《光学干涉》课件2

光学干涉光学干涉是一种将两束光波叠加产生干涉图案的物理现象这种现象可以用于度量长度、检测微小变化等诸多领域让我们深入了解光学干涉的原理和应用作者JY JacobYan学习目标掌握光的干涉条件了解薄膜干涉现象理解光波干涉的基本原理及其形成条件学习薄膜干涉效应的产生机理及其在光学领域的应用熟悉干涉仪的原理了解全息原理掌握干涉仪的基本结构及其在测量中的应用学习全息摄影的基本过程及其在各领域的应用光的干涉简介光的干涉是指两束或多束相干光波在空间某一点重叠时产生明暗相间的条纹图案的现象这种干涉现象是由于光波的波动性导致的是光波具有叠加,性质的一种重要表现干涉条纹的明暗位置由光波的相位关系决定能够反映出光波的特性因此,,光的干涉现象在光学和光学测量中具有重要应用光波的干涉条件相干性波长相似传播方向一致相位相差参与干涉的光波需要具有良参与干涉的光波波长应该相参与干涉的光波传播路径应参与干涉的光波相位差应当好的相干性即具有相同的近这样才能产生有意义的该基本平行这样才能在同在零到之间才能产生可,,,2π,振动频率和一定的相位关系干涉图案一区域内产生干涉观察的干涉条纹两光源干涉的条件相位差相干性光强两个光源发出的光波必须具有一定的相干涉要求两个光源具有很高的相干性即两个光源的光强必须接近才能产生明显,,位差才能产生干涉现象相位差决定了光波的频率、振幅和相位保持一定的固的干涉图案光强差太大会导致其中一,干涉条件满足时的亮暗条纹分布定关系相干性决定了干涉条件的满足个光源被淹没无法观察到干涉,程度薄膜干涉原理薄膜反射1当光线入射到薄膜表面时一部分光线会被反射另一部分,,会穿透薄膜反射光和透射光之间会产生干涉相位差2反射光和透射光之间存在光程差从而产生相位差导致干,,涉现象发生干涉条件3当反射光和透射光的光程差等于半波长的整数倍时会产生,强干涉当等于奇数倍的波长时会产生弱干涉;1/4,薄膜干涉现象薄膜干涉是由于薄膜表面反射产生的光波与薄膜内部反射的光波之间产生干涉而形成的一种干涉现象薄膜干涉可以观察到色彩斑斓的图案这种颜色变化与薄膜的厚度和折射率有关,薄膜干涉可应用于测量非常小的膜厚并可用于制造各种光学,滤光片和具有多层薄膜结构的光学器件薄膜光学光薄膜的基本性质薄膜干涉效应光薄膜由一层或多层材料组成由于薄膜表面的反射波与薄膜,可以控制光波的反射、透射和内部反射波的干涉会产生特定,吸收性质它们能调节光的波的干涉图样从而实现对光波的,长、偏振状态和相位等特性调控薄膜的主要应用薄膜光学技术广泛应用于光学滤光器、反射镀膜、光电子器件、光纤通信等领域发挥着重要作用,薄膜干涉应用光学薄膜滤波器光学薄膜镀膜利用薄膜干涉原理制造的光在镜面或镜片表面镀薄膜利,学滤波器可以选择性地反射用干涉效应减少反射损耗提,,或透射特定波长的光线广泛高透过率应用于照相机镜头、,,应用于光学仪器和光通信眼镜等薄膜干涉测厚彩色干涉图案通过薄膜干涉纹样的变化可在平行的玻璃表面之间形成,以准确测量材料表面的微米的干涉条纹会呈现出丰富多级厚度广泛用于半导体制造彩的颜色变化应用于装饰艺,,等领域术品和视觉效果干涉仪原理干涉原理1利用光波的干涉效应来测量物理量的仪器干涉条件2需要有两束光波具有相同的频率和相位差干涉效果3光强在不同位置会发生增强或减弱干涉仪利用光波的干涉效应来测量物理量如长度、温度、压力等它由两束光波组成一束作为基准光另一束作为测量光两束光,,,,经过不同光程后发生干涉从而产生明暗条纹通过分析干涉条纹的变化就可以测量相关物理量,,迈克耳孙干涉仪迈克耳孙干涉仪是由美国物理学家迈克耳孙发明的一种两光路干涉仪