典型干涉仪及其应用

1. 迈克尔逊干涉仪的工作原理 迈克尔逊干涉仪的工作原理 白光条纹只有在楔形虚平板极薄 白光条纹只有在楔形虚平板极薄(M1与 M2′ 的距离仅 虚平板极薄 为几个波长)时才能观察到 这时的条纹是带彩色的. 时才能观察到， 为几个波长 时才能观察到，这时的条纹是带彩色的 相交错， 如果 M1和 M2′ 相交错，交线上的条纹对应于虚平板 的厚度 h=0。
M1 ′ M2
M1 ′ M2
1. 迈克尔逊干涉仪的工作原理 迈克尔逊干涉仪的工作原理 干涉条纹弯曲的原因如下：如前所述， 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。 应当是等光程差线。
1. 迈克尔逊干涉仪的工作原理 迈克尔逊干涉仪的工作原理 当入射光不是平行光时，对于倾角较大的光束， 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程差， 要与倾角较小的入射光束等光程差，其平板厚度应 增大。 增大
1 rN = f n0 nλ N −1+ ε h （ ） 25
f eN = rN＋1 − rN ≈ 2n0
nλ (26) h N − 1 + ε） （
1. 迈克尔逊干涉仪的工作原理 迈克尔逊干涉仪的工作原理 完全重合时， 当 M1与 M2完全重合时，因为对于各个方向入射光 视场是均匀的 的光程差均相等，所以视场是均匀 的光程差均相等，所以视场是均匀的。
M1 ′ M2
1 Ⅰ
D
A E S C
G 1
G2
Ⅱ
M
2
L P
迈克耳逊干涉仪的干涉条纹
M1 ′ M2
M1 ′ M2
M1
′ M2
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1. 迈克尔逊干涉仪的工作原理 迈克尔逊干涉仪的工作原理 在扩展光源照明下， 距离增加， 在扩展光源照明下，如果 M1与 M2′ 的距离增加，则 条纹将偏离等厚线，发生弯曲，弯曲的方向是凸向楔 条纹将偏离等厚线，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。 棱一边，同时条纹可见度下降。
M2′ M1
等厚线
1. 迈克尔逊干涉仪的工作原理 迈克尔逊干涉仪的工作原理 在楔板很薄的情况下， 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。 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, 对于楔形板的条纹 与平行平板条纹一 样，M2 每移动一个 λ/2距离，条纹就相 距离， 距离 应地移动一个。 应地移动一个。
3.4.1 迈克尔逊干涉仪 (Michelson interferometer ) ①迈克尔逊 莫雷以太漂移实验 迈克尔逊—莫雷以太漂移实验； 迈克尔逊 莫雷以太漂移实验 ②第一次系统地研究了光谱线的精细结构； 第一次系统地研究了光谱线的精细结构； 第一次系统地研究了光谱线的精细结构 ③首次将光谱线的波长与标准米进行了比较，建立 首次将光谱线的波长与标准米进行了比较， 首次将光谱线的波长与标准米进行了比较 了以光波长为基准的标准长度。 光波长为基准的标准长度 了以光波长为基准的标准长度。
M1
′ M2
1. 迈克尔逊干涉仪的工作原理 迈克尔逊干涉仪的工作原理 不镀半反射膜时， 当 G1不镀半反射膜时，因在 G1中产生内反射的光线 Ⅰ和产生外反射的光线 之间有一附加光程差 λ / 2， 和产生外反射的光线Ⅱ之间有一附加光程差 和产生外反射的光线 所以白色条纹是黑色的 黑色的； 所以白色条纹是黑色的； 镀上半反射膜后，附加程差与所镀金属及厚度有关， 镀上半反射膜后，附加程差与所镀金属及厚度有关， 但通常均接近于零，所以白光条纹一般是白色的 白色的。 但通常均接近于零，所以白光条纹一般是白色的。 交线条纹的两侧是彩色条纹。 交线条纹的两侧是彩色条纹。
∆ = 2nhcosθ2+λ/2
θ 2 ↓ cosθ 2 ↑ h ↓ θ 2 ↑ cosθ 2 ↓ h ↑
1. 迈克尔逊干涉仪的工作原理 迈克尔逊干涉仪的工作原理 靠近楔板边缘的点对应的入射角较大，因此， 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， 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。 曲方向是凸向楔棱一边。 干涉条纹
1. 迈克尔逊干涉仪的工作原理 迈克尔逊干涉仪的工作原理 迈克尔逊干涉仪的 主要优点是两束光 主要优点是两束光 完全分开， 完全分开，并可由 一个镜子的平移来 改变它们的光程差， 改变它们的光程差， 因此可以很方便地 在光路中安置测量 样品。 样品。这些优点使 其有许多重要的应 用，并且是许多干 涉仪的基础涉仪的干涉条纹
等 倾 干 涉 条 纹
M1 ′ M2
M1 ′ M2
′ M 1与 M 2
重 合
M1 ′ M2
M1
′ M2
