典型双光束干涉系统及其应用
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描测量，可得到横向的数据。
将得到的信号经计算机处理，
探测器
便可得到样品的立体断层图像。
2021/3/9
21
（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。
（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。 ▲图像的断层分辨率由光的脉宽决定。
L2
E02 (x, y) Er2
2E0 (x, y)Er cos • t r (x,y)
A
B
P
外差干涉的原理
其中 r (x,y) 2t / T
AB
△t T
2021/3/9
26
双频激光干涉仪
I0 cos 2 ( f2 f1)t
2021/3/9
f f 2v c
I0 cos 2 f2 ( f1 f1)t
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.
2021/3/9
18
1、原理
t
（1）样品反射光脉冲的延迟时间
样
品
样品中不同位置处反射的
光脉冲延迟时间也不同：
d
t
2nd c
2nd 3108 m/s
数量级估计： t 108 d s/m 10 14 d s /μ m
要实现微米量级的空间分辨率（即d m），就要
2
2021/3/9
12
(a)
干
涉
条
纹
和
虚
空
(f)
气
(a)
膜
的
M1
对
M 2
应
关
M1
系
M 2
2021/3/9
(f)
(b)
(c)
(g) (b)
M1 M 2
M1 M 2
(g)
(h) (c)
M1 M 2
M 2 M1
(h)
(d )
(i) (d )
M 2 M1 M 2 M1
(i)
(e)
( j) 等倾和等厚干涉
(e)
典型双光束干涉系统
• 裴索干涉仪 • 迈克尔逊干涉仪 • 外差干涉原理 • 马赫－增德干涉仪
2021/3/9
1
裴索干涉仪
定义：等厚干涉型的干涉系统统称为裴索干涉仪
平面干涉仪
等厚条纹
平晶
球面干涉仪
标准验规 待测透镜
待测工件
暗纹
h H •
e2
H
e
2021/3/9
2
Michelson 干涉仪
迈克耳孙在工作
因为10－15 秒的光脉冲大约只有一个波长。
2021/3/9
20
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。
参考镜
参考臂扫描可得到样品深度
光源
方向的一维测量数据。光束在 眼 睛 平行于样品表面的方向进行扫
主要用于测量相位物体引起的相位 变化
全息术：制备全息光学元件、全息 光栅
化学试剂、生物样本、生物分子
空气密度变化
2021/3/9
29
a1
G1 45 G2
M2 反
a2 射 镜
补偿板
a1′ a2′
补偿板作用：补偿两臂的附 加光程差。
光束 a2′和 a1′发生干涉
E 观测装置 十字叉丝
▲ M2、M1平行 等倾条纹
等厚条纹
2021/3/9
▲ M2、M1有小夹角 等厚条纹
9
迈克耳孙等倾干涉
2021/3/9
10
迈克耳孙等厚干涉
2021/3/9
L •N
2
27
双频激光干涉仪的特点
(1) 光电探测器接收信号为交流信号，前置放大器为
高倍数的交流放大器，不用直流放大，故没有零点漂移等
问题。
(2)由于物体变化所产生的多普勒频移信息是载于稳
定的差频上，且其频率较高（几兆至100兆赫）,因此，光
电探测时避过了激光器的低频噪声和半导体器件的高频
噪声区;又利用频率跟踪等外差解调技术大量滤除了宽带
M 2 M1 M 2 M1
( j)
13
迈克耳孙干涉仪
2021/3/9
14
皮肌炎图片——皮肌炎的症状表现
• 皮肌炎是一种引起皮肤、肌肉、 心、肺、肾等多脏器严重损害的， 全身性疾病，而且不少患者同时 伴有恶性肿瘤。它的1症状表现如 下：
• 1、早期皮肌炎患者，还往往伴 有全身不适症状，如-全身肌肉酸 痛，软弱无力，上楼梯时感觉两 腿费力；举手梳理头发时，举高 手臂很吃力；抬头转头缓慢而费 力。
三、应用：
▲ 测量微小位移
以波长为尺度，可精确到
20
▲ 测折射率： M1
光路a2中插入待测介质，产生 附加光程差
n
a2
l
2(n 1)l
注意 光通过介质两次 若相应移过 N 个条纹
则应有 2(n 1)l N
由此可测折射率n 。
2021/3/9
16
用迈克耳孙干涉仪测气流
问题 能否根据上述干涉花样描述气流的分布状况？
2021/3/9
反射镜 M1 虚薄膜
M2
光源
Sa
半透半反膜
a1
G1 45 G2
M2 反
a2 射
镜 补偿板
a1′ a2′
E 观测装置
6
激光器光源
反射镜M1 扩束镜
反射镜M2
分光板 补偿板
观察屏
M2移动导轨
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7
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8
反射镜 M1 虚薄膜
M2
二 、工作原理
光源
Sa
