迈克尔逊干涉仪的工作原理

3.4典型干涉仪及其应用(typicalinterferometersandtheirapplications)3.4.1迈克尔逊干涉仪(Michelsoninterferometer)3.4.2马赫—泽德干涉仪(Mach-ZehnderInterferometer)3.4.4干涉滤光片(Interferencefilter)3.4.3法布里—珀罗干涉仪(FabryPerotinterferometer)迈克尔逊（1852~1931），美国物理学家，主要贡献在于光谱学和度量学，获1907年诺贝尔物理学奖。迈克尔逊干涉仪是迈克尔逊和莫雷设计出来的一种利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。3.4.1迈克尔逊干涉仪(Michelsoninterferometer)迈克尔逊干涉仪是1881年迈克尔逊设计制作的，它闻名于世是因为迈克尔逊曾用它作过三个重要的实验：3.4.1迈克尔逊干涉仪(Michelsoninterferometer)①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；③首次将光谱线的波长与标准米进行了比较，建立了以光波长为基准的标准长度。3.4.1迈克尔逊干涉仪(Michelsoninterferometer)Gl和G2是两块折射率和厚度都相同的平行平面玻璃板，分别称为分光板和补偿板，G1背面有镀银或镀铝的半反射面A,G1和G2互相干行。1.迈克尔逊干涉仪的工作原理2G1M2M2MⅡⅠ1GALPSD1EC如果调节M2，使得M2与M1平行，所观察到的干涉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，并在中心一一消失。1.迈克尔逊干涉仪的工作原理Bfaf032.gif1M2M1M2MM1每移动一个/2的距离，在中心就消失一个条纹。于是，可以根据条纹消失的数目，确定M1移动的距离。根据(26)式，此时条纹变粗(因为h变小，eN变大)，同一视场中的条纹数变少。1.迈克尔逊干涉仪的工作原理10(26)21NNNfnerrnhN＋（）01125NnrfNnh（）当M1与M2完全重合时，因为对于各个方向入射光的光程差均相等，所以视场是均匀的。1.迈克尔逊干涉仪的工作原理与重合1M2M如果继续移动M1，使M1逐渐离开M2，则条纹不断从中心冒出，并且随虚平板厚度的增大，条纹越来越细且变密。1.迈克尔逊干涉仪的工作原理Bfaf032.gif1M2M迈克耳逊干涉仪的干涉条纹等倾干涉条纹1M2M1M2M与重合1M2M1M2M1M2M如果调节M2，使M2与M1相互倾斜一个很小的角度，且当M2与M1比较接近，观察面积很小时，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。1.迈克尔逊干涉仪的工作原理2G1M2M2MⅡⅠ1GALPSD1EC迈克耳逊干涉仪的干涉条纹1M2MBfaf0424.gif1M2M2M1M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棱一边，同时条纹可见度下降。1.迈克尔逊干涉仪的工作原理1M2M1M2M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。1.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，若要与倾角较小的入射光束等光程差，其平板厚度应增大。1.迈克尔逊干涉仪的工作原理=2nhcos2+/22222coscoshh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，即弯曲方向是凸向楔棱一边。1.迈克尔逊干涉仪的工作原理M2M1等厚线干涉条纹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。1.迈克尔逊干涉仪的工作原理对于楔形板的条纹,与平行平板条纹一样，M2每移动一个/2距离，条纹就相应地移动一个。1M2M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和Ⅱ的不对称性。不加G2时，光束Ⅰ经过G1三次，而光束Ⅱ经过一次。由于G1有一定厚度，导致Ⅰ与Ⅱ有一附加光程差。加入G2后，光束Ⅱ也三次经过同样的玻璃板，因而得到了补偿。1.迈克尔逊干涉仪的工作原理2G1M2M2MⅡⅠ1GALPSD1EC不过，对于单色光照明，这种补偿并非必要，因为光束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。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，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。1.迈克尔逊干涉仪的工作原理1.迈克尔逊干涉仪的工作原理1M2M白光条纹只有在楔形虚平板极薄(M1与M2的距离仅为几个波长)时才能观察到，这时的条纹是带彩色的.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。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Ⅱ之间有一附加光程差/2，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，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。1.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完全分开，并可由一个镜子的平移来改变它们的光程差，因此可以很方便地在光路中安置测量样品。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。1.迈克尔逊干涉仪的工作原理2G1M2M2MⅡⅠ1GALPSD1EC2.迈克尔逊干涉仪应用举例1)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.可移平台激光器M1M2记录仪光电计数器显微镜待测物体1)激光比长仪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。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。可移平台激光器M1M2记录仪光电计数器显微镜待测物体1)激光比长仪这样，利用2hm就可算出待测物体的长度。式中，m是从物体起端到末端记录仪记录的条纹数。2Δ2cos2nhmh2)光纤迈克尔逊干涉仪随着光纤技术的发展，光纤传感器已经获得了广泛的应用。在众多的光纤传感器中，有许多装置的工作原理，实际上是由光纤构成的迈克尔逊干仪。光源L电子学系统计算机探测器D光纤耦合器P样品M1光纤聚焦器反射镜M2马赫一泽德干涉仪是一种大型光学仪器，它广泛应用于研究空气动力学中气体的折射率变化、可控热核反应中等离子体区的密度分布，并且在测量光学零件、制备光信息处理中的空间滤波器等许多方面，有着极其重要的应用。3.4.2马赫—泽德干涉仪(Mach-ZehnderInterferometer)SL1G1W11L2A1M1M2W1W2PNA2G2P1在W2上将形成平行等距的直线干涉条纹(图中画出了两支出射光线在W2的P点虚相交)，条纹的走向与W2和W1所形成空气楔的楔棱平行。3.4.2马赫—泽德干涉仪(Mach-ZehnderInterferometer)当有某种物理原因使W2发生变形，则干涉图形不再是平行等距的直线，从而可以从干涉图样的变化测出相应物理量。3.4.2马赫—泽德干涉仪(Mach-ZehnderInterferometer)在实际应用中，为了提高于涉条纹的亮度，通常都利用扩展光源，此时干涉条纹是定域的，定域面可根据=0作图法求出。3.4.2马赫—泽德干涉仪(Mach-ZehnderInterferometer)SSS0PEdRO1S2S()a当四个反射面严格平行时，条纹定域在无穷远处，或定域在L2的焦平面上；当M2和G2同时绕自身垂直轴转动时，条纹虚定域于M2和G2之间。即通过调节M2和G2，可使条纹定域在M2和G2之间的任意位置上，从而可以研究任意点处的状态。3.4.2马赫—泽德干涉仪(Mach-ZehnderInterferometer)G1M1M2G2定域位置在光纤传感器中，大量利用光纤马赫一绎德干涉仪进行工作。下图是一种用于温度传感器的马赫—泽德干涉仪结构示意图。3.4.2马赫—泽德干涉仪(Mach-ZehnderInterferometer)激光器扩束器分束器温度显微物镜干涉