工程光学125典型双光束干涉系统及其应用
南理工物理光学02-05
傅里叶变换对： W () I 0 (k ) exp(ik)dk
（ 1 ） （2）
强度函数 谱密度函数
1 I 0 (k ) 2
W () exp(ik)d
通过移动M2，改变获得W()，再通过反傅里叶变换计 算出I0(k)。
迈克尔逊在工作
仪器结构、光路
反射镜
M1 M2
虚薄膜(虚 平板)
a1
光源 S
G1
45 G2
a2
M2
a
补偿板
反 射 镜
半透半反膜
a1′
a2 ′ E 观测装置
反射镜
M1 M 2
虚薄膜
工作原理
补偿板作用：补偿两臂的附 加光程差。
没有补偿板，对干涉有何影响？ 可以不要补偿板？ 光束 a2′和 a1′发生干涉 ▲ ▲
a1
光源
S
a
G1 45 G2
M2
a2
补偿板
半透半反膜
反 射 镜
a 1′ a 2′ E 观测装置
十字叉丝
M2、M1平行 等倾干涉 M2、M1有小夹角 等厚干涉
等厚条纹
迈克尔逊等倾干涉
迈克尔逊等厚干涉
混合条纹
条纹变化
等倾干涉 h增大时，条纹外冒，变密
h减小时，条纹内缩，变疏 等厚干涉 h增大时，条纹向膜较薄的方向移动 h减小时，条纹向膜较厚的方向移动
4、马赫－曾德干涉仪 结构和光路走向如图 适用于研究气体密度迅速 变化的状态 利用扩展光源，条纹是定域的 可通过调节M2和G2使条纹虚定 域于M2和G2之间 应用： 1）大型风洞中气流引起的空气密度变化 2）可控热核反应中等离子区的密度分布 3）光学全息，光纤和集成光学
《双光束干涉》课件
对于某些实验需求，可以使用扩 展光源代替激光器，以模拟自然 光或实现更大的干涉条纹可见度 。
分束器
半透半反镜
将一束光分成两束相同的光，一束反 射，一束透射，是常用的分束器。
分束棱镜
利用棱镜的折射特性将一束光分成两 束不同角度的光，常用于产生不同路 径长度的干涉。
反射镜和干涉仪
反射镜
用于改变光路，使两束光在空间上交叠，形成干涉。
干涉条纹的移动与变化
当一束光波的波长或相位发生变化时，干涉条纹的位置 和形状也会随之改变。
当两束光波的振幅（强度）发生变化时，干涉条纹的可 见度和强度也会受到影响。
当一束光波在空间中传播时，遇到不均匀介质或受到外 界扰动时，干涉条纹的位置和形状也会发生变化。
干涉条纹的可见度与强度
01
干涉条纹的可见度与两束光波的 相位差和振幅有关。相位差越小 ，可见度越高；振幅越大，可见 度越高。
双光束干涉的原理
光程差
01
两束光在相遇点产生的光程差会导致相位发生变化，进而影响
干涉结果。
干涉加强
02
当两束光的光程差为半波长的偶数倍时，光强增强，形成明条
纹。
干涉减弱
03
当两束光的光程差为半波长的奇数倍时，光强减弱，形成暗条
纹。
02
双光束干涉实验装置
Chapter
光源
激光器
作为相干性好的光源，激光器能 够产生单色性好的光束，是双光 束干涉实验中的理想选择。
激光器稳定性误差
激光器的输出功率和波长可能会随时间变化，导 致干涉条纹的移动和变化。
探测器响应误差
探测器的响应速度和精度会影响对干涉条纹的记 录和分析。
THANKS
光的干涉光的干涉现象与应用
光的干涉光的干涉现象与应用光的干涉是一种光学现象，它是指两束或多束光波相互叠加后形成的干涉图样。
这种干涉现象广泛应用于光学领域，包括科学研究、仪器测量和光学设备等方面。
本文将从干涉现象的基本原理、干涉图样的特点以及应用于实际生活中的案例等方面进行探讨。
一、基本原理光的干涉是由于光波的相长相消引起的，其基本原理可以用叠加原理来解释。
