《光的干涉和干涉仪》课件

光的干涉和干涉仪光波在传播过程中会发生干涉现象,这是由于光波的叠加造成的干涉仪可用于测量微小长度变化,在光学测量和干涉分析中有广泛应用作者JY JacobYan引言光干涉概念干涉仪应用干涉仪原理光干涉是光波相互作用的一种重要现象当光干涉原理被广泛应用于干涉仪,用于测量干涉仪通过分裂和合并光束的方式,利用光两束相干光线叠加时，会产生明暗相间的干长度、角度、振动等物理量干涉仪广泛应波的干涉原理测量物理量本节课将系统介涉条纹这为光学测量和成像技术提供了重用于光学、机械、天文等领域,在现代科学绍光的干涉现象及其在干涉仪中的应用要的基础技术中发挥着重要作用光的干涉概念光的干涉是指两束光波相遇时产生的相互作用现象当两束具有相同频率和振幅但相位不同的光波叠加时,会产生明暗条纹的干涉图案这种干涉现象是由于光波的振动会发生相互增强或相互抵消的结果干涉现象显示了光的波动性质,并为研究光的特性和测量光学参量提供了有效方法理解光的干涉概念对于学习后续的干涉仪原理和应用非常重要光的干涉条件相干性光路差光强度光源需具有良好的相干性,波长稳定,相干涉光束之间光路差必须小于相干长度,干涉光束的光强需足够,才能产生清晰可位关系明确以确保光照射区域内干涉条纹清晰可见见的干涉条纹光源要求高度相干大功率光源波长一致性良好,光波相位关系密切为获得较强干涉图案,光源需提供足够的光能量小点光源良好的时间和空间相干性光源需尽可能小,以减小光源本身的衍射影响光源的时间和空间相干性决定了干涉图案的清晰度干涉光路的要求波长一致性空间相干性时间相干性光路差控制干涉光需要具有相同波长和频干涉光需要在空间上保持相干干涉光需要在时间上保持相干要使干涉光产生可观察的干涉率,即单色性这样才能产生性,即具有固定的相位关系性,即光波之间的相位差随时图案,需要精细控制光路差,使稳定的干涉条纹这样光波才能叠加干涉间变化很小这样干涉条纹才其小于相干长度能持续稳定干涉图案的特点干涉图案呈现出明暗相间的条纹图案,其中明条对应于光强度的峰值,暗条对应于光强度的谷值这些明暗条纹的周期和密度取决于光源的波长以及光路差的大小干涉图案的特点包括高度的可见性、明暗交替的周期性以及与光学路程差的密切关联干涉图案的观测干涉光源准备干涉图案观察首先需要准备能产生高度干涉的光源,如激光或者非常窄线宽的光源在屏幕或干涉仪视野中仔细观察干涉条纹的形状及其变化123干涉光路调整根据不同的干涉仪,调整干涉光路使两束光能完全重叠并干涉双缝干涉实验布置实验在一个光屏上打开两个小孔,从光源发出的光经过这两个小孔后会在屏幕上产生干涉图案1光路分析2从光源发出的光线经过两个小孔后会发生干涉,形成明暗相间的条纹图案观察特点3干涉条纹的间距与光线波长和小孔间距有关,可以用来测量波长双缝干涉实验是研究光的干涉现象的经典实验通过在光路中设置两个小孔,可以观察到在屏幕上形成的明暗相间的干涉条纹图案这种干涉图案的特征与光源波长和小孔间距有关,可以用来测量光的波长单缝干涉实验发射单缝利用单狭缝作为发射源,产生球面波干涉图案形成球面波在远场会形成干涉图案,出现明暗相间的条纹分析干涉条纹可测量干涉条纹的间距,并分析光波的波长和单缝宽度的关系薄膜干涉实验光膜反射1薄膜表面的反射产生干涉光程差2反射光程差与薄膜厚度有关干涉条纹3光程差变化导致干涉条纹形成薄膜干涉实验利用薄膜表面反射产生的光程差来形成可观察的干涉条纹这种条纹图案能够揭示出薄膜的厚度和折射率等性质实验中常使用金属膜、油膜、肥皂膜等,通过观察不同条件下的干涉条纹变化,可获取薄膜的重要参数菲涅耳双镜干涉