光纤双光束干涉实验

南昌大学实验报告学生姓名：刘pp学号：5502vvvv专业班级：vvvvvvvv实验日期：2014/9/17实验成绩：实验三光纤双光束干涉实验一、实验目的1、掌握双光束干涉测量的原理2、了解利用光纤干涉测量的优点和应用场合二、实验装置He-Ne激光器，透镜，五维微调节架、控件箱（分束器），CCD，监视器，视频线。三、实验原理以光纤取代传统干涉仪的空气光程，构成了光纤双光束干涉仪。由激光器发出的相干光，经分束器分别送入两根长度基本相同的单模光纤（其中一根作测量臂，一根作参考臂），两根光纤的末端会合在一起后，输出的激光束相遇迭加后产生干涉，形成干涉条纹。干涉场的光强：I∝（1+cosθ）当θ=2mπ时，干涉场光强取极大值。m为干涉级次，且满足关系式：m=△L/λ,或：m=v△t当外界因素使测量臂光纤相对参考臂贡献长度改变△L，导致了相对光程时延△t；或者使传播光的频率v或光波长λ发生变化时，都会使m的值变化。He-Ne光纤探测臂分束器参考臂干涉条纹图1光纤双光束干涉仪当波长为λ0的光入射到长为L的光纤时，以光纤的入射端面为基准，则出射光的相位为：ψ=βL=k0nL式中：β——光在光纤中的传播常数k0——光在真空中的传播常数n——光纤芯的折射率L——被测场与测量臂光纤的作用长度光纤在外界因素作用下，相位的变化可以写成如下形式：△ψ=β△L+L△β=ΒL（△L/L）+L(dβ/dn)+L(dβ/dD)△D式中第一项表示由光纤长度变化引起的相位延迟（即应变效应），第二项表示φM1dL2dS1’S2’GSM1’M2REPS’感应折射率变化引起的相位延迟（即光弹效应）；第三项则表示光纤的直径改变（△D）所产生的相位延迟（对应于泊松效应））；一般情况下，直径改变引起的相移量比前面两项要小的多，可忽略不计。从而上式可以简化如下：△ψ=k0nL（△L/L+△n/n)四、实验步骤1、按下图连接好各装置He-Ne分束器显示器CCD图2实验装置图2、调节五维支架，使激光较好的耦合入光纤，观察得到较清晰的干涉条纹为止。五、实验思考1、干涉条纹的宽度与方向与光纤及背景的哪些参数有关？答:与光纤芯的折射率、被测场与测量臂光纤的作用长度以及光的波长等有关。2、干涉条纹对光源有什么原理性要求？答：要求光源具有较好的单色性以提高干涉条纹的对比度,且出射的应为平行光。3、试提出另一种光纤双光束干涉仪的原理方案（例如迈克尔逊干涉仪）。答：迈克尔逊干涉仪（实验五所采用的泰曼-格林系统是迈克尔逊白光干涉仪的简化）（1）原理迈克尔逊干涉仪是应用分振幅法产生双光束以实现干涉的仪器，仪器的光学系统由两个平面反射镜M1和M2及两块材质相同、厚度相等的平行平面玻璃板G1和G2所组成，如右图所示。从光源S发出的光，射到分光板G1上，分光板G1后表面有半反射膜，将一束光分解成两束光；一束为反射光（1），另一束为透射光（2）,他们的强度近似相等。由于G1与M1、M2均成45度角，所以两束光都垂直的射到M1和M2，并经反射后回到G1上的半反射膜，再在观察处E相遇。因为光束（1）、（2）是相干光，若仪器调整得当，便可在E处观察到干涉图样。G2为补偿板，其物理性能和几何形状与G1相同，它的作用是为了补偿光束（2）的光程，使光束（1）和光束（2）在玻璃中的光程完全相等。（2）干涉条纹的形成。由于半反射膜实质上是一块反射镜，它M2在M1附M2近形成一个虚像M'2。由于是从观察处E看到的两束光好像是从M1和M'2射来的，故可将M'2看成一个虚平面。因M'2不是实物，它的表面和M1的表面所夹的空气薄膜可以任意调节如使其平行则形成等厚的空气薄膜，产生等倾干涉；若不平行则形成空气劈尖，成等厚干涉。从而在实验过程中可以观察到不同的干涉图样。等倾干涉使M2垂直M1（即M1平行M'2），S又为面光源时，这就相当于空气平面板所产生的等倾干涉。自M1和M2反射后两光束的光程差（如果光束（1）、（2）在半反射膜上反射时无附加光程差）为idCos2，式中ｄ为M1和M'2间的距离，即为空气膜厚度。I为入射光M1、M'2镜表面的入射角。由上式可知，当d一定时，光程差只决定于入射角。面光源上具有相同倾角I的所有光束的光程差∆也相同，它们在干涉区域里将形成同一条干涉条纹，这种干涉即为等倾干涉。对应不同入射角的光束光程差不相同，形成不同级次的干涉条纹，便得到一组明暗相间的同心圆环，条纹定域在无穷远处，在E处直接用眼睛就可以观察到等倾干涉的同心圆环。等厚干涉当M1、M'2相距很近，并把M'2调成与M1相交呈很小的角度时，就形成一空气劈尖。在劈尖很薄的情况下，从E处便可看到等厚干涉条纹。这时，两相干光程差仍可近似的表示为∆=2dcosi，，在M1和M'2的交线处的直线纹称为中央条纹。在交线上，d=0，光程差∆为零，条纹为一条直线；在交线附近d很小，i的变化可以忽略，即cosi视为常数，条纹为一组近似与中央条纹平行的等间距的直条纹，可视为等厚条纹；离交线较远处d变大，光程差∆的改变，除了与膜厚度d有关外，还受i角的影响，cosi的影响不能忽略。实际上i很小，∆=2dcosi≈2d(1-i2/2)，条纹发生弯曲。六、实验小结通过本次实验，我掌握了双光束干涉测量的原理，进一步熟悉了光纤双干涉仪的应用，并复习了有关迈克尔逊干涉仪的相关知识；同时，实际操作调节实验仪器以观察到较清晰的干涉条纹，也提高了动手能力。