典型干涉仪及其应用PPT学习教案

兔子眼球前部的OCT图像
睫状体 晶状体上 皮 角膜后表 面
角膜前表 面
第21页/共54页
2.4.2 马赫-泽德干涉仪(Mach-Zehnder)
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。特别是，它已在光纤传感技术中被广泛采用。
时间延迟短至10－14—10－15s，电子设备难以直接测量， 可 利 用 迈 克 耳孙干 涉仪原 理测量 。
参考镜
光源
探测器
因为10－15 秒的光脉冲大约只有一个波长。
• 当参考光脉冲和信号光脉冲 序列（眼睛的不同部位反射 得到光脉冲序列）中的某一 个脉冲同时到达探测器表面 时,就会产生光学干涉现象
•迈克尔逊-莫雷以 太漂移 实验；
•第一次系 统地研 究了光 谱精细 结构； •首次将光 谱线的 波长与 标准米 进行比 较，建 立了以 波长为 基准的 标准长 度
8/4/2021
迈克耳孙在工作
第2页/共54页
1 迈克尔逊干涉仪
8/4/2021
迈克尔逊 干涉仪 至今仍 是许多 光学仪 器的核 心。
珀罗标准具。
第28页/共54页
F-P与MK干涉条纹比 较
相同点：
等倾干 涉，F-P相邻两 透射光 的光程 差表达 式与MK干涉 仪的完 全相同 ，所以 条纹的 形状、 间距、 径向分 布很相 似。 单色面 光源。
8/4/2021
不同点：
等振幅的双光束干涉、条纹宽模糊、可见度较差
MK:
振幅急剧减少的多光束干涉、亮条纹细锐，可见度好
四个反射面通常安排成近乎 平行，其中心分别位于一个 平行四边形的四个角上，平 行四边形长边的典型尺寸是 1-2m；
光源S置于透镜L1的焦平面上。 SA由A的发12M两上透出1光分 射、的相成，A光遇2两进反束，束入射经产，透和L生1它镜由准干们LM直2涉，分2后反。出别在射射、
第23页/共54页
马赫-泽德干涉仪也是一种分振幅干涉仪，与迈克尔逊干涉仪相比， 在光通量的利用率上，大约要高出一倍。
这是因为在迈克尔逊干涉仪中，有一半光通量将返回到光源方向，而马 赫-泽德干涉仪却没有这种返回光源的光。
结构示意图
8/4/2021
第22页/共54页
马赫-泽德干涉仪结构示意图
8/4/2021
G面1A、1、G2A是2的两平块行分平别面具玻有璃半板反；射 M1、M2是两块平面反射镜；
当有某种 物理原 因(例如 ，使W2通过 被研究 的气流) 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(例如 ，所研 究区域 的折射 率或密 度)的变 化。
8/4/2021
第24页/共54页
条纹的定域问题
8/4/2021
在实际应用中，为了提高 干涉条纹的亮度，通常都 利用扩展光源，此时干涉 条纹是定域的。
(2 j 1)
2
若M1平移 d时，光程差改变2 d
( j 0,1,2)
2d N
d N
干涉条纹 移过N 条
2
第9页/共54页
(a)
(b)
(c)
(d )
(e)
干
涉
条
纹
和
虚
空
(f)
(g)
(h)
(i)
( j)
气
(a)
(b)
(c)
(d )
(e)
膜 的 对
M1 M 2
M1 M 2
M1 M 2
M 2 M1
要 实 现 微 米量 级的空 间分辨 率（即 d m），就 要 求 能 测 量 t 1 0 - 14 秒 的 时间 延迟。
2nd 2nd t c 3108 m/s t 108 d s/m 10 14 d s /μ m
激光器的 脉冲宽 度要很 小—10－15秒（飞秒）
第15页/共54页
8/4/2021
（3）OCT成像 的特点 ：
▲
对光程较长的多次 散射光 有极强 的抑制 作用。
即使透明 度很差 的样品,仍可得 到清晰 的图像 。
▲
图象的断层 分辨率 由光的 脉宽决 定。
▲
图象的横向分辨率 由光束 的直径 决定。
8/4/2021
第18页/共54页
8/4/2021
2. 实验装置
——光纤化的迈克耳孙干涉仪
光源
反射镜
探测器
光纤耦合器
电子学系统