仪菲涅耳双镜干涉仪是一种常见的干涉仪它利用两面镀膜的玻璃片作为反射镜,通过反射产生干涉条纹这种干涉仪结构简单、制造容易、调整方便,在光学测量中广泛应用菲涅耳双镜干涉仪的光路设计巧妙,能产生高对比度的干涉条纹通过调节两个镜片之间的间距,可以获得不同间距下的干涉条纹,从而应用于各种光学测量迈克尔逊干涉仪结构设计光路设计广泛应用迈克尔逊干涉仪由光源、半透明镜、两块反光源发出的光被半透明镜一分为二,一束直迈克尔逊干涉仪应用广泛,可用于精密测量射镜和观察屏幕组成光经半透明镜分成两射到固定镜上反射,另一束则反射到可移动长度、折射率测量、天体物理观测、激光频束,分别反射回来并在观察屏幕上干涉形成镜上反射,两路光再汇聚在观察屏幕上产生率测量等领域,是一种重要的光学测量仪器条纹图案干涉条纹迈克尔逊干涉仪的原理光束分割入射光被一半反射、半透射分成两束光反射光路一束光反射回来后与另一束光产生干涉干涉图案两束光波叠加后形成明暗交替的干涉图案迈克尔逊干涉仪的结构分光器反射镜12迈克尔逊干涉仪使用一个部分反射、部分透射的分光器将单两束光线分别反射在固定反射镜和可移动反射镜上一光束分成两束再合并观察34两束反射光线最终在分光器处重新合并,产生干涉图案干涉图案可以在观察屏幕上观察到,或利用光电探测器进行检测迈克尔逊干涉仪的应用测量波长测距离测温度检测小变化迈克尔逊干涉仪可以精确地测利用干涉条纹可以测量物体的通过光路长度的变化可以测量微小的位置变化或应力变化会量光波的波长,这在光学研究位置和移动距离,这在机械制物体的温度变化,应用于工业引起干涉条纹的变化,可用于和分光学领域有广泛应用造、工程测量等领域非常有用过程监测和控制材料科学、生物医学等领域的高灵敏度检测拉曼干涉仪拉曼干涉仪是一种利用拉曼散射效应原理进行光学测量的干涉仪它通过检测物体表面微小位移引起的光强或频率的变化,实现对物体微小形变的高精度测量拉曼干涉仪可以精确测量超小位移,测量精度可达皮米级这种干涉仪广泛应用于光学精密测量、高能物理实验、半导体工艺控制等领域它是一种非接触、高精度的测量工具,在纳米技术及精密仪器制造方面扮演着重要角色拉曼干涉仪的原理激光光源光路分配光程差调节拉曼干涉仪使用单色高亮度的激光作为光源，激光束被半反镜分成两束，一束作为参考光，两束光经反射后在检测面上发生干涉，通过保证光波干涉的高对比度另一束作为测量光调节光程差可获得干涉图案拉曼干涉仪的结构激光源光路分割拉曼干涉仪采用单色激光光源,提光线经过半透明镜分割成两束,形供高度单一的频率光波成参考光和测量光光路重合探测器两束光线经反射镜重新汇合在探利用光电探测器记录干涉条纹,并测器上,产生干涉条纹转换为电信号输出拉曼干涉仪的应用材料成分分析薄膜厚度测量拉曼干涉仪可用于检测物质的化通过分析薄膜反射光的干涉条纹,学成分和浓度,广泛应用于材料科拉曼干涉仪能精确测量纳米级薄学、化工、医疗等领域膜的厚度生物医学诊断机械测量拉曼干涉技术可用于检测生物样拉曼干涉仪可用于高精度机械参本中的微量成分,在生物医学领域数测量,如表面形状、平面度、粗显示出广阔的应用前景糙度等激光干涉测量技术高精度测量动态测量12激光干涉仪可以提供纳米级的激光干涉能够进行动态测量,实测量精度,用于精密工程、表面时捕捉对象的位移、振动和变形貌分析等领域形等信息远程测量非接触测量34激光束可以在较长距离内传输,激光干涉技术可以对移动或振可远程测量大尺度对象的特性动的物体进行无接触测量,避免了干扰激光干涉测距高精度测量非接触式测量动态测量高可靠性激光干涉测距可以实现微米级激光干涉测距无需与目标物接激光干涉测