相干光的干涉的应用
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毕业论文答辩演讲稿
光的干涉的应用
演讲者：刘娜 导 师：李建全
一 选题背景
在科学和技术领域中人们不断地利着 光的干涉原理解决了许多复杂的实际问题。 例如，对于光学表面磨光的检验，光 学部件质量的精密检定，长度微小改变的精 密测定（干涉膨胀仪），增透光薄膜的制 作，干涉滤光片的制作，轴承滚珠的分类 和检验等都逐渐转入利用光的干涉方法来 进行。
六 光的干涉的应用研究
下面我们通过实验方法和理论分析， 研究光的干涉的具体应用。实际上，光 的干涉应用，远不止下面所列举的几种。 我们主要就一些重要的、最长用到的应 用做一初步介绍。
1 光的干涉测量透明介质折射率
在杨氏双缝干涉实验中,用已知波长为λ的 单色光作为光源,在接收屏上观察到第k1阶亮 纹所在的位置。如图3-1所示，当将一厚度为 d的待测折射率的透明介质插入光源s1发出 的光束途中。P点处则变为第k2级亮纹的位 置。因此，据产生明纹的条件，两束相干光 的光程差为光波波长的整数倍得： • 没插玻璃片前:δ1 = r2 -r1 =k1λ • 插玻璃片之后: r2 -(r1-d+nd)=r2-r1-d(n1)=k2λ • 解得透明介质折射率n= |k2-k1|λ/d + 1 •
• • • •
四 研究路线
光的干涉应用 的提出 光的干涉应用 及其发展趋势 选题研究意义 光的干涉应用 的理论研究 理论 实验 光的干涉的应用 研究
完成
五 重点研究内容
• • • • • 光的干涉测量透明介质折射率 用双缝干涉仪测定光的波长 干涉法检查精密部件表面的平整度 劈尖干涉法测微小厚度 干涉应用的前沿领域
• 6.4 原子干涉仪空间应用
欧洲空间局(ESA)启动了HYPER计划,该计划首次用原 子干涉仪作为加速度和转动的传感器来控制飞船(与卫星 定位系统连用), 同时进行重力磁效应和量子重力的科学研 究,包括精细结构常数的测量和物质波相干等实验.
致谢
• 我在论文的设计过程中，得到了李老师 的无私帮助，在此我真心的感谢他，感谢 他一直以来对我的认真辅导，希望李老师 以及其他一些在教育事业上默默奉献的老 师们都能一帆风顺，事业有成。
如图3-3所示，在P点处得两相干光的总 光程差为：∆=2d +λ/2 （1） • 设透镜L的曲率半径为R，r为环形干涉 条纹的半径，且半径为r的环形条纹下面的 空气厚度为d，则由图3-3中的几何关系可 知：d=r2/2R • 则根据牛顿环的明暗纹条件,求得牛顿环的 明、暗纹半径分别为： •
4 用牛顿环测透镜曲率半径
4 用牛顿环测透镜曲率半径
• 当一块曲率半径很大的平凸透镜的凸 面放在一块光学平板玻璃上，在透镜的凸面 和平板玻璃间形成一个上表面是球面，下 表面是平面的空气薄层，其厚度从中心接 触点到边缘逐渐增加。离接触点等距离的 地方，厚度相同，等厚膜的轨迹是以接触 点为中心的圆。
4 用牛顿环测透镜曲率半径
• 6.2 原子干涉仪的原理 光或原子的波动与干涉可由著名的杨氏双狭缝实验来演示.这也是 原子干涉仪的基本原理,即不可区分的两条路径的几率振幅叠加的结果 将产生干涉. • 6.3原子干涉仪在精密测量中的应用
冷原子具有质量和传播时间长等特征决定了它在精密 测量领域有着独特的优势.原子干涉仪作为惯性传感器可 与最好的其他惯性传感器比拟.