当两束或多束光波相互叠加时，如果它们的相位差为整数倍的波长，那么它们将相长干涉，形成明纹；如果相位差为半个波长，那么它们将相消干涉，形成暗纹。
这种明暗纹交替出现的干涉图样可以通过观察屏幕、干涉仪器等方式进行观察与测量。
二、干涉图样的特点光的干涉图样具有一些特点，这些特点对于干涉现象的研究与理解非常重要。
首先，干涉图样是由一组交替分布的明暗条纹组成的，这些明暗条纹的宽度与光波的波长、入射光的角度以及干涉场的特性有关。
其次，干涉图样的条纹间距与入射光波的频率、波长以及干涉场的特性有关。
最后，干涉图样的条纹密度与入射光的强度、波长以及干涉场的特性有关。
三、实际应用光的干涉现象不仅在科学研究中发挥着重要作用，还在实际生活中得到了广泛的应用。
以下将介绍几个典型的应用案例。
1. 干涉仪器干涉仪器是利用光的干涉现象进行测量与测试的仪器。
例如，Michelson干涉仪是一种常见的干涉仪器，它可以用来测量光波的波长、光速以及折射率等物理量。
干涉仪器在光学研究、激光技术以及精密测量等领域起着至关重要的作用。
2. 干涉光栅干涉光栅是利用光的干涉现象制造的一种光学元件。
它可以通过光的干涉产生多条光斑，从而实现光的分光与分析。
干涉光栅广泛应用于光谱仪、激光表面扫描仪以及显示器等领域。
3. 干涉涂层干涉涂层是利用光的干涉原理来设计和制备的一种光学薄膜涂层。
它可以用于提高光学元件的透过率、反射率以及光学性能。
干涉涂层广泛应用于光学镜片、光学滤波器以及激光设备等领域。
4. 光学干涉显微镜光学干涉显微镜是一种利用光的干涉原理来观察和测量样品的光学显微镜。
物理光学8(1-15)
−∞ ∞ ∞ ∞
= ∫ 2 I 0 (k )dk + ∫ 2 I 0 (k ) cos(k ⋅ ∆)dk
−∞ ∞ −∞
= ∫ 2 I 0 (k )dk + 2 ∫ I 0 (k )[exp(ik∆) + exp(−ik∆)]dk
16
二、其他干涉技术 1、数字波面干涉术
目的：产生移动的干涉条纹，用光电器件探测条纹的变化。 基本原理：利用光学拍频中干涉条纹强度随时间变化的性质。
设：干涉光波频率为 ω，参考光波为ω + ∆ω。则合成的光波： E (x, y , t ) = E0 (x, y )exp{− i[δ(x, y ) + ωt ]}+ Er exp{− i[δ r + (ω + ∆ω)t ]}
δ=
4π
λ
nh cosθ 2 , h为常数，为等倾干涉。
（3）光强分布与 ρ 的关系
ρ ρ
ρ
ρ
ρ
随着反射率 ρ 的增大，透射光暗条纹的强度降低，亮条纹 的宽度变窄，条纹的锐度和对比度增大 29
(3)条纹间隔
当∆δ = 2π时，条纹变化一个级次 4π ∆δ＝ nh sin θ 2 ⋅ ∆θ 2 = 2π λ
2 2
光强分布：I (x, y , t ) = E 0 (x, y ) + E r + 2 E 0 ( x, y )E r cos{[δ r − δ ( x, y ) + ∆ωt ]}
I(x,y,t)
1 .0 0 .8
条纹是随时间 移动的量。
0 .6
0 .4
0 .2
工程光学125典型双光束干涉系统及其应用.pptx
可利用迈克耳孙干涉仪原理测量。
光源
参考镜 探测器
当参考光脉冲和信号
光脉冲序列（眼睛的不同 部位反射得到光脉冲序列） 中的某一个脉冲同时到达 探测器表面时,就会产生光 眼 学干涉现象。这种情形, 睛 只有当参考光与信号光的 这个脉冲经过相等光程时 才会产生。
因为10－15 秒的光脉冲大约只有一个波长。
典型双光束干涉系统
• 裴索干涉仪 • 迈克尔逊干涉仪 • 外差干涉原理 • 马赫－增德干涉仪
裴索干涉仪
定义：等厚干涉型的干涉系统统称为裴索干涉仪
