郭永康光的干涉学习教案

郭永康(yǒnɡkānɡ)光的干涉第一页，共22页。迈克耳孙在工作(gōngzuò)

迈克耳孙（A.A.Michelson）美籍德国人因创造精密(jīngmì)光学仪器，用于进行光谱学和度量学的研究，并精确测出光速，获1907年诺贝尔物理奖。第1页/共21页第二页，共22页。十字叉丝等厚条纹一.迈克耳孙干涉仪的光路镜M2与镜M1像之间空气(kōngqì)膜的干涉M

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S半透半反膜M2M1G1G2E第2页/共21页第三页，共22页。二.干涉(gānshè)条纹1.等倾圆环可用扩展(kuòzhǎn)光源观察相邻暗纹的角距离相邻环线的线距离--观测透镜焦距第3页/共21页第四页，共22页。(1)当

整个视场为暗区（实际由于镀膜视场不暗）；a.中心亮暗交替，h每改变，光程改变，暗亮转换一次；

c.同一位置(wèizhi)处(i固定)条纹随h增加越来越密。b.圆环不断从中心涌出并向外散开，h每增加

,从中心生出一个新亮点;(3)当h减小时，1)相同；2)、3)相反(xiāngfǎn)；圆环向中心靠拢(2)当h增大(zēnɡdà)时，有：*等倾条纹特点第4页/共21页第五页，共22页。(4)当白光入射时，只有(zhǐyǒu)h=0时视场应为均匀视场。2.等厚干涉(gānshè)条纹M2不平行于M1’尖劈(jiānpī)干涉h增大时整套条纹向楔棱边移动第5页/共21页第六页，共22页。例用波长为的单色光观察迈克尔孙等倾干涉圆环。初始状态，干涉场中有20个暗环，且中心为暗点；移动M2后,看到中心吞吐20圆环,而干涉场中还剩10暗环。求(不考虑镀膜)(1)M2移动时空气膜厚度增大(zēnɡdà)还是减小?条纹是从中心“吐出”还是在中心被“吞没”?(2)M2移动的距离?(3)初态中心暗点的干涉级?(4)终态从中心向外数第5个暗环的角位置?第6页/共21页第七页，共22页。解:(1)在同样(tóngyàng)的视场中，初态有20个环，终态有10个环条纹变稀疏初终：膜厚逐渐(zhújiàn)减小条纹逐渐(zhújiàn)向中心沉没(2)设初态膜厚

h1，末态膜厚

h2，视场角为

i

初末第7页/共21页第八页，共22页。暗环方程(fāngchéng)中心视场边缘初末中心视场边缘视场角第8页/共21页第九页，共22页。由方程(1)-(2)得

初态中心(zhōngxīn)暗环位置(4)设终态第五个暗环的角半径(bànjìng)为i5(3)第9页/共21页第十页，共22页。条纹种类等倾圆环条纹

牛顿环(平凸透镜)

楔形膜等厚条纹形成条件M2//M’1

扩展光源

i很小,正入射(点光源准直)

定域无穷远处或透镜焦面

膜表面附近

形状

同心圆环，内疏外密

平行等距直线动态变化(h增大)中心亮暗交替条纹从中心向外扩散，变密中心亮暗交替条纹向中心收缩并沉没条纹密度不均匀条纹向棱平移条纹密度不变

h

大时条纹向棱凸

白光条纹h=0,均匀暗场h很小,彩纹内红外紫h=0,暗点中心附近数条彩环内紫外红h=0，暗线两侧彩条对称近棱紫远棱红三种干涉条纹(tiáowén)比较*不考虑镀膜，膜上下方为同一(tóngyī)介质小结(xiǎojié)第10页/共21页第十一页，共22页。三.迈克尔孙干涉仪的应用(yìngyòng)1.测定(cèdìng)长度及光的相干长度视场中每变化(biànhuà)(移动)一个条纹/2的空气膜距变化(biànhuà)单色光，待测长度非单色光源

l

的最大量程

lM

应为相干长度之半第11页/共21页第十二页，共22页。2.光谱分析(ɡuānɡpǔfēnxī)—傅立叶变换光谱仪给定光谱线型，干涉强度随光程差变化(biànhuà)关系--傅立叶余弦变换扩展到实数用波函数表示的光谱强度-2I0F.T.--对称性空域(kōngyù)频域第12页/共21页第十三页，共22页。利用(lìyòng)干涉仪测气体折射率迈克尔孙干涉仪的应用(yìngyòng)实例第13页/共21页第十四页，共22页。用迈克耳逊干涉仪测气流(qìliú)第14页/共21页第十五页，共22页。光学(guāngxué)相干CT—断层扫描成像新技术（OpticalCoherenceTomography简称OCT）CT-ComputedTomography计算机断层(duàncéng)成象第二代：NMRCT－核磁共振(hécíɡònɡzhèn)成象第三代：光学相干CT－OCT微米量级的空间分辨率第一代：X射线CT射线CT－工业CT*迈克耳孙干涉仪的现代应用之例第15页/共21页第十六页，共22页。*样品中不同位置处反射(fǎnshè)回的光脉冲延迟时间不同*不同的材料或结构反射(fǎnshè)的强度不同要实现微米量级的空间分辨率,即就要求能测量秒的时间延迟激光器的脉冲(màichōng)宽度要很小～10－15秒——飞秒原理示意图第16页/共21页第十七页，共22页。时间延迟短至10－14～10－15s电子设备难以(nányǐ)直接测量可利用光学(guāngxué)迈克耳逊干涉仪原理只有当参考光与信号光的某个脉冲(màichōng)经过相等光程时才会产生光学干涉现象因为10－15秒的光脉冲大约只有一个波长光源探测器参考镜眼睛第17页/共21页第十八页，共22页。要测量从眼内不同结构回来的光延迟，只须移动参考(cānkǎo)镜，使参考(cānkǎo)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向的一维测量数据光束在平行于样品表面的方向进行扫描测量，可得到横向的数据将得到的信号经计算机处理(chǔlǐ)便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(wèizhi)这些位置(wèizhi)便反映了眼球内不同结构的相对空间位置(wèizhi)光源探测器参考镜眼睛第18页/共21页第十九页，共22页。实验装置－光纤化的迈克耳逊干涉仪光源电子学系统计算机探测器光纤耦合器样品光纤聚焦器反射镜第19页/共21页第二十页，共22页。大葱表皮(biǎopí)的OCT图像实际样品大小(dàxiǎ