2 用双缝干涉仪测定光的波长
将激光笔和双缝固定在铁架上，如图3－2所 示，在黑板上贴一张大白纸作为光屏，用激光照 在双缝上，在双缝前面约2m的白屏上得到明亮清 晰的红光干涉条纹，此时让学生实际测量出双缝 到屏的距离L和n条明文之间的距离x,求的相邻明 L n x, 文之间的距离为∆x=x/(n-1)，查的该双缝间距离d， 根据公式进行计算，的到红色激光的波长约 680nm。 通过以上实验的改进，实验的可见性大大增强， 操作难度大大降低。
二 选题目的
随着科学技术的迅速发展，现代工业 对测量技术的要求越来越高，其他方法难 以胜任，因此现代工业中经常利用光的干 涉技术进行一些比较精密的测量 。 通过对光的干涉知识的研究，让我们 更加深刻的认识光的干涉现象，以便日后 更好的利用光的干涉知识解决生产及生活 中的问题。
三 课题目标
• 光的干涉的应用的成功与否对于一些需 要进行精密测量的企业减少生产成本、提高 提升产品品质是很重要的。 通过课题研究，希望达到以下目标： （1）更好的了解光的干涉的理论知识 （2）了解光的干涉知识有哪些具体的应用 （3）探讨如何更有效的利用光的干涉的知识， 设计出更加精密的干涉测量仪器
6 干涉应用的前沿领域
• 6.1 原子干涉仪简介
•
原子干涉仪是利用原子物质波的特性而实现 的干涉仪,冷原子具有很小的速度和速度分布以及 良好的相干性,因而冷原子干涉仪具有很高的灵敏 度.原子干涉仪在精密测量领域具有广泛的应用,例 如重力加速度测量和重力梯度测量 等，同时，利 用原子干涉仪验证等效性原理以及原子干涉仪在 空间的应用已经引起了广泛的关注.
rm =
r m' =
mFra Baidu bibliotek λ
( 2 m − 1) R ⋅
λ
2
暗纹 明纹
• 式中m为干涉条纹的级数，rm为第m级暗纹的半 径，rm′为第m级亮纹的半径。 • 以上两式表明，当λ已知时，只要测出第m级亮环 （或暗环）的半径，就可计算出透镜的曲率半径 R；相反，当R已知时，即可算出λ 。
5 用劈尖干涉法测微小厚度
3 干涉法检查精密部件表面的平整度
• 在磨制各种镜面或其他精密部件时，对加工 表面的形状可以用干涉法检查。 • 如果被检查的表面是一个平面，可以在它的 上面放一个透明的标准样板，并在一端垫一个透 明的标准样板，使样板的标准平面和被检查的平 面间形成一个楔形的空气薄层，用单色光从上面 照射，入射光从空气层的上、下表面反射出两列 光波，于是从反射光中就会看到干涉条纹，从干 涉条纹弯曲的方向和程度就可以了解被测表面的 不平情况。
• 在劈尖架上两个光学平玻璃板中间的一 端插入一薄片（或细丝），则在两玻璃板 间形成一空气劈尖。当一束平行单色光垂 直照射时，则被劈尖薄膜上下两表面反射 的两束光进行相干叠加，形成干涉条纹， 如图3-4所示。其光程差为： • ∆=2d +λ/2 （d为空气隙的厚度）
图 3-4劈尖干涉测厚度示意图
• 用表示劈尖形空气间隙的夹角、s表示相邻 两暗纹间的距离、L表示劈间的长度，则有 λ L λ 2 = D 则薄片厚度为： D = ⋅ • α ≈ tg α = s s 2 L • 由上式可见，如果测出劈尖的L和相邻暗纹 间的距离s，都可以由已知光源的波长λ测 定薄片厚度（或细丝直径）D。
光的干涉的应用
演讲者：刘娜 导 师：李建全
一 选题背景
在科学和技术领域中人们不断地利着 光的干涉原理解决了许多复杂的实际问题。 例如，对于光学表面磨光的检验，光 学部件质量的精密检定，长度微小改变的精 密测定（干涉膨胀仪），增透光薄膜的制 作，干涉滤光片的制作，轴承滚珠的分类 和检验等都逐渐转入利用光的干涉方法来 进行。
六 光的干涉的应用研究
下面我们通过实验方法和理论分析， 研究光的干涉的具体应用。实际上，光 的干涉应用，远不止下面所列举的几种。 我们主要就一些重要的、最长用到的应 用做一初步介绍。
1 光的干涉测量透明介质折射率
在杨氏双缝干涉实验中,用已知波长为λ的 单色光作为光源,在接收屏上观察到第k1阶亮 纹所在的位置。如图3-1所示，当将一厚度为 d的待测折射率的透明介质插入光源s1发出 的光束途中。P点处则变为第k2级亮纹的位 置。因此，据产生明纹的条件，两束相干光 的光程差为光波波长的整数倍得： • 没插玻璃片前:δ1 = r2 -r1 =k1λ • 插玻璃片之后: r2 -(r1-d+nd)=r2-r1-d(n1)=k2λ • 解得透明介质折射率n= |k2-k1|λ/d + 1 •
• • • •
四 研究路线
光的干涉应用 的提出 光的干涉应用 及其发展趋势 选题研究意义 光的干涉应用 的理论研究 理论 实验 光的干涉的应用 研究
完成
五 重点研究内容
• • • • • 光的干涉测量透明介质折射率 用双缝干涉仪测定光的波长 干涉法检查精密部件表面的平整度 劈尖干涉法测微小厚度 干涉应用的前沿领域
• 6.4 原子干涉仪空间应用
欧洲空间局(ESA)启动了HYPER计划,该计划首次用原 子干涉仪作为加速度和转动的传感器来控制飞船(与卫星 定位系统连用), 同时进行重力磁效应和量子重力的科学研 究,包括精细结构常数的测量和物质波相干等实验.