半透半反膜
求能测量 t 10 -14 秒的时间延迟。 激光器的脉冲宽度要很小—10－15秒（飞秒）
2021/3/9
19
时间延迟短至10-14-10-15s，电子设备难以直接测量，
Biblioteka Baidu
可利用迈克耳孙干涉仪原理测量。
光源
参考镜 探测器
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 眼 学干涉现象。这种情形, 睛 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。
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、施—盖实验等等。
重要的物理思想＋巧妙的实验构思 ＋精湛的实验技术 科学中的艺术
2021/3/9
4
振幅分割型双光束干涉仪； 许多现代干涉计量仪器的基础。
1 构造和光路
不同方位看到的Michelson 干涉仪装置
2021/3/9
5
B: beam-splitter(分束镜); C: compensator(补偿器); M1, M2: mirrors (反射镜)
2021/3/9
17
▲ 光学相干CT — 断层扫描成像新技术 （Optical Coherence Tomography，简称 OCT）
计算机断层成像 （CT-Computed Tomography）
第一代： X射线 CT
射线 CT－工业CT
第二代： NMR CT－核磁共振成像
第三代：光学相干CT－OCT
噪声，因此提高了光电信号的信噪比。
(3) 利用多普勒效应，计数器计频率差的变化，不受
激光强度和磁场变化的影响。在光强度衰减90％时仍可得
到满意的信号，这对于远距离测量是十分重要的，同时在
近距离测量时又能简化调整工作。
(4) 测量精度不受空气湍流的影响，无需预热时间。
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28
马赫曾德干涉仪 Mach-Zehnder interferometer
2021/3/9
24
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
2021/3/9
25
外差干涉法 heterodyne interferometer
L1 S
M1
D 频率偏移器
M2
E(x, y,t)
E0 ( x, y)ei( x,y) t E eir t
r
I (x, y,t) E(x, y,t) 2
11
三、光程差计算
∵ M2′M1为虚薄膜，n1=n2=1 ∴ 光束 a2′和 a1′无半波损失且入射角i1等于反射角i2
2h cosi2
四、极值条件
2h cosi2
j (2 j 1)
2
相长 相消
( j 0,1,2)
若 M1 平 移 h 时 光程差改变 2h 干涉条纹移过N条
2h N
h N
▲ 图像的横向分辨率由光束的直径决定。
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22
2. 实验装置 ——光纤化的迈克耳孙干涉仪
反
光源
射
镜
探
光纤耦合器
样
测
品
器
光纤聚焦器
电子学系统
计算机
2021/3/9
23
3. 应用
生物 医学 材料科学 ·····
大葱表皮的 OCT 图像
实际样品大小为10mm×4mm，图中横向分辨率约
为20m，纵向分辨率约为25m。
2021/3/9
迈克耳孙
（A.A.Michelson ） 1852—1931 美籍德国人
因创造精密光学仪 器，用以进行光谱 学和度量学的研究, 并精确测出光速, 获1907 诺贝尔物 理奖。
3
迈克耳孙干涉仪至今仍是许多光学仪器的核心。
爱因斯坦：
我总认为迈克耳孙是科学中的艺术家，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上是个严格的”专家”，事实上 的确不是，但始终是个艺术家。
将得到的信号经计算机处理，
探测器
便可得到样品的立体断层图像。
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21
（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。
（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。 ▲图像的断层分辨率由光的脉宽决定。
L2
E02 (x, y) Er2
2E0 (x, y)Er cos • t r (x,y)
A
B
P
外差干涉的原理
其中 r (x,y) 2t / T
AB
△t T
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双频激光干涉仪
I0 cos 2 ( f2 f1)t
2021/3/9
f f 2v c
I0 cos 2 f2 ( f1 f1)t
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.
