第3章光的干涉2薄膜干涉.ppt

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1、15 分振幅法双光束干涉分振幅法双光束干涉 一、相干光束和光程差一、相干光束和光程差 二、等厚条纹二、等厚条纹 三、等倾条纹三、等倾条纹2 e n n n A反射光反射光2反射光反射光1单色单色(设设n n )S薄膜薄膜1 12 2ein反射光干涉反射光干涉薄膜薄膜ein透射光干涉透射光干涉1 12 2rnirnesinsin2cos2 rnecos2 一、相干光一、相干光束和光程差束和光程差4rnirnesinsin2cos2在确定的角度下观察在确定的角度下观察或说：入射角固定或说：入射角固定则在波长一定的情况下则在波长一定的情况下光程差光程差只取决于薄膜的只取决于薄膜的厚度厚度相同厚度相同

2、厚度的地方对应的地方对应相相同的光程差同的光程差2)等倾干涉等倾干涉薄膜的厚度薄膜的厚度均匀均匀则相同倾角则相同倾角的光线光程的光线光程差相同差相同两个特殊结果两个特殊结果1)等厚干涉等厚干涉5 e n n nA反射光反射光2反射光反射光1入射光入射光(单色平单色平行光垂直入射行光垂直入射)(设设n n )明纹明纹1,2,3,=,22mmne暗纹暗纹0,1,2,2)1 2(22=m mne同一厚度同一厚度e对应同一级条纹对应同一级条纹 等厚条纹等厚条纹1.劈尖干涉劈尖干涉平行光平行光垂直入射垂直入射到劈尖上到劈尖上22 nerad101054二、等厚条纹二、等厚条纹光程差光程差条纹形状条纹形状

3、与薄膜的等厚线相同与薄膜的等厚线相同6el en2)1(22221mnemnemm22nnenl2 条纹条纹间距间距 条纹间距条纹间距me1 me明纹明纹暗纹暗纹l e 相邻条纹的相邻条纹的光程光程差差差一个波长差一个波长7),3,2,1(22mmnem 条纹的移动条纹的移动怎么看条纹移动？怎么看条纹移动？盯住盯住某某一级一级 看看这一级对应的这一级对应的厚厚度度在哪个方向在哪个方向平平移移改变改变楔角楔角条纹疏密的变化条纹疏密的变化nl2 FF变变疏疏变变密密（反映膜的厚度变化）（反映膜的厚度变化）（反映楔角的改变）（反映楔角的改变）明纹明纹暗纹暗纹l 8应用应用测波长测波长 测折射率测折射

4、率测细小直径、厚度、微小变化测细小直径、厚度、微小变化 h待测块规待测块规标准块规标准块规平晶平晶测表面不平度测表面不平度等厚条纹等厚条纹待测工件待测工件平晶平晶LD 思考：思考：怎么判怎么判断楔角断楔角的位置的位置?9光程差：光程差：22 e2.牛顿环牛顿环 eeRRr 2)(222R Rre22(1)mmRrm2)12(22me(2),2,1,0m.S分束镜分束镜M显微镜显微镜o 牛顿环牛顿环装置简图装置简图平凸透镜平凸透镜平晶平晶 erR平晶平晶平凸透镜平凸透镜 暗环暗环 o形状形状第第m个个暗环半径？暗环半径？10白光入射的牛顿环照片白光入射的牛顿环照片11思考：思考：1.定性说明由上

5、图装置得到的定性说明由上图装置得到的 牛顿环条纹形状的疏密情况牛顿环条纹形状的疏密情况2.如果轻轻点一下上透镜的中点如果轻轻点一下上透镜的中点条纹怎样移动条纹怎样移动?12测透镜球面的半径测透镜球面的半径R检验透镜球表面质量检验透镜球表面质量标准验规标准验规待测透镜待测透镜暗纹暗纹 看到了干涉花样看到了干涉花样 您用什么简易办您用什么简易办法判别是上述哪种情况法判别是上述哪种情况?如果待测透镜合格如果待测透镜合格 现象如何现象如何?待测透镜待测透镜暗纹暗纹标准验规标准验规 应用应用13三、等倾条纹三、等倾条纹L fPo r环环 en n n n i C21Siii2cos2rne B rAD薄

