工程光学12-5典型双光束干涉系统及其应用

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等厚条纹待测工件平晶标准验规待测透镜暗纹平面干涉仪球面干涉仪He2Hhe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，用以进行光谱学和度量学的研究,并精确测出光速,获1907诺贝尔物理奖。Michelson干涉仪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。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。1构造和光路振幅分割型双光束干涉仪；许多现代干涉计量仪器的基础。不同方位看到的Michelson干涉仪装置SM1M2G1G2EM2a1a1′a2a2′半透半反膜补偿板反射镜反射镜光源观测装置虚薄膜a45B:beam-splitter(分束镜);C:compensator(补偿器);M1,M2:mirrors(反射镜)激光器光源分光板补偿板扩束镜反射镜M1反射镜M2观察屏M2移动导轨二、工作原理光束a2′和a1′发生干涉▲M2、M1平行等倾条纹▲M2、M1有小夹角等厚条纹补偿板作用：补偿两臂的附加光程差。十字叉丝等厚条纹SM1M2G1G2EM2a1a1′a2a2′半透半反膜补偿板反射镜反射镜光源观测装置虚薄膜a45迈克耳孙等倾干涉迈克耳孙等厚干涉2Nh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i22cos2ih四、极值条件2cos2ih)2,1,0(jj相长2)12(j相消若M1平移h时光程差改变2h干涉条纹移过N条Nh2)(j)(g)(f)(e)(d)(c)(b)(a)(i)(h1M2M1M1M1M1M1M1M1M1M1M2M2M2M2M2M2M2M2M2M)(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)(j干涉条纹和虚空气膜的对应关系等倾和等厚干涉迈克耳孙干涉仪三、应用：▲测折射率：▲测量微小位移ln光路a2中插入待测介质，产生附加光程差ln)1(2由此可测折射率n。以波长为尺度，可精确到20M1a2若相应移过N个条纹Nln)1(2则应有注意光通过介质两次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？▲光学相干CT—断层扫描成像新技术（CT-ComputedTomography）第二代：NMRCT－核磁共振成像第一代：X射线CT射线CT－工业CT计算机断层成像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.第三代：光学相干CT－OCT（OpticalCoherenceTomography，简称OCT）1、原理m/s103228dncdnt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）样品中不同位置处反射的光脉冲延迟时间也不同：s/m108dtmμ/s0141d数量级估计：样品（1）样品反射光脉冲的延迟时间td时间延迟短至10-14-10-15s，电子设备难以直接测量，可利用迈克耳孙干涉仪原理测量。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,就会产生光学干涉现象。这种情形,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。光源探测器参考镜眼睛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。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，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，这些位置便反映了眼球内不同结构的相对空间位置。光源探测器参考镜眼睛▲图像的断层分辨率由光的脉宽决定。▲图像的横向分辨率由光束的直径决定。▲对光程较长的多次散射光有极强的抑制作用。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。（2）样品反射光脉冲强度的处理（3）OCT成像的特点：即使透明度很差的样品,仍可得到清晰的图像。2.实验装置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——光纤化的迈克耳孙干涉仪大葱表皮的OCT图像实际样品大小为10mm×4mm，图中横向分辨率约为20m，纵向分辨率约为25m。3.应用生物医学材料科学·····兔子眼球前部的OCT图像角膜前表面角膜后表面晶状体上皮睫状体外差干涉法heterodyneinterferometerSM1M2D频率偏移器PL2L1AB外差干涉的原理22200(,)(,,)(,,)(,)2(,)cosrrrxyIxytExytExyEExyEt(,)0(,,)(,)xyrititrExytExyeEe(,)2/rxytT其中ABT△t双频激光干涉仪021cos2()Ifft0211cos2()Iffft2vffc2LN(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。(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。双频激光干涉仪的特点马赫曾德干涉仪Mach-Zehnderinterferometer主要用于测量相位物体引起的相位变化全息术：制备全息光学元件、全息光栅化学试剂、生物样本、生物分子空气密度变化