平面干涉仪
等厚条纹
平晶
球面干涉仪
标准验规 待测透镜
待测工件
暗纹
h H •
e2
H
e
Michelson 干涉仪
迈克耳孙在工作
迈克耳孙
（A.A.Michelson ） 1852—1931 美籍德国人
等厚干涉型的干涉系统统称为裴索干涉仪等厚条纹待测工件标准验规待测透镜平面干涉仪球面干涉仪迈克耳孙在工作迈克耳孙aamichelson18521931美籍德国人因创造精密光学仪器用以进行光谱学和度量学的研究并精确测出光速获1907诺贝尔物因创造精密光学仪器用以进行光谱学和度量学的研究并精确测出光速获1907诺贝尔物michelson干涉仪迈克耳孙干涉仪至今仍是许多光学仪器的核心
双缝干涉实验与光学仪器的应用
望远镜在观测天体现象中的应用
80%
望远镜的种类
折射望远镜、反射望远镜和折反 射望远镜等。
100%
望远镜的原理
通过收集遥远天体发出的光线， 经过透镜或反射镜的聚焦，使得 人眼可以观察到天体。
80%
望远镜的应用
在天文学领域，望远镜被用于观 测恒星、行星、星系、星云等天 体现象，帮助人们了解宇宙的奥 秘。
双缝干涉实验与光学仪器的应 用
汇报人:XX
2024-01-13
目
CONTENCT
录
• 双缝干涉实验基本原理 • 光学仪器在双缝干涉实验中的应用 • 典型光学仪器介绍及其在实验中的
应用 • 双缝干涉实验在科学研究领域的应
用
目
CONTENCT
录
• 现代科技对双缝干涉实验的改进与 发展
• 总结与展望
01
光学显微镜技术
利用高分辨率的光学显微镜，可以观察到双缝干涉实验中微观粒子的干涉图样，提高实验的观测精度 。
干涉仪技术
采用激光干涉仪等技术，实现对双缝干涉实验中光程差的高精度测量，提高实验的测量精度和稳定性 。
新型探测器技术
单光子探测器
利用雪崩光电二极管等单光子探测器，实现对单个光子的探测和计数，为双缝干涉实验 提供了高灵敏度和低噪声的探测手段。
02
光学仪器在双缝干涉实验中的应用
激光器的使用及优点
激光器产生相干光
激光器能够产生单色性、方向性 和相干性极好的光束，为双缝干 涉实验提供理想的光源。
优点
激光具有高亮度、高方向性、高 单色性和高相干性等特点，使得 干涉条纹更加清晰、稳定，提高 了实验的精度和可重复性。
分束器、反射镜等辅助设备
分束器的作用
光学中的干涉现象及其应用
光学中的干涉现象及其应用干涉是光学中重要的现象之一，它产生于两束光相遇的地方，两束光交叉干涉形成明暗条纹，这种光的相遇称为干涉。
干涉现象在很多领域中都有广泛的应用，例如，光学传感器、科学研究、光学仪器等。
在本文中，我们将详细介绍光学中的干涉现象及其应用。
一、干涉现象的基本概念我们知道，光是一种电磁波，它具有波动性和粒子性。
当一束光遇到一种介质时，它会被散射、折射或反射。
当两束光相遇时，它们产生干涉。
要理解干涉现象，首先需要了解两束光的相位差和波长。
相位差是指两束光波的同一时刻的相位之差，它的大小决定了两束光波的干涉结果。
波长则是指光波传播一周期的长度，不同颜色的光波具有不同的波长。
当两束光波相遇时，它们之间的相位差决定了它们是否会增强或抵消。
当相位差为正整数倍的波长时，两束光波相加后会增强，形成明亮区域；当相位差为奇数倍的波长时，两束光波相加后会抵消，形成暗淡区域。
二、干涉现象的分类干涉现象可以分为两种类型：杨氏干涉和菲涅尔干涉。
1、杨氏干涉杨氏干涉是一种通过双缝实验产生的干涉现象。
当一束光通过双缝时，它会在屏幕上形成明暗相间的条纹。
这些条纹是由于两束光波的干涉产生的，并且它们的间距与双缝的间距和光的波长有关。
杨氏双缝干涉实验在精确定量测光的波长和探讨光的本质问题时有广泛应用。