1. 迈克尔逊干涉仪的工作原理 迈克尔逊干涉仪的工作原理 如果调节 M2， 使 M2′ 与 M1 相 互倾斜一个很小 的角度， 的角度，且当 M2′与M1比较接 近，观察面积很 小时， 小时，所观察到 的干涉图样近似 是定域在楔表面 上或楔表面附近 的一组平行于楔 边的等厚条纹 等厚条纹。 边的等厚条纹。
M1 ′ M2
1. 迈克尔逊干涉仪的工作原理 迈克尔逊干涉仪的工作原理 在干涉仪中， 在干涉仪中，补偿板 G2 的作用是消除分光板分 出的两束光Ⅰ 出的两束光Ⅰ和Ⅱ的不 对称性。 对称性。不加 G2时，光 光 经过G 三次， 束Ⅰ经过 1三次，而光 经过一次。由于G 束Ⅱ经过一次。由于 1 S 有一定厚度，导致Ⅰ 有一定厚度，导致Ⅰ与 有一附加光程差。 Ⅱ有一附加光程差。加 光束Ⅱ 入G2后，光束Ⅱ也三次 经过同样的玻璃板， 经过同样的玻璃板，因 而得到了补偿。 而得到了补偿。
光源L 光源 探测器D 探测器 光纤耦合器P 光纤耦合器 电子学系统 光纤聚焦器 计算机 样品M 样品 1
反射镜M2 反射镜
3.4.2 马赫 泽德干涉仪 (Mach-Zehnder Interferometer ) 马赫—泽德干涉仪 马赫一泽德干涉仪是 一种大型光学仪器， 一种大型光学仪器， 它广泛应用于研究空 气动力学中气体的折 射率变化、可控热核 射率变化、 反应中等离子体区的 密度分布， 密度分布，并且在测 量光学零件、 量光学零件、制备光 信息处理中的空间滤 波器等许多方面，有 波器等许多方面， 着极其重要的应用。 着极其重要的应用
M1 M2 激光器 可移平台 待测物体
光电计数器
记录仪
显微镜
1)激光比长仪 激光比长仪 当光电显微镜对准待测物体的起始端时， 当光电显微镜对准待测物体的起始端时，它向记录 仪发出一个信号，使记录仪开始记录干涉条纹数 记录干涉条纹数。 仪发出一个信号，使记录仪开始记录干涉条纹数。 当物体测量完时，光电显微镜对准物体的末端， 当物体测量完时，光电显微镜对准物体的末端，发 出一个终止信号，使记录仪停止工作。 出一个终止信号，使记录仪停止工作。
3.4.1 迈克尔逊干涉仪 (Michelson interferometer ) 迈克尔逊干涉仪是1881年迈克尔逊设计制作的，它闻 年迈克尔逊设计制作的， 迈克尔逊干涉仪是 年迈克尔逊设计制作的 名于世是因为迈克尔逊曾用它作过三个重要的实验： 名于世是因为迈克尔逊曾用它作过三个重要的实验：
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3.4.1 迈克尔逊干涉仪 (Michelson interferometer ) 迈克尔逊干涉仪是迈克尔逊和莫雷设计出来的一种利 分割光波振幅的方法实现干涉的精密光学仪器 实现干涉的精密光学仪器。 用分割光波振幅的方法实现干涉的精密光学仪器。其 调整和使用具有典型性。 调整和使用具有典型性。
迈克尔逊（ ），美国物理 迈克尔逊（1852~1931），美国物理 ）， 学家 ，主要贡献在于光谱学和度量 年诺贝尔物理学奖。 学，获1907年诺贝尔物理学奖。 年诺贝尔物理学奖
M1 ′ M2
1 Ⅰ
D
A E C
G 1
G2
Ⅱ
L
M2
P
1. 迈克尔逊干涉仪的工作原理 迈克尔逊干涉仪的工作原理 不过，对于单色光照明，这种补偿并非必要， 不过，对于单色光照明，这种补偿并非必要，因为 光束Ⅰ 所增加的光程，完全可以用光束Ⅱ 光束Ⅰ 经过 G1 所增加的光程，完全可以用光束Ⅱ 在空气中的行程补偿。 在空气中的行程补偿。
M1 ′ M2
1 Ⅰ
D
A E S C
G 1
G2
Ⅱ
L
M2
P
2. 迈克尔逊干涉仪应用举例 1)激光比长仪 激光比长仪 应用迈克尔逊干涉仪和稳频He-Ne激光器可以进行长 激光器可以进行长 应用迈克尔逊干涉仪和稳频 度的精密计量 在图所的装置中， 精密计量。 度的精密计量。在图所的装置中，光电计数器用来记 录干涉条纹的数目, 光电显微镜给出起始和终止信号. 录干涉条纹的数目 光电显微镜给出起始和终止信号
但对于白光光源，因为玻璃有色散， 但对于白光光源，因为玻璃有色散，不同波长的光 有不同的折射率，通过玻璃板时所增加的光程不同， 有不同的折射率，通过玻璃板时所增加的光程不同， 无法用空气中的行程补偿，因而观察白光条纹时， 无法用空气中的行程补偿，因而观察白光条纹时， 补偿板不可缺少。 补偿板不可缺少。
1. 迈克尔逊干涉仪的工作原理 迈克尔逊干涉仪的工作原理 Gl 和 G2是两块折 射率和厚度都相 同的平行平面玻 璃板， 璃板，分别称为 分光板和补偿板， 分光板和补偿板， S G1背面有镀银或 镀铝的半反射面 A,G1和G2互相干 行。
M1 ′ M2
1 Ⅰ
D
A E C
G1
G2
Ⅱ
L
M2
P
1. 迈克尔逊干涉仪的工作原理 迈克尔逊干涉仪的工作原理 如果调节M 使得 平行， 如果调节 2，使得 M2 与 M1 平行，所观察到的干涉 移动时(虚 图样就是一组等倾干涉圆环。 图样就是一组等倾干涉圆环。当 M1 向 M2 移动时 虚 平板厚度减小)，圆环条纹向中心收缩， 平板厚度减小 ，圆环条纹向中心收缩，并在中心一 一消失。 一消失。