光纤聚焦器 计算机
样品
第19页/共54页
3. OCT应用
生物 医学 材料 科学 · ····
实际样品大小为10mm×4mm， 图中横 向分辨 率约为2 0 m，纵向分 辨率约 为25 m。
大葱表皮 的 OCT 图像
8/4/2021
第20页/共54页
8/4/2021
问题: 能否根据上述干涉花样描述气流的分布状况？
第13页/共54页
8/4/2021
▲ 光学相干CT — 断层扫描成像新技术
（Optical Cohe rence Tomograph y，简 称 OCT ）
计算机断 层成像 第一代： X 射线 CT
第二代： NMR CT－核 磁共振 成像 第三代： 光学相 干CT－ OCT
M 2 M1
应 关
M1
M1
M 2
M 2
M 2
系
M 2
M 2
M1
M1
M1
(f)
(g)
(h)
(i)
( j)
返回
第10页/共54页
8/4/2021
6 迈克尔逊干涉应用
▲ 测量微小位移仪- -激光比长仪
精度：人眼观测/2，光电管：/20,光电外差法/1000 。
在图2-34所的装置中，光 电计数器用来记录干涉条
8/4/2021
在光纤传感器中，大量 利用光纤马赫-泽德干 涉仪进行工作。
图2-38是一种用于温 度传感器的马赫-泽德 干涉仪结构示意图。
由激光器 发出的 相干光 ，经分 束器分 别送入 两根长 度相同 的单模 光纤。
参考臂光纤不受外场作用
； 信号臂放在需要探测的温
度场中；
由二光纤出射的两个激光
返回
第3页/共54页
8/4/2021
2、仪器结构、光路
反射镜
M1 虚薄膜
M2
光源
S
a
半透半反膜
a1
G1 45 G2
M2
a2
反 射
镜
补偿板
a1′ a2′
E 观测装置
第4页/共54页
8/4/2021
第5页/共54页
反射镜 M1 虚薄膜
M2
光源
S
a
半透半反膜
a1 G1 45 G2 M2 反
a2 射 镜
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(图2-37)。
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。
第25页/共54页
马赫- -泽德光纤干涉 仪
利用迈克耳孙干涉仪原理测量,空 间分辨 率可达 微米的 量级.
（CT-Computed Tomography ） 射线 CT－工业CT
第14页/共54页
8/4/2021
1、原理
（1）样 品反射 光脉冲 的延迟 时间 t
样品 样品中不 同位置 处反射 的光脉 冲延迟 时间也 不同：
d
数量级估 计：
工作原理
假设S是一个单色点光源， 所发出的光波经L1准直后入 射到反射面A1上，经A1透射 和反射、 并由M1和M2反射 的平面光波的波面分别为W1 和W2； 一般情况 下，W1相对于 A2的虚像W１’与W2互相 倾斜， 形成一 个空气 隙，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W 2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。
两镀膜面 应精确 地保持 平行， 其平行 度一般 要求达 到λ (1/ 20-1/100)。- -为了得到尖 锐的条 纹
干涉仪的 两块玻 璃板(或 石英板 )通常 制成有 一个小 楔角(1′-10′)， 以避免 没有镀 膜表面 产生的 反射光 的干扰 。
8/4/2021
两板之间的光程可以调节 - -法布里-珀罗干涉仪； 如果两板间放一间隔圈，使板间的距离固定不变- -法布里-
1.法布里- -珀罗干涉仪的结构 2.法布里- -珀罗干涉仪的应用
研究光谱的超精细结构 激光器的谐振腔
8/4/2021
第27页/共54页
1.法布里- -珀罗干涉仪的结构
主要由两块平行放置的
平面玻璃板或石英板G1、
G2组成，如图2-39所
示。 两板的内表面镀银或铝膜，或多层介质膜- -提高表面反射率。
眼睛 。