2、菲涅尔干涉菲涅尔干涉是一种通过菲涅尔光圈产生的干涉现象。
当一束光通过菲涅尔光圈时，光的相位将发生变化，导致干涉条纹的出现。
这种干涉现象在精确测量长距离、检测大面积、非接触式测量等方面有着广泛的应用。
三、干涉现象的应用1、光学传感器光学传感器是利用光学干涉现象测量物体形态大小和表面粗糙度的一种技术。
通过光学干涉产生的干涉条纹可以精确测量物体的形态和大小。
光学传感器在半导体、航天、汽车等领域的应用越来越广泛。
2、科学研究干涉现象在科学研究中有着广泛的应用，例如，在天文学领域中，用干涉技术可以构建高分辨率望远镜，以获得更清晰的天体影像。
《双光束干涉》PPT课件
18
返回
菲涅耳双面镜装置示意图
P
s
P1
M1
L
s1
d
s2
C
M2
P2
11/24/2020
r0
19
返回
劳埃德镜示意图
P'
P
s1
d
ML
P0
s2
d'
狭缝S1被强单色光照射，作为单色线状光源；
S1经M所成的虚像S2与S1构成相干光源；
入射角i1接近90o－掠射，可使很小。
注意
•1当1/2屏4/2与020M接触时，P0点出现暗纹，原因是光在M
• 也就是说，凡入射角相同的光，形成同一干涉 条纹。通常把这种干涉条纹称为等倾干涉。
11/24/2020
25
从点光源发出的单条光线的光路
11/24/2020
26
等倾干涉 从点光源发出的锥面上光线的光路
11/24/2020
27
(2) 等倾干涉条纹的特性
• 一等倾干涉条纹的 形状与观察透镜放 置的方位有关。
时，肉眼或探测仪器就将观察不到稳定的条纹分布。 • 因此11/，24为/20了20 产生干涉现象，要求两叠加光束的频率尽量相等6。
(2) 对叠加光束振动方向的要求
• 当两光束光强相等，则条纹可见度为V=cosθ
• 若θ=0，两光束的振动方向相同时，V=1，干涉条纹最
清晰； • 若θ=π/2，两光束正交振动时，V=0，不发生干涉； • 当0＜θ＜π/2时，0＜V＜1，干涉条纹清晰度介于上
• 对应于光源S发出的同一入射角的光束，经平板产生的两束透射
光和两束反射光的光程差恰好相差λ/2，相位差相差π； • 透射光与反射光的等倾干涉条纹是互补的，即对应反射光干涉条
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2. 实验装置 ——光纤化的迈克耳孙干涉仪 Nhomakorabea反
光源
射
镜
探
光纤耦合器
样
测
品
器
光纤聚焦器
电子学系统
计算机
3. 应用
生物 医学 材料科学 ·····
大葱表皮的 OCT 图像 实际样品大小为10mm×4mm，图中横向分辨率约
为20m，纵向分辨率约为25m。
兔子眼球前部的OCT图像
学和度量学的研究, 并精确测出光速, 获1907 诺贝尔物 理奖。
迈克耳孙干涉仪至今仍是许多光学仪器的核心。 爱因斯坦： 我总认为迈克耳孙是科学中的艺术家，他的最大
乐趣似乎来自实验本身的优美和所使用方法的精湛， 他从来不认为自己在科学上是个严格的”专家”，事实上 的确不是，但始终是个艺术家。
许多著名的实验都堪称科学中的艺术，如：全息 照相实验、吴健雄实验、施—盖实验等等。
▲ 光学相干CT — 断层扫描成像新技术 （Optical Coherence Tomography，简称 OCT）
计算机断层成像 （CT-Computed Tomography）
第一代： X射线 CT
射线 CT－工业CT
第二代： NMR CT－核磁共振成像 第三代：光学相干CT－OCT
利用迈克耳孙干涉仪原理测量,空间分辨率可达微米 的量级.