6、膜的厚度均匀薄膜的厚度均匀则相同倾角的光线光程差相同则相同倾角的光线光程差相同14观察等倾条纹的实验装置和光路观察等倾条纹的实验装置和光路inMLS f屏幕屏幕15倾角倾角i相同的光线对应同一条干涉条纹相同的光线对应同一条干涉条纹 等倾条纹等倾条纹一系列同心圆环一系列同心圆环内疏外密内疏外密条纹特点条纹特点:形状形状 条纹间隔分布条纹间隔分布 条纹级次分布条纹级次分布 波长对条纹的影响波长对条纹的影响 膜厚变化时膜厚变化时,条纹的移动条纹的移动中间级次最高中间级次最高16iPifor环环en n n n 面光源面光源只 要 入 射 角只 要 入 射 角 i相同相同 都将汇都将汇聚在同一个干聚在

7、同一个干涉环上（非相涉环上（非相干叠加）干叠加）面光源在薄膜干涉中的特殊贡献面光源在薄膜干涉中的特殊贡献应用：应用：增透增透(射射)膜和增反射膜膜和增反射膜 膜厚度均匀膜厚度均匀 垂直入射垂直入射 对某对某个波长增透个波长增透 膜厚至少是多少？膜厚至少是多少？基片基片镀膜镀膜空气空气基nnn017镜头颜色为什么发紫镜头颜色为什么发紫?18如何在实验上区分上述条纹是等倾还是牛顿环如何在实验上区分上述条纹是等倾还是牛顿环?等倾条纹等倾条纹牛顿环牛顿环196 干涉仪干涉仪一、迈克耳逊干涉仪一、迈克耳逊干涉仪二、法布里二、法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪三、光学相干三、光学相干CT 206 干涉仪干涉仪一

8、、迈克耳逊干涉仪一、迈克耳逊干涉仪1.工作原理工作原理光束光束2和和1发生干涉发生干涉12222llntM 122 11 S半透半反膜半透半反膜M2M1G1G2E补偿板补偿板G2的作用的作用无无G2时的光程差：时的光程差：有有G2时的光程差：时的光程差：1222ll 21 获得等倾条纹的条件获得等倾条纹的条件 获得等厚条纹的条件获得等厚条纹的条件 M 1、M2 有小夹角有小夹角 平行光入射平行光入射 十字叉丝十字叉丝等厚条纹等厚条纹 观察条纹移动观察条纹移动2 Nd2.应用应用微小位移测量微小位移测量 测折射率测折射率M 122 11 S半透半反膜半透半反膜M2M1G1G2EM 1、M2平行平

9、行 发散光入射发散光入射M2平移平移 d 时时 干涉条移过干涉条移过N条条则则迈克耳逊干涉仪迈克耳逊干涉仪23利用干涉仪测气体折射率利用干涉仪测气体折射率24用迈克耳逊干涉仪测气流用迈克耳逊干涉仪测气流25迈克耳逊在工作迈克耳逊在工作 迈克耳逊迈克耳逊（A.A.Michelson）美籍德国人美籍德国人因创造精密光因创造精密光学仪器，用以学仪器，用以进行光谱学和进行光谱学和度量学的研究，度量学的研究，并精确测出光并精确测出光速，速，获获19071907年年诺贝尔物理奖。诺贝尔物理奖。26爱因斯坦爱因斯坦:“我总认为迈克尔逊是我总认为迈克尔逊是科学中的艺术家科学中的艺术家，他的最大乐趣似乎来自实验

