一种一种新的迈克耳孙干涉仪

一种一种新的迈克耳孙干涉仪

1进展之一:从“偏振-进展”的光学教学模式到“偏振-发展”的光学教学使用双室缝、双滤等干涉装置进行光学测量时，实际情况无法消除两种限制。1）狭窄缝的宽度不是很大，光强受到限制。2）两相的光束不能很好地分开，测量对象的大小是有限的。这两个缺点给许多研究和测量带来了很大困难。然而，mauron孙子干预系统仅克服了上述两个缺点，丰富了其应用，形成了良好的条件。这是现代许多干燥剂的原型。本文介绍了国外最新发展的meg耳孙干预系统的新变形。这是为了强调meg耳孙干预系统的原理。在光学教育中引入这些设备不仅有助于加深学生对一些基本问题的理解，而且有助于拓宽学生的知识，提高学生的学习兴趣，培养他们的创新能力。2偏振分束器polmit偏振迈克耳孙干涉仪(PolarizationMichelsoninterferometer)其实质就是采用迈克耳孙干涉仪的结构,把入射光束利用偏振分束器(PBS)分为两束相互垂直的线偏振光,然后让这两束光经过不同的路径返回后再通过偏振分束器合成为一束光.由于所分开的这两束振动方向相互垂直的线偏光所经历的光程不同,则出射光的偏振态So不再是入射时的偏振态Si.虽然该装置采用的是迈克耳孙干涉仪的结构,但这里并不是传统分振幅,而是分偏振.所说的干涉也并非通常意义上的产生干涉条纹的干涉,而是借用了“干涉”一词.如图1,只要把迈克耳孙干涉仪的分光板和补偿板换成偏振分束器(PBS),并在两反射镜前各加一块1/4波片(或旋光角为45°的旋光器),即将迈克耳孙干涉仪变形为偏振迈克耳孙干涉仪(POLMINT).在图1中P1为一可调方位角的起偏镜,p、s分别表示平行和垂直纸面的方向,M1和M2是光学各向同性的平面反射镜,R1和R2是1/4波片,其快轴与纸面成45°夹角.从偏振分束器PBS分出的两束相互垂直线偏光先通过与其振动方向成45°角的1/4波片变成圆偏光,这一圆偏光被镜面M反射后变成旋性相反的圆偏光,反射后的圆偏光再次通过波片R,其振动方向同入射波片前相比旋转了90°,从而反射光可以顺利通过偏振分束器PBS,则PBS又相当于一理想的光束合成器.若两臂的光程相等,则最终出射光的偏振态So同入射光的偏振态Si相同,只不过振动方向旋转了90°.这个位置即为零光程差的位置,称为平衡位置.改变可动平面镜M2的位置,位移为d,出射光的p、s分量的相位差为:δ=4πnd/λ(1)n为折射率(在空气中n=1.0),λ为真空中的波长.通过改变可动镜M2的位移d,p、s分量的相位差就会发生改变,则图1的装置就相当于一可变相位延迟器,从而输出对应的各种偏振态,实现对入射光束偏振态的调制.由于采用了迈克耳孙干涉仪的结构,这种偏振调制的方式同其它的偏振调制方式如电光调制、磁光调制、光弹调制等相比,具有p、s光路完全分开,通光面较大等一系列特点,在实际中获得了广泛的应用.本文拟就偏振迈克耳孙干涉仪在光学教学方面的应用谈谈我们的看法.3偏振-加光法算法的研究在光学教学中,通过“光的干涉”这部分有关迈克耳孙干涉仪的学习以及通过有关迈克耳孙干涉仪的实验之后,学生对迈克耳孙干涉仪的原理都已经比较熟悉,尤其是对移动可动镜M2时出射光强有变化——可以看到有条纹吞入和冒出印象比较深刻.在学到“光的偏振”这一章时,通过有关偏振光合成的知识,也就可以理解上述偏振迈克耳孙干涉仪的原理.研制出偏振迈克耳孙干涉仪,并在教学中有意识地加以引入,定会加深同学对相关知识的理解,收到良好的教学效果.3.1偏振坦克尔pbs-平均法研磨法我们知道,要实现光的干涉必须满足3个必要条件:频率相同,相位差恒定,光矢量振动方向相同或存在相互平行的振动分量.要实现光的干涉这3个条件缺一不可.对于前两个相干条件,通过以往的知识很容易被学生所接受,也容易进行实验验证.而对于第三个条件,也即互相垂直的振动的合成没有干涉效应的验证就可以利用上述的偏振迈克耳孙干涉仪来实现.