• 这种情形,只有当参考光与 信号光的这个脉冲经过相等 光程时才会产生。
第16页/共54页
测量不 同结构 层面返 回的光 延迟， 只须移 动参考 镜，使参 考光分 别与不 同的信 号光产 生干涉 。
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。
补偿板
a1′ a2′
E 观测装置
3、工作原理
补偿板作 用：补 偿两臂 的附 加 光程差 。
没有补偿 板，对 干涉有 何影响 ？ 可以不要 补偿板 ？
光束 a2′和 a1′发生干涉
十字叉丝
▲ M2 、M1平行 等倾干涉
等厚条纹
▲ M2 、M1有小夹角 等厚干涉
返回
第6页/共54页
8/4/2021
迈克尔逊等倾干涉
It Ii
1
1
A R
2
1
F
1 sin2
2
式中 4 nh cos 2'
• ‘是光在金属内表面反射时的相位变化，R为金属膜内表面的反
射率。
• 可见，由于金属膜的吸收，干涉图样强度降低了［1-A/(1-R)］2 倍， 严重时， 峰值强度只有入射光强的几十分之一。
返回
第30页/共54页
应用之一：研究光谱的超精细结构
参考镜 光源
参考臂扫 描可得 到样品 深度 方向的一 维测量 数据。 光束在 平行于样 品表面 的方向 进行扫 描测量， 可得到 横向的 数据。 将得到的 信号经 计算机 处理， 便可得到 样品的 立体断 层图像 。
眼 睛
8/4/2021
探测器
第17页/共54页
（2）样 品反射 光脉冲 强度的 处理 不同材料或结构 的样品 反射光 的强度 不同。 根据反 射光信 号的强 弱，赋 予其相 应的色 彩，这 样便得 到样品 的假彩 色图。
束产生干涉。
温度的变化引起信号臂光纤的 长度、折射率变化，从而使信 号臂传输光的相位发生变化；
二光纤输出光的干涉效应变化
；
通过测量此干涉效应的变化， 即可确定外界温度的变化。
第26页/共54页
2.4.3 法布里-珀罗干涉仪
法布里- -珀罗(Fabry-Perot)干涉仪特点
分辨率极高的光谱仪；构成激光谐振腔。
8/4/2021
第7页/共54页
迈克尔逊等厚干涉
8/4/2021
返回
第8页/共54页
8/4/2021
4 光程差计算
∵ M2′波损 失且入 射角i1等于反 射角i2
5 极值条件
2d cosi2 2
相长
j
2d cosi2 2
相消
h m
2
第11页/共54页
8/4/2021
▲ 测折射率n
M1
若相应移 过 N 个 条纹
n
a2
l
光路a2中插入待 测介质 ，产生 附加光程 差
2(n 1)l
注意 光通 过介质 两次
则应有 由此可测 折射率 n 。
2(n 1)l N
第12页/共54页
8/4/2021
▲
用迈克 耳孙干 涉仪测 气流
纹的数目，光电显微镜给 出起始和终止信号。
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。
利用
8/4/2021
就可算出 待测物 体的长 度。
典型干涉仪及其应用
会计学
1
2.4.1 迈克尔逊干涉仪
8/4/2021
1 迈克耳孙干涉仪 2 仪器结构、光路 3 工作原理 4 光程差计算 5 极值条件 6 应用
第1页/共54页
迈克耳孙（A.A.Michelson）美籍德国人
• 获1907 诺贝尔 物理奖 。 • 1881年 设计制 作，迈 克尔逊 曾用它 做过三 个重要 实验：
即是将一束光中不同波长的光谱线分开- 分光。
衡量一个分光元件性能的好坏有三个技术 指标：
自由光谱范围- -能够分光的最大波长间隔； 分辨本领- -能够分辨的最小波长差； 角色散- -使不同波长的光分开的程度。
F-P:
第29页/共54页
8/4/2021
金属镀膜对干涉图样强度的影响
当干涉仪两板内表面镀金属膜时，由于金属膜对光产 生强烈吸收，使得整个干涉图样的强度降低。
假设金属 膜的吸 收率为 A，则 根据能 量守恒 关系有
R+T+A =1
当干涉仪 两板的 膜层相 同时， 考虑膜 层吸收 时的透 射光干 涉图样 强度公 式