它能够精确测量光波长和测定材料折射率的变化该仪器利用光的干涉原理通过调整光路差来观察干涉条纹从而,,测量物理量的变化迈克耳孙干涉仪的结构双光束干涉装置基本结构构造光路设计原理迈克耳孙干涉仪通过将光束分成两路在迈克耳孙干涉仪由光源、分光镜、反射仪器采用半透镜将光束分成两路分别反,,各自的反射镜上反射后再重新汇聚从而镜和观察屏幕等基本部件组成通过精射于两面镜上然后重新汇聚在观察屏上,,,产生干涉条纹这种双光束干涉装置可密调节反射镜位置可观察到清晰的干涉形成干涉条纹图案这种设计可精确测,精确测量光程差条纹量微小位移干涉仪的应用测量物体形状和表面检测材料内部结构干涉仪可测量物体表面的微小变化制造高精度光学器件利用干涉图像可以检测材料内部的缺陷和应力分布,测量温度和压力医疗诊断通过测量干涉条纹的位移可以精确测量温度和压力变化干涉仪可用于眼科诊断、治疗测量和生物组织分析等,劳埃德镜的原理干涉波的产生劳埃德镜利用两束互相干涉的光波来实现测量两束光经过不同光路长度后会产生干涉光波路程差的测量通过调节光路长度差可以测量出样品表面的微小高低起伏,,从而获得样品表面的轮廓信息高灵敏度测量劳埃德镜可以测量出波长级别的微小位移使其在表面形貌,检测、机械零件测量等领域广泛应用劳埃德镜的构造及应用镜体结构应用领域劳埃德镜由两块平行透明平板组成中间夹有一空气层这种劳埃德镜广泛应用于工程测量、振动分析、超精密加工等领域,,特殊的结构能产生干涉条纹用于测量微小位移和变形能精确测量微小位移、应变和变形,非均匀介质中的干涉折射率变化缺陷与应力12当光波在介质的折射率不均材料内部的缺陷或应力会造匀分布的区域传播时会产生成局部折射率的变化从而引,,干涉现象这是由于光在不发干涉条纹的出现这可用同介质中传播的速度不同而于检测材料内部的结构和应引起的力分布温度分布流体运动34热量的分布也会造成介质折流体运动过程中密度和折射射率的变化从而在观察结构率的变化也会造成干涉条纹,,中产生干涉条纹可用于测量可用于观察和分析流体的动,温度场分布态过程多光束干涉多光束干涉是一种复杂的干涉现象它利用多个相干光束之间的干涉来产生复杂的干涉图案这种干涉图案通常具有高对比度和复杂的结构,,能够在许多光学应用中发挥重要作用多光源干涉1利用多个相干光源产生多个相干光束光程差调控2通过调节光程差来控制干涉条件复杂干涉图样3多光束干涉产生复杂的干涉条纹图像多光束干涉在许多光学仪器和应用中发挥重要作用如全息摄影、光学测量、光纤传感以及光学信号处理等领域精细调控多光束干涉条件,可以产生复杂而独特的干涉图样为相关光学技术的发展提供新的思路和应用方向,多光束干涉的应用激光干涉显微成像光谱分析干涉仪应用多光束干涉可用于构建高品多光束干涉可用于高分辨率多光束干涉可用于构建高精多光束干涉可用于改进干涉质激光器提高光谱纯度和输显微成像揭示细胞和材料的度光谱仪实现对物质成分的仪提高测量精度和灵敏度,,,,出功率微观结构精确分析量子干涉效应量子粒子的波动性两个光路的干涉12量子粒子同时具有粒子性和光路的不同会导致量子粒子波动性这使得它们可以发生在到达检测器时发生相干干,干涉效应涉从而产生明暗条纹,相干性的重要性量子计算的基础34量子干涉效应需要量子粒子量子干涉效应为量子计算提在两个光路上保持相干性这供了基础可用于开发量子计,,是观察干涉现象的关键算机和量子信息处理技术全息原理记录全息图1利用光波干涉记录物体的全息图重建全息图2利用同一光源重建物体的图像3D观察全息图3观察全息图会产生物体的成像效果3D全息原理是利用光波干涉的特性通过记录和重建物体的光波信息从而获得