10、本身的优美和所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使用方法的精湛，他从来不认为自己在科学上是个严格的上是个严格的专家专家，事实上的确不是，事实上的确不是，但始终是个艺术家。但始终是个艺术家。”许多著名的实验都堪称科学中的艺术，如：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，兰姆移位实验全息照相实验，吴健雄实验，兰姆移位实验等等。等等。重要的物理思想巧妙的实验构思精湛重要的物理思想巧妙的实验构思精湛的实验技术的实验技术 科学中的艺术科学中的艺术27二、法布里二、法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪多光束薄膜干涉的应用多光束薄膜干涉的应用基本装置

11、图基本装置图主极大满足的光程差？主极大满足的光程差？原理图原理图irdnABCDmrndCDABncos22未考虑镀膜面对相位的影响未考虑镀膜面对相位的影响28 光学相干光学相干CT 断层扫描成像新技术断层扫描成像新技术（Optical Coherence Tomography简称简称OCT）CT-Computed Tomography 计算机断层成象计算机断层成象第二代：第二代：NMR CT核磁共振成象核磁共振成象第三代：第三代：光学相干光学相干CTOCT 微米量级的空间分辨率微米量级的空间分辨率第一代：第一代：X射线射线CT射线射线CT工业工业CT三、三、“古老古老”原理的现代应用之例原理

12、的现代应用之例29原理原理*样品中不同位置处反射样品中不同位置处反射回的光脉冲延迟时间不同回的光脉冲延迟时间不同*不同的材料或结构反射不同的材料或结构反射的强度不同的强度不同smdncdnt/103228s/10s/m10148ddtd要实现微米量级的空间分辨率要实现微米量级的空间分辨率,即即就要求能测量就要求能测量 秒的时间延迟秒的时间延迟md1410t激光器的脉冲宽度要很小激光器的脉冲宽度要很小1015秒秒 飞秒飞秒30时间延时短至时间延时短至10141015s 电子设备难以直电子设备难以直接测量接测量光源光源探测器探测器参考镜参考镜眼睛眼睛可利用光学迈克耳逊干涉仪原理可利用光学迈克耳逊干

13、涉仪原理只有当参考光与只有当参考光与信号光的某个脉信号光的某个脉冲经过相等光程冲经过相等光程时才会产生光学时才会产生光学干涉现象干涉现象因为因为1015秒秒 的光脉冲大约只有一个波长的光脉冲大约只有一个波长31要测量从眼内不同结构回来的光延迟要测量从眼内不同结构回来的光延迟 只须移动参考镜只须移动参考镜使参考光分别与不同的信号光产生干涉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参考臂扫描可得到样品深度方向的一维测量数据向的一维测量数据光束在平行于样品表面的方向光束在平行于样品表面的方向进行扫描测量进行扫描测量 可得到横向的可得到横向的数据数据将得到的信号经计算机处理便将得到的

14、信号经计算机处理便可得到样品的立体断层图像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这些位置便反映了眼球内不同结构的相对空间位置光源光源探测器探测器参考镜参考镜眼睛眼睛32实验装置实验装置光纤化的光纤化的迈克耳逊迈克耳逊干涉仪干涉仪光源光源电子学系统电子学系统计算机计算机探探测测器器光纤耦合器光纤耦合器样样品品光纤聚焦器光纤聚焦器反反射射镜镜33 大葱表皮的大葱表皮的 OCT OCT 图像图像 实际样品大小为实际样品大小为10mm4mm，图中横向分，图中横向分辨率约为辨率约为20m 纵向分辨率约为纵向分辨率约为25m应用应用生物生物医学医学材料科学材料科学我国第一台我国第一台OCT的第一张图的第一张图 清华原子分子国家重点实验室清华原子分子国家重点实验室34兔子眼球前部的兔子眼球前部的OCT图像图像晶状体上皮晶状体上皮睫状体睫状体角膜后表面角膜后表面角膜前表面角膜前表面清华原子分子国家重点实验室清华原子分子国家重点实验室第第3章结束章结束