距可以动态、实时激光干涉测距系统可靠性高,的高精度测量,远超传统测量触,可以远程、快速、无损地地监测物体位置的变化,用于抗干扰能力强,可以长期稳定工具这得益于激光波长的稳获得测量数据,适用于各种复振动分析、形位偏差测量等应工作,满足苛刻的工业测量要定性和干涉测量的精确性杂环境用求激光干涉测角高精度角度测量简单可靠的测量方式广泛的应用领域激光干涉测角利用光波干涉的原理精确测量激光干涉测角测量装置结构简单、操作方便,激光干涉测角广泛应用于机械制造、航天航角度变化,可以达到微弧度级别的测量精度,无需接触被测对象,能够远程自动化进行测空、光学仪器等对角度测量精度有极高要求适用于需要超高精度角度测量的领域量,是一种理想的高精度角度测量技术的领域,为这些行业提供关键的测量支持激光干涉测振精准测量激光干涉测振可以实现微米级的振动位移测量精度实时监测该技术可以连续实时监测微小振动信号的变化非接触式无需与待测物接触就能完成振动测量,不会对被测物产生干扰激光干涉测形高精度测量快速测量12激光干涉测形技术可以实现微整个表面可以在几秒钟内完成米级甚至纳米级的高精度测量,扫描,大大提高了测量效率适用于检测复杂表面形貌非接触式三维重建34该技术无需与待测物接触,避免通过数据处理可以还原出被测了机械接触可能造成的损坏对象的三维立体形状,为产品检测与质量控制提供重要依据干涉仪的误差分析系统误差随机误差仪器误差环境误差干涉仪设计和制造过程中难免干涉仪测量过程中还会受到环干涉仪的各种测量元件,如光实验环境的温度变化、气压变会存在一些固有的系统误差,境因素如温度、湿度、振动等学尺、干涉条纹检测器等,都化、机械振动等因素都可能引如光路错位、光学元件的不完的影响,导致测量结果存在随有自身的仪器误差,这些误差起干涉条纹位置的变化,从而美等,这些误差需要仔细测量机误差需要采取措施降低这也需要通过校准和补偿来降低产生测量误差和校正些干扰干涉仪的校准定期校准理想干涉图案使用参考光源为确保干涉仪的精度和可靠性,需要定期进校准过程中,需要观察干涉图案是否符合理选用标准化的参考光源进行校准,可以确保行校准,以校正任何误差或偏差想状态,以确定仪器是否正常工作干涉仪测量的准确性和可重复性干涉仪的维护定期检查清洁保养定期检查干涉仪的各个部件,确保对光学表面和配件进行定期清洁,光路没有受损或偏离,确保机械部防止灰尘或污渍影响测量精度件运转正常环境调控校准维护确保干涉仪所处环境温度、湿度、定期校准干涉仪,确保测量结果准振动等参数稳定,避免外界环境干确可靠,避免测量误差积累扰测量干涉仪在实际应用中的局限性环境条件严格干涉仪对环境温度、湿度、振动等极其敏感,要求环境条件非常稳定测量范围有限干涉仪的测量范围受限于光程差的大小,无法进行大距离测量结构复杂干涉仪的光路结构复杂,对光路调节和校准要求很高,使用和维护难度大课后练习为了巩固对本课内容的理解和掌握,老师给出了一系列课后练习题这些练习涵盖了干涉光路的搭建、干涉条件的分析、干涉图案的观测和测量等方面同学们需要运用所学知识,动手操作并撰写实验报告,检查自己的学习效果此外,还有一些计算题和思考题,要求同学们应用公式,分析干涉现象的原理,对实验结果进行合理解释通过这些练习,同学们可以更深入地理解光的干涉和干涉仪的相关概念,为后续的学习打下坚实的基础总结通过对光的干涉和各种干涉仪的学习,我们全面掌握了光干涉的基本原理和应用从光源的要求、干涉条件、干涉图案的形成到各种干涉仪的工作原理和应用,我们对光干涉技术有了深入的理解这为我们未来在精密测量、光学成像等领域的应用奠定了坚实的基础。