5甲型光学第五章干涉装置

第5章干涉装置分波前的干涉装置分振幅的干涉装置光波场的空间相干性光波场的时间相干性5.1干涉装置•最典型的是杨氏装置•将每一列光波分为两列，或多列•这些光波列之间有相关联的相位，因而是相干的•所有的干涉装置都是按照这一思路设计的5.2分波前的干涉装置•一．杨氏干涉（双孔干涉或双缝干涉）•每一孔或狭缝都是从光源发出的波场中的一点，相当于将波前分割，然后相遇、交叠，进行相干叠加。•称为分波前的干涉。•关键是设法获得两个或更多个相干的波列。菲涅耳（Fresnel）双镜1M2M1S2SS2rO重叠区域出现干涉条纹由图可见，∠S1OS＝2α，∠S2OS＝2α＋2ε，所以∠S1OS2＝2ε两反射镜面间夹角ε，光源到两镜面交线距离为r,找到S1,S2就等同杨氏了122sin2dSOSrcosDLrdDLDxd两光源间隔光源到接收屏距离条纹间距MLloydMirrorSSM0L2L1Ldh中央条纹是暗点半波损失h菲涅耳（Fresnel）双棱镜n(1)n(1)n平行光的干涉S1S1S(1)hnllh两个球面波的干涉梅斯林（L.Meslin）对切透镜SSS发散光源汇聚光源1r2r2ikre1ikre比累(Billet)对切透镜：虚像干涉1F2F1F2FS1S2S光轴1光轴2L2L1虚像的干涉区域发散球面波的干涉比累对切透镜：实像干涉1F2F1F2FS1S2S实像的干涉区域汇聚球面波的干涉5.3薄膜干涉•光波在介质的界面处分为反射和折射两部分，折射部分再经下界面反射，然后又从上界面射出。•由于这些光都是从同一列光分得的，所以是相干的。•这些光是将原入射光的能量（振幅）分为几部分得到的，被称为分振幅的干涉。光波在薄膜上的多次反射与折射薄膜干涉的复杂性•仅仅从一个点光源发出的光波，经过薄膜不同表面的多次反射就可以在各处进行干涉•所以，要采用一定的方法或装置，观察某一类光波的干涉S两类典型的薄膜干涉•用特殊的方式，可观察到不同类型的干涉•一、相互平行的光波之间的干涉二、不同的光波在薄膜表面处的干涉透明薄膜的干涉•光波在薄膜的两表面间可多次反射，有多列（上表面）反射光和（下表面）透射光•透明薄膜，透射率接近于1，反射率很小A1234561234561AAr2AAtrt33AAtrt221nnnAArAr(2)n21(1)AAttAr22221(1)AArArr221nnnAArAr振幅相差太大干涉效果不显著rrttt1rAttr2(1)Arr32(1)Arr3Attr12~AAStocks倒逆关系•入射波振幅为A。•r，r′，t，t′：界面对复振幅的反射率和透射率。02rAtArtAtAtAr210rttrrrrAArAttAtArrArtrAt光路可逆原理。21rttStocks倒逆关系22rr等倾干涉•在薄膜上方放置一凸透镜，在凸透镜的像方焦平面观察干涉条纹。•此时只有相互平行的光才能相遇，进行叠加。•相互平行的光有相同的倾角，故称等倾干涉。ABCD1P1i2i2i2i1i2P1i薄膜面积比光波长大得多，可以应用反射折射定律2cos/2ihBCAB121sin2tansinADACihii光程差21()LnABBCnAD1n2n3nABCD1i2ih2i1i212122(tansin)cosnLhniii)sin(cos222222innih等倾光波的光程差)sin1(cos22222iihnL222222(sin)coshnnii22cos2ihn222211222sin/2(21)2cos/22jhnnijnhi干涉相长干涉相消或122122sin2innh222222sin2innh由于反射，记入半波损失左边半波移到右边，和原先相反相互平行的光，汇聚到焦平面上同一点；系统是轴对称的，所以干涉条纹是同心圆环。同一倾角的光是同一干涉级，故称等倾干涉。1S2S等倾干涉的条纹是同心圆环S透反镜等倾干涉的观察装置等倾条纹的特性•光强分布由双光束干涉决定，即•光程差22212122cos()IAAAAAkL2211222sin/22cos/2Lhninhi1i1i1i1i1i屏上条纹对透镜光心的张角1i1i2i2n1n2)12(cos222jihn2222sinnhii222sin2ihni第j级亮条纹相邻条纹间的角距离2211sinsininin211221coscosiinini中心处条纹较稀疏。Deltai2大膜厚增大，条纹变密。中心处级数最高n2,hnochange,i2→90j1j1i1ijiihn)cos(22222/sin2222iihn2224sininhi条纹的角宽度（亮条纹中心到相邻暗条纹中心的角距离）2)12(cos222jihn亮纹暗纹膜厚增大，条纹细锐中心条纹没有周围细锐原来是第4级条纹的位置现在是第5级，4、3、2、1级分别向外移动一条，故看到条纹自内向外冒出若h则m动态反应002Lnhm考察中心点2hn01m中心级次等厚干涉•定域在薄膜上表面的干涉条纹。2/cos222ihn2)12(j22cos2ihnABCD1n2n1i2ih2i2cos/2ihBCAB1i1sinDCACi212tansinhii2)12(j22cos2ihn厚度相等的地方，是同一级亮条纹。故称等厚干涉。