工程光学125典型双光束干 涉系统及其应用
裴索干涉仪
定义：等厚干涉型的干涉系统统称为裴索干涉仪
平面干涉仪
等厚条纹
平晶
球面干涉仪
标准验规 待测透镜
待测工件
暗纹
H
e
Michelson 干涉仪
迈克耳孙在工作
迈克耳孙（
A.A.Michelson ） 1852—1931 美籍德国人
因创造精密光学仪
器，用以进行光谱
相长 相消
等倾和等厚干涉
干涉条纹和虚空气膜的对应关系
迈克耳孙干涉仪
三、应用：
▲ 测量微小位移
以波长为尺度，可精确到
▲ 测折射率： M1
光路a2中插入待测介质，产生 附加光程差
n
a2
l
注意 光通过介质两次 若相应移过 N 个条纹
则应有
由此可测折射率n 。
用迈克耳孙干涉仪测气流
问题 能否根据上述干涉花样描述气流的分布状况？
(2)由于物体变化所产生的多普勒频移信息是载于稳 定的差频上，且其频率较高（几兆至100兆赫）,因此，光 电探测时避过了激光器的低频噪声和半导体器件的高频 噪声区;又利用频率跟踪等外差解调技术大量滤除了宽带 噪声，因此提高了光电信号的信噪比。
(3) 利用多普勒效应，计数器计频率差的变化，不受 激光强度和磁场变化的影响。在光强度衰减90％时仍可得 到满意的信号，这对于远距离测量是十分重要的，同时在 近距离测量时又能简化调整工作。
(4) 测量精度不受空气湍流的影响，无需预热时间。
测量不同结构层面返回的光延迟，只须移动参考 镜，使参考光分别与不同的信号光产生干涉。
分别记录下相应的参考镜的空间位置，这些位置 便反映了眼球内不同结构的相对空间位置。
参考镜
参考臂扫描可得到样品深度
光源
眼 方向的一维测量数据。光束在 睛 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，
可利用迈克耳孙干涉仪原理测量。
光源
参考镜 探测器
当参考光脉冲和信号
光脉冲序列（眼睛的不同 部位反射得到光脉冲序列） 中的某一个脉冲同时到达 探测器表面时,就会产生光 眼 学干涉现象。这种情形, 睛 只有当参考光与信号光的 这个脉冲经过相等光程时 才会产生。
因为10－15 秒的光脉冲大约只有一个波长。
探测器
便可得到样品的立体断层图像 。
（2）样品反射光脉冲强度的处理 不同材料或结构的样品反射光的强度不同。根据反射光
信号的强弱，赋予其相应的色彩，这样便得到样品的假彩 色图。
（3）OCT成像的特点： ▲ 对光程较长的多次散射光有极强的抑制作用。 即使透明度很差的样品,仍可得到清晰的图像。 ▲图像的断层分辨率由光的脉宽决定。
反射镜 M1 虚薄膜
M2
光源 S
半透半反膜
a1′
a1
G1
G2
M2
反
a2 射 镜
补偿板
a2′
E 观测装置
激光器光源
反射镜M1 扩束镜
反射镜M2
分光板 补偿板
观察屏
M2移动导轨
反射镜 M1 虚薄膜
M2
二 、工作原理
光源
S
半透半反膜
a1
G1
G2 M2 反
a2 射 镜
补偿板
a1′ a2′
补偿板作用：补偿两臂的附 加光程差。
1、原理
t
（1）样品反射光脉冲的延迟时间
样
品
样品中不同位置处反射的
光脉冲延迟时间也不同：
d
数量级估计：
要实现微米量级的空间分辨率（即d m），就要
求能测量 t 10 -14 秒的时间延迟。 激光器的脉冲宽度要很小—10－15秒（飞秒）
时间延迟短至10-14-10-15s，电子设备难以直接测量，
睫状体 晶状体上皮 角膜后表面
角膜前表面
外差干涉法 heterodyne interferometer
L1 S
M1
D 频率偏移器
M2
L2
A
B
P
外差干涉的原理
其中
AB
△t T
双频激光干涉仪
双频激光干涉仪的特点
(1) 光电探测器接收信号为交流信号，前置放大器为 高倍数的交流放大器，不用直流放大，故没有零点漂移等 问题。
重要的物理思想＋巧妙的实验构思 ＋精湛的实验技术 科学中的艺术
振幅分割型双光束干涉仪； 许多现代干涉计量仪器的基础。 1 构造和光路
不同方位看到的Michelson 干涉仪装置
B: beam-splitter(分束镜); C: compensator(补偿器); M1, M2: mirrors (反射镜)
光束 a2′和 a1′发生干涉
E 观测装置 十字叉丝
▲ M2、M1平行 等倾条纹
等厚条纹
▲ M2、M1有小夹角 等厚条纹
迈克耳孙等倾干涉
迈克耳孙等厚干涉
三、光程差计算 ∵ M2′M1为虚薄膜，n1=n2=1 ∴ 光束 a2′和 a1′无半波损失且入射角i1等于反射角i2
四、极值条件
若M1平移h时 光程差改变 2h 干涉条纹移过N条