让一波长为λ的激光光束入射到PBS,被分为振动方向和传播方向都互相垂直的两束光,这两束光被反射再次通过PBS后,尽管它们有相同的频率,也有固定的相位差,但是移动可动镜,并不能观察到光强强弱的变化,也即没有干涉现象的发生.通过对比偏振迈克耳孙干涉仪和普通迈克耳孙干涉仪的结构,即可得知二者的差别就在于偏振迈克耳孙干涉仪的两臂的光是振动方向互相垂直的线偏光,从而,验证了振动方向互相垂直的光没有干涉效应.3.2pep1光量的测量既然在偏振迈克耳孙干涉仪中移动可动镜,出射光的光强没有强弱的变化.那么出射的光是否就没有变化?若在出射端放置一检偏镜,则会发现在移动可动镜M2时,从检偏镜出射的光强发生了变化,从而表明在偏振迈克耳孙干涉仪中移动可动镜,从PBS出射的光的偏振态发生了变化.这就是振动方向互相垂直的线偏光的合成.在光学教材中,对于垂直振动的线偏光的合成是通过将垂直入射到双折射晶片的线偏光分解为互相垂直的分量来分析的,比较抽象,也难于理解.而在偏振迈克耳孙干涉仪中,这两束光的振动方向互相垂直是很明显的.设从PBS出射的光矢量为E=Eses+Epep(2)Es、Ep分别为s和p方向的分量:Es=a1cos(ωt−kr+δ1)=a1cos(τ+δ1)Ep=a2cos(ωt−kr+δ2)=a2cos(τ+δ2)(3)Es=a1cos(ωt-kr+δ1)=a1cos(τ+δ1)Ep=a2cos(ωt-kr+δ2)=a2cos(τ+δ2)(3)其中a1、a2为振幅,τ=ωt-kr,δ1、δ2为两互相垂直振动相位.从式(3)消去τ,得:Esa1=cosτ⋅cosδ1−sinτ⋅sinδ1Epa2=cosτ⋅cosδ2−sinτ⋅sinδ2Esa1=cosτ⋅cosδ1-sinτ⋅sinδ1Epa2=cosτ⋅cosδ2-sinτ⋅sinδ2故有∶Esa1sinδ2−Epa2sinδ1=cosτ⋅sin(δ2−δ1)Esa1cosδ2−Epa2cosδ1=sinτ⋅sin(δ2−δ1)故有∶Esa1sinδ2-Epa2sinδ1=cosτ⋅sin(δ2-δ1)Esa1cosδ2-Epa2cosδ1=sinτ⋅sin(δ2-δ1)将上两式平方相加得(Esa1)2+(Epa2)2−2Esa1⋅Epa2cosδ=sin2δ(4)(Esa1)2+(Epa2)2-2Esa1⋅Epa2cosδ=sin2δ(4)式(4)就表示光矢量端点的轨迹,这是一个椭圆,称为偏振椭圆,表示了光的偏振态.从式(4)可以看出,当相位差δ发生变化时,椭圆的形状也会变化,也即光的偏振态发生了变化.特别地当δ=0时,出射的是线偏光;当δ=π/2时,出射的是正椭圆偏振光.从而可以很容易理解移动可动镜出射光的偏振态就会发生变化的原因.从PBS出射的光强I=a2112+a2222(5)可见光强与相位差δ无关,即无论怎样移动M2,从偏振迈克耳孙干涉仪出射光强都不发生变化.这就说明偏振迈克耳孙干涉仪分的是偏振而不是振幅,有助于学生理解偏振光的合成.3.3偏振前相位差可选时补充器的使用在光学教材中给出的双折射波片的相位差公式为δ=2πλ(no−ne)d(6)δ=2πλ(no-ne)d(6)其中d为晶片厚度,可见,o光和e光通过晶片后的相位差,除与折射率之差成正比外,还与晶片的厚度成正比,对于一给定的波片,其相位差是恒定的,对偏振态的变换作用受到一定的限制.而对于偏振迈克耳孙干涉仪,通过移动可动镜相位差δ就可以为任意值,输出与式(4)对应的偏振态,从而可以作为一相位差可调的补偿器来使用.若转动可调方位角的起偏镜P1,则式(4)中的大小就会改变,调整P1使其与纸面成45°角,则a1=a2,故当δ=π/2时PBS就会输出圆偏光.若将可调方位角的起偏镜P1和可动镜M2配合调整,就可以输出任意的偏振态,从而作为真正的全偏振态产生器在教学或科研中使用.式(6)又可以写为δ=2πλΔn⋅d(