是一系列等间距的平行直条纹hxhn22垂直入射2)12(jhn22sin2sin2nhx相邻条纹的厚度差（1）劈尖愈厚处条纹级别愈高（2）棱边处h=0对应着暗纹讨论：mh1mhh12354（3）相邻两明（暗）纹间对应的厚度差为2h越小，越大，条纹愈清晰（4）相邻两明（暗）纹间距2sin2xnn（5）动态反应（6）复色光入射得彩色条纹h(平移提升），条纹移向棱边（厚度小的方向）x,xmhmPmP定级考察mh∝j,同样位置h大j大，原先j向劈尖移，见下图白光入射单色光入射肥皂膜的等厚干涉条纹分振幅的干涉装置•Michelson干涉仪•Mach－Zehnder干涉仪•干涉滤波片•NewtonRing干涉装置1M2M2M2G1G空气薄膜（没有半波损失）2cosLhijMichelson干涉仪补偿板分光板接收装置Michelson干涉仪装置示意图Na灯的干涉条纹白光的干涉条纹干涉条纹的特征迈克耳逊干涉仪是严格的双光束干涉装置。干涉等效于空气中的空气薄膜干涉。一、平行等倾圆条纹(1)条纹特征同前（中疏边密；中高边低）(2)等倾圆条纹的变化d每减少/2：视场中心内陷一个条纹，视场内条纹向中心收缩，条纹变稀疏d每增加/2：视场中心外冒一个条纹，视场内条纹向外扩张，条纹变稠密二、交叉等厚干涉条纹若d大时,由于使用的扩展光源,空间相干性极差,干涉消失；d,出现凸向空气膜薄边、弧状的干涉条纹，朝背离交线的方向（向左）平移；d,Ｍ1Ｍ2相交,出现等厚直条纹；d,出现凸向空气膜薄边、弧状的条纹，朝交线的方向（向左）平移在Ｍ1Ｍ2的相交处,两光等光程,即干涉仪两臂等光程,不论哪种波长,交点处都是等光程点，该处是暗纹，周围彩色分布，常用来确定等光程点的位置。1、Ｍ1Ｍ2不平行,d？2、白光做光源？Michelson干涉仪的干涉花样等厚条纹的弯曲2)12(j22cos2ihn向正上方的光线20i偏向的光线20i2cos1i2cos1i对同一级条纹，为满足等光程条件，厚度h要增加于是条纹向膜厚处弯曲马赫－曾德尔干涉仪1M2M1BS2BSSample等离子体利用干涉相长或干涉相消原理，对某些波长增透或增反，制成光学镜头或反射镜以及滤光镜。现在多利用多层膜制作增透或增反的滤波片干涉滤波片反射光：一列在球面被反射，另一列在平面被反射，有半波损失(透射没有损失）。hRjrhhR由相交弦定理2(2)jhRhrhRRhrj2亮条纹的光程差2/2Lhj)2/(jRrjNewtonRing半径Newton环干涉装置第j级条纹（圆环）的直径透射光：一列直接透过，另一列在平面和球面间反射后透过，由于两次反射，无半波损失。NewtonRing半径Rjrjj=0，1，2，3……)2/(jRrj反射光j=0,1,2……可测球面透镜曲率半径R。反射光与透射光是互补的讨论***m=j（2）愈往边缘，条纹愈密012345……（1）牛顿环中心是暗点愈往边缘，条纹级别愈高级别与等倾反(0,1)minmrmRm122mmmdrRRrdmmrListoftypesofinterferometers•Fieldandlinearinterferometers•Intensityandnonlinearinterferometers•Quantumopticsinterferometers•InterferometersoutsideopticsFieldandlinearinterferometers•Astronomicalinterferometer/Michelsonstellarinterferometer•Classicalinterferencemicroscopy•Cyclicinterferometer•Diffraction-gratinginterferometer(whitelight)•Double-slitinterferometer•Fabry-Perotinterferometer•Fizeauinterferometer•Fourier-transforminterferometer•Fresnelinteferometer(e.g.Fresnelbiprism,FresnelmirrororLloyd'smirror)Fieldandlinearinterferometers•FringesofEqualChromaticOrderinteferometer(FECO)•Gaborhologram•Gires-Tournoisetalon•Heterodyneinterferometer(seeheterodyning)•Holographicinterferometer•Linnikinterferometer(microscopy)•Mach-Zehnderinterferometer•Martin-Puplettinterferometer•Michelsoninterferometer•Mirauinterferometer(alsoknownasaMirauobjective)(microscopy)•Moireinterferometer(seeMoirepattern)•Multi-beaminterferometer(microscopy)•Near-fieldinterferometer•Newtoninterferometer(seeNewton'srings)•NonlinearMichelsoninterferometer/Step-phaseMichelsoninterferometerFieldandlinearinterferometers•Phase-shiftinginterferometer•Planarlightwavecircuit(PLC)interferometer•Polarizationinteferometer(seealsoBabinet-Soleilcompensator)•P