即角宽度第83页，课件共106页，创作于2023年2月对于Michelson干涉仪条纹要粗得多半值宽度半值宽度对应的相位改变第84页，课件共106页，创作于2023年2月返回本节首页第85页，课件共106页，创作于2023年2月多光束干涉的特性1、条纹角分布

2、频率（波长）分布

3、光谱的精细结构分析

第86页，课件共106页，创作于2023年2月第j级亮条纹条纹半角宽度j级条纹的条纹半角宽度返回本节首页角度引起的相位改变第87页，课件共106页，创作于2023年2月普通的薄膜干涉（Michelson干涉仪），即双光束干涉时由于所以多光束干涉条纹要细锐的多即出射的条纹发散角很小。保证了激光的平行性。激光器的谐振腔（Fabry-Perot）腔Fabry-Perot干涉仪第88页，课件共106页，创作于2023年2月只有特殊的波长满足极大条件j级亮条纹中，极大值处的波长在其附近，波长改变，强度下降，到达半值宽度时，相应波长的改变量由于使得每一级出射的亮条纹都是很好的单色光波波长引起的相位改变第89页，课件共106页，创作于2023年2月可用于选模。保证了激光的单色性。白光入射单色光出射第90页，课件共106页，创作于2023年2月j级亮条纹中心波长波长相差δλ条纹间角距离δλ引起的角度改变波长差δλ的条纹的角度差不同波长亮条纹的角距离第91页，课件共106页，创作于2023年2月Rayleigh判据可分辨最小波长间隔色（波长）分辨本领Fabry-Perot干涉仪的分辨本领条纹的半角宽度条纹间角距离第92页，课件共106页，创作于2023年2月5.7.1光场的空间相干性

1、光源宽度对干涉条纹可见度的影响2、杨氏干涉中，如果光源上下移动，条纹相应移动。3、如果光源扩展，则接收屏上每一根亮条纹的区域相应扩展，最终导致条纹消失。4、干涉现象消失。5、由于光源在空间扩展而导致干涉条纹可见度降低的现象，被称作光波场的空间相干性第93页，课件共106页，创作于2023年2月部分相干光相干条件不容易完全满足部分相干光第94页，课件共106页，创作于2023年2月干涉条纹模糊，可见度降低光源扩展第95页，课件共106页，创作于2023年2月双缝对光源的张角，干涉孔径（角）光源面极小dx处的P光强由相干公式：x附近面元