2021/3/9
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1、原理
t
（1）样品反射光脉冲的延迟时间
样
品
样品中不同位置处反射的
光脉冲延迟时间也不同：
d
t
2nd c
2nd 3108 m/s
数量级估计： t 108 d s/m 10 14 d s /μ m
要实现微米量级的空间分辨率（即d m），就要
2
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12
(a)
干
涉
条
纹
和
虚
空
(f)
气
(a)
膜
的
M1
对
M 2
应
关
M1
系
M 2
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(f)
(b)
(c)
(g) (b)
M1 M 2
M1 M 2
(g)
(h) (c)
M1 M 2
M 2 M1
(h)
(d )
(i) (d )
M 2 M1 M 2 M1
(i)
(e)
( j) 等倾和等厚干涉
(e)
典型双光束干涉系统
• 裴索干涉仪 • 迈克尔逊干涉仪 • 外差干涉原理 • 马赫－增德干涉仪
2021/3/9
1
裴索干涉仪
定义：等厚干涉型的干涉系统统称为裴索干涉仪
平面干涉仪
等厚条纹
平晶
球面干涉仪
标准验规 待测透镜
待测工件
暗纹
h H •
e2
H
e
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2
Michelson 干涉仪
迈克耳孙在工作
因为10－15 秒的光脉冲大约只有一个波长。
2021/3/9
20
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。
参考镜
参考臂扫描可得到样品深度
光源
方向的一维测量数据。光束在 眼 睛 平行于样品表面的方向进行扫
主要用于测量相位物体引起的相位 变化
全息术：制备全息光学元件、全息 光栅
化学试剂、生物样本、生物分子
空气密度变化
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a1
G1 45 G2
M2 反
a2 射 镜
补偿板
a1′ a2′
补偿板作用：补偿两臂的附 加光程差。
光束 a2′和 a1′发生干涉
E 观测装置 十字叉丝
▲ M2、M1平行 等倾条纹
等厚条纹
2021/3/9
▲ M2、M1有小夹角 等厚条纹
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迈克耳孙等倾干涉
2021/3/9
10
迈克耳孙等厚干涉
2021/3/9
L •N
2
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双频激光干涉仪的特点
(1) 光电探测器接收信号为交流信号，前置放大器为
高倍数的交流放大器，不用直流放大，故没有零点漂移等
问题。
(2)由于物体变化所产生的多普勒频移信息是载于稳
定的差频上，且其频率较高（几兆至100兆赫）,因此，光
电探测时避过了激光器的低频噪声和半导体器件的高频
噪声区;又利用频率跟踪等外差解调技术大量滤除了宽带
M 2 M1 M 2 M1
( j)
13
迈克耳孙干涉仪
2021/3/9
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皮肌炎图片——皮肌炎的症状表现
• 皮肌炎是一种引起皮肤、肌肉、 心、肺、肾等多脏器严重损害的， 全身性疾病，而且不少患者同时 伴有恶性肿瘤。它的1症状表现如 下：
• 1、早期皮肌炎患者，还往往伴 有全身不适症状，如-全身肌肉酸 痛，软弱无力，上楼梯时感觉两 腿费力；举手梳理头发时，举高 手臂很吃力；抬头转头缓慢而费 力。
三、应用：
▲ 测量微小位移
以波长为尺度，可精确到
20
▲ 测折射率： M1
光路a2中插入待测介质，产生 附加光程差
n
a2
l
2(n 1)l
注意 光通过介质两次 若相应移过 N 个条纹
则应有 2(n 1)l N
由此可测折射率n 。
2021/3/9
16
用迈克耳孙干涉仪测气流
问题 能否根据上述干涉花样描述气流的分布状况？
2021/3/9
反射镜 M1 虚薄膜
M2
光源
Sa
半透半反膜
a1