物体的真实成像这一过程包括记录全息图、重建,,3D全息图以及观察全息图三个步骤全息技术能够实现无镜头、无投影的真实成像在光学成像、信息存储等领域有广泛应用3D,全息摄影基本过程记录干涉图1首先利用激光光源和物体波与参考波产生干涉条纹将其记,录在感光材料上化学处理感光材料2经过显影、定影等化学处理后感光材料上留下了干涉条纹,的图像重建三维图像3利用同样的参考波照射干涉图即可重建出物体的三维图像,全息摄影的应用医疗诊断产品开发娱乐与艺术全息技术可以创造出三维医疗影像帮助在产品设计和工程中全息技术可用于创全息技术为电影、音乐会和舞台表演增,,医生更好地诊断和治疗疾病这些影像建逼真的三维模型有助于评估设计和模添了视觉冲击力观众可以与生动、逼,可以更精确地展示复杂的内部结构拟产品性能这大大缩短了开发周期真的全息影像互动身临其境,结构光干涉空间干涉相位分布物体重构结构光干涉利用光的空间干涉原理光束通过被测物表面反射后会产生通过分析干涉条纹图可以恢复出被,,,通过分光和合光产生光强分布的规复杂的相位分布经过干涉可以得到测物体的三维形状信息实现非接触,,,则图案用于三维成像和表面形貌测反映被测物表面形状的干涉条纹图式的物体重构,量多普勒干涉测量物体的速度多普勒干涉利用光波频率的变化来测量物体的运动速度这是一种非接触式的测速方法激光干涉测量多普勒干涉通常使用激光作为光源,能够实现高精度的速度检测振动分析多普勒干涉也可以用于测量物体的微小振动,在机械、电子等领域有广泛应用物镜的色散性色散原理色散与像差色散补偿物镜中的光学玻璃会对不同色散也会导致像差使得物通过使用不同折射率的光学,波长的光线产生不同的折射镜难以同时对准不同波长的玻璃组合可以部分补偿色,率导致光束发生色散这光线影响成像质量这是散提高成像质量这种技,,,种色散性可以产生彩色光谱物镜设计中需要权衡的重要术被广泛应用于高质量摄影图像因素镜头和望远镜的设计中一阶光谱干涉波长分离1光源发出的光线通过光栅或棱镜发生衍射和折射干涉条件2满足单缝衍射的干涉条件，形成一阶光谱应用分析3可以用于测量光波的波长和光源的频谱一阶光谱干涉利用光栅或棱镜将光源分解成不同波长的光线，这些光线在干涉条件下发生干涉，形成一个清晰的一阶光谱图像通过分析这个一阶光谱干涉图，可以测量光波的波长，也可以确定光源的频谱特性这是光学干涉的一个重要应用高次光谱干涉光路差的积累随着光路差的增加干涉条纹的频率也随之提高会出现高次,,光谱干涉反射光的叠加在大光路差下多次反射光的干涉会产生高频的光谱干涉条,纹散射光的干涉不同角度的散射光也会产生高次的干涉条纹反映出材料的,内部结构干涉色散仪原理结构12干涉色散仪利用干涉条纹与由分光棱镜和干涉仪组成通,物质色散原理可以快速、精过干涉和色散产生彩色干涉,确地测量光谱线的波长和强条纹谱度应用3广泛应用于光谱分析、天文学观测、气体成分检测等领域干涉光谱分析谱线分析高分辨率傅里叶变换技术干涉光谱分析通过观察光谱中的干涉条利用干涉原理干涉光谱分析可以实现高结合傅里叶变换技术干涉光谱分析可以,,纹图案可以精确测量光源的波长和频率达百万分之一的光谱分辨率远优于常规快速获取高质量的光谱数据用于物质成,,,这种方法广泛应用于物质成分检测、天光谱仪的性能这使其能够研究复杂光分鉴定和气体检测等应用文观测等领域源的细节结构干涉光在生物医学中的应用细胞成像和诊断微创治疗实时监测干涉光可用于对细胞和组织进行高对比利用干涉光束进行精准的激光手术可以干涉光能够精准测量生物组织的变化可,,度的成像有利于医学诊断和研究最小化损伤提高治疗效果用于持续监测生理指标,,。