精密干涉传感技术与应用 - 课程概述与基础理论

Einstein's

General

Relativity引力波

爱因斯坦广义相对论预言

由于空间质量和速度的变化

导致的时空波动

以光速传播

时空曲率的扰动以行进波的

形式向外传递的一种方式B.

P.

Abbott

et

al.

(LIGO

Scientific

Collaboration

and

the

Virgo

Collaboration),“Observation

of

Gravitational

Waves

from

a

Binary

Black

Hole

Merger,”

Phys.Rev.

Lett.

116,

061102

(2016).激光干涉引力波探测原理Ref.:

/articles/v9/17•

光学–激光器、干涉仪、光学元件……•

机械–真空、隔振、稳频……•

电学–极微弱信号检测、去噪……•

软件–信号的处理与显示……•••••课程名称：精密干涉传感技术与应用课程学分：2学分上课时间：春学期

周一下午6-7节(13:15-

-15:40)实验时间：3月中下旬主要内容：–现代干涉测试技术理论–干涉条纹与Zernike多项式–干涉条纹处理与相位恢复–干涉球面检测与子孔径拼接–干涉非球面检测技术与系统–常见干涉仪原理及其特点–光学干涉检测系统总体设计——光的特性及光学原理——光程差及多项式拟合——干涉算法及软件流程——光学调整及进阶算法——复杂面形检测及晋级——知识拓展并举一反三——全局把握与系统工程•

光的波粒二相性

牛顿Isaac

Newton

1642—1727

惠更斯Christian

Huygens

1629—1695

杨氏Thomas

Young

1773—1829

菲涅尔Augustine-Jean

Fresnel

1788—1827衍射、干涉、色散、折射

波动说直进、反射、偏振、折射

微粒说•

光的电磁理论

麦克斯韦James

Clerk

Maxwell

1831—1879波动说……积分及微分形式的麦克斯韦方程组•

光的量子理论

普朗克

Max

Planck

1858—19471900年，量子假说

爱因斯坦

Albert

Einstein

1879—19651905年，光子理论微粒说……0

cos(

)

x

E

kz

t

x

cos(

)

E

kz

t

y

•

偏振•

线偏振、圆偏振、椭圆偏振•

左旋、右旋

E

0y

假设光的传播方向沿z轴正向，选取垂直于波矢k的平面内两个正交方向分别为x轴和y轴。则单色平面波在两方向上的振动可以表示为：0

cos(

)

x

E

kz

t

x

cos(

)

E

kz

t

y

•

线偏振、圆偏振、椭圆偏振

E

0y

0

cos(

)

x

E

kz

t

x

cos(

)

E

kz

t

y

•

线偏振、圆偏振、椭圆偏振

E

0y

0

cos(

)

x

E

kz

t

x

cos(

)

E

kz

t

y

•

左旋、右旋

E

0y

E0xcos(kz

t)x

E

cos(kz

t

)y

•

自然光、部分偏振光•

偏振度P

Imax

IminImax

Imin

E

0y

•

偏振光的产生

–反射和折射

•

布儒斯特角

–二向色性

–双折射

–散射偏振分光棱镜•

偏振光的产生

–反射和折射

–二向色性

–双折射

–散射二向色性源于物理上的各向异性，存在着一个特殊方向，当振动的电矢量与其平行时被吸收得较少，光可以较多地通过；而振动的电矢量与其垂直时被强烈地吸收，光通过得很少。H偏振片•

偏振光的产生

–反射和折射

–二向色性

–双折射

–散射让一束平行的自然光束入射在冰洲石晶体的一个表面上，发现光束分解成两束。如果用检偏器来检验双折射产生的o光和e光的偏振态，就会发现o光和e光都是线偏振的。Wollaston棱镜•

偏振光的产生

–反射和折射

–二向色性

–双折射

–散射波片：由单轴晶体中切割下来的平行平板，其表面与晶体的光轴平行。平行光正入射时，平行于光轴的分量为o光，垂直于光轴的分量为e光，两光束传播方向不改变，但有相位延迟。λ/4、

λ/2波片•

惠更斯—菲涅尔原理–子波相干叠加•

基尔霍夫衍射理论–标量衍射理论–速度快，精度尚可E2

02(P)cos

2

2(P)

(P,t)

E

t

•

产生干涉的条件

–频率相同

–振动方向相同

–相位差恒定

2E1(P,t)

E01(P)cos

1t

1(P)

E(P,t)

E1(P,t)

E2(P,t)

E01(P)cos

1t

1(P)

E02(P)cos

2t

2(P)

I(P)

E2(P,t)

E01(P)cos

1t

1(P)

E02(P)cos

2t

2(P)

I1(P)

I2(P)

2

I1(P)

I2(P)

cos

1t

1

cos

2t

2

由于

cos

1t

1

cos

2t

2

cos

1

2

t

(

1

2)

cos

1

2

t

(

1

2)

所以……

实际中的光波通常并不满足这些条件，要使它们发生

干涉必须利用一定的装置并让它们满足相干条件，这样的

装置称为干涉仪。亚利桑那大学

光学中心

干涉仪主机置于三层楼高

的架子大型天文望远镜检测22TMT望远镜(Thirty

Meter

Telescope)美国夏威夷莫纳克亚山(国际著名的优良天文台址)非球面通用化检测系统环形径向剪切干涉检测系统原理图

高能激光脉冲光束质量检测

飞行体、风洞高速流场检测

现场、实时、在线检测瞬态激光波前诊断系统针孔点衍射干涉仪系统原理及光路图超高精度面形检测系统

面形检测精度优于1/1000λPV交叉光栅剪切干涉系统并行计算

硬件运算紧凑型

大动态范围

涵盖如下几方面：

光是什么？

……

光有哪些特性？

……

偏振及其产生方法？

……

光的衍射

……

光的干涉产生

……•

课堂测验-3•

专业知识应用

20分(3月20日前提交)

–选择5项以上生活中涉及到光电相关知识的现象、事物、产品、场

景等，试着从光电专业的角度去解释、分析

–例如，墨子号、发现类地行星、太阳能、博物馆、手机屏与视力

、舞台灯光……•

课程实验•

课程报告20分(10分操作、10分报告，3月中旬开始)30分(4月15日前提交)–针对感兴趣的课程中所涉及的内容，整理一份文献综述报告–三人一组，注明分数分配(80:80:80？)，5页以上，图文并茂。如•

常见干涉仪及其特点•

新型干涉仪及其特点•：

光的偏振特性及其应用•干涉图解调方法研究•••干涉位相调制技术与解调