G1 45 G2
M2 反
a2 射
镜 补偿板
a1′ a2′
E 观测装置
6
激光器光源
反射镜M1 扩束镜
反射镜M2
分光板 补偿板
观察屏
M2移动导轨
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反射镜 M1 虚薄膜
M2
二 、工作原理
光源
Sa
半透半反膜
求能测量 t 10 -14 秒的时间延迟。 激光器的脉冲宽度要很小—10－15秒（飞秒）
2021/3/9
19
时间延迟短至10-14-10-15s，电子设备难以直接测量，
Biblioteka Baidu
可利用迈克耳孙干涉仪原理测量。
光源
参考镜 探测器
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 眼 学干涉现象。这种情形, 睛 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。
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、施—盖实验等等。
重要的物理思想＋巧妙的实验构思 ＋精湛的实验技术 科学中的艺术
2021/3/9
4
振幅分割型双光束干涉仪； 许多现代干涉计量仪器的基础。
1 构造和光路
不同方位看到的Michelson 干涉仪装置
2021/3/9
5
B: beam-splitter(分束镜); C: compensator(补偿器); M1, M2: mirrors (反射镜)
2021/3/9
17
▲ 光学相干CT — 断层扫描成像新技术 （Optical Coherence Tomography，简称 OCT）
计算机断层成像 （CT-Computed Tomography）
第一代： X射线 CT
射线 CT－工业CT
第二代： NMR CT－核磁共振成像
第三代：光学相干CT－OCT
噪声，因此提高了光电信号的信噪比。
(3) 利用多普勒效应，计数器计频率差的变化，不受
激光强度和磁场变化的影响。在光强度衰减90％时仍可得
到满意的信号，这对于远距离测量是十分重要的，同时在
近距离测量时又能简化调整工作。
(4) 测量精度不受空气湍流的影响，无需预热时间。
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马赫曾德干涉仪 Mach-Zehnder interferometer
2021/3/9
24
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
2021/3/9
25
外差干涉法 heterodyne interferometer
L1 S
M1
D 频率偏移器
M2
E(x, y,t)
E0 ( x, y)ei( x,y) t E eir t
r
I (x, y,t) E(x, y,t) 2
11
三、光程差计算
∵ M2′M1为虚薄膜，n1=n2=1 ∴ 光束 a2′和 a1′无半波损失且入射角i1等于反射角i2
2h cosi2
四、极值条件
2h cosi2
j (2 j 1)
2
相长 相消
( j 0,1,2)
若 M1 平 移 h 时 光程差改变 2h 干涉条纹移过N条
2h N
h N
▲ 图像的横向分辨率由光束的直径决定。
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2. 实验装置 ——光纤化的迈克耳孙干涉仪
反
光源
射
镜
探
光纤耦合器
样
测
品
器
光纤聚焦器
电子学系统
计算机
2021/3/9
23
3. 应用
生物 医学 材料科学 ·····
大葱表皮的 OCT 图像
实际样品大小为10mm×4mm，图中横向分辨率约
为20m，纵向分辨率约为25m。
2021/3/9
迈克耳孙
（A.A.Michelson ） 1852—1931 美籍德国人
因创造精密光学仪 器，用以进行光谱 学和度量学的研究, 并精确测出光速, 获1907 诺贝尔物 理奖。
3
迈克耳孙干涉仪至今仍是许多光学仪器的核心。
爱因斯坦：
我总认为迈克耳孙是科学中的艺术家，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上是个严格的”专家”，事实上 的确不是，但始终是个艺术家。