致谢
• 我在论文的设计过程中，得到了李老师 的无私帮助，在此我真心的感谢他，感谢 他一直以来对我的认真辅导，希望李老师 以及其他一些在教育事业上默默奉献的老 师们都能一帆风顺，事业有成。
如图3-3所示，在P点处得两相干光的总 光程差为：∆=2d +λ/2 （1） • 设透镜L的曲率半径为R，r为环形干涉 条纹的半径，且半径为r的环形条纹下面的 空气厚度为d，则由图3-3中的几何关系可 知：d=r2/2R • 则根据牛顿环的明暗纹条件,求得牛顿环的 明、暗纹半径分别为： •
4 用牛顿环测透镜曲率半径
4 用牛顿环测透镜曲率半径
• 当一块曲率半径很大的平凸透镜的凸 面放在一块光学平板玻璃上，在透镜的凸面 和平板玻璃间形成一个上表面是球面，下 表面是平面的空气薄层，其厚度从中心接 触点到边缘逐渐增加。离接触点等距离的 地方，厚度相同，等厚膜的轨迹是以接触 点为中心的圆。
4 用牛顿环测透镜曲率半径
• 6.2 原子干涉仪的原理 光或原子的波动与干涉可由著名的杨氏双狭缝实验来演示.这也是 原子干涉仪的基本原理,即不可区分的两条路径的几率振幅叠加的结果 将产生干涉. • 6.3原子干涉仪在精密测量中的应用
冷原子具有质量和传播时间长等特征决定了它在精密 测量领域有着独特的优势.原子干涉仪作为惯性传感器可 与最好的其他惯性传感器比拟.
2 用双缝干涉仪测定光的波长
将激光笔和双缝固定在铁架上，如图3－2所 示，在黑板上贴一张大白纸作为光屏，用激光照 在双缝上，在双缝前面约2m的白屏上得到明亮清 晰的红光干涉条纹，此时让学生实际测量出双缝 到屏的距离L和n条明文之间的距离x,求的相邻明 L n x, 文之间的距离为∆x=x/(n-1)，查的该双缝间距离d， 根据公式进行计算，的到红色激光的波长约 680nm。 通过以上实验的改进，实验的可见性大大增强， 操作难度大大降低。
二 选题目的
随着科学技术的迅速发展，现代工业 对测量技术的要求越来越高，其他方法难 以胜任，因此现代工业中经常利用光的干 涉技术进行一些比较精密的测量 。 通过对光的干涉知识的研究，让我们 更加深刻的认识光的干涉现象，以便日后 更好的利用光的干涉知识解决生产及生活 中的问题。
三 课题目标
• 光的干涉的应用的成功与否对于一些需 要进行精密测量的企业减少生产成本、提高 提升产品品质是很重要的。 通过课题研究，希望达到以下目标： （1）更好的了解光的干涉的理论知识 （2）了解光的干涉知识有哪些具体的应用 （3）探讨如何更有效的利用光的干涉的知识， 设计出更加精密的干涉测量仪器
6 干涉应用的前沿领域
• 6.1 原子干涉仪简介
•
原子干涉仪是利用原子物质波的特性而实现 的干涉仪,冷原子具有很小的速度和速度分布以及 良好的相干性,因而冷原子干涉仪具有很高的灵敏 度.原子干涉仪在精密测量领域具有广泛的应用,例 如重力加速度测量和重力梯度测量 等，同时，利 用原子干涉仪验证等效性原理以及原子干涉仪在 空间的应用已经引起了广泛的关注.
rm =
r m' =
mFra Baidu bibliotek λ
( 2 m − 1) R ⋅
λ
2
暗纹 明纹
• 式中m为干涉条纹的级数，rm为第m级暗纹的半 径，rm′为第m级亮纹的半径。 • 以上两式表明，当λ已知时，只要测出第m级亮环 （或暗环）的半径，就可计算出透镜的曲率半径 R；相反，当R已知时，即可算出λ 。
5 用劈尖干涉法测微小厚度
3 干涉法检查精密部件表面的平整度
• 在磨制各种镜面或其他精密部件时，对加工 表面的形状可以用干涉法检查。 • 如果被检查的表面是一个平面，可以在它的 上面放一个透明的标准样板，并在一端垫一个透 明的标准样板，使样板的标准平面和被检查的平 面间形成一个楔形的空气薄层，用单色光从上面 照射，入射光从空气层的上、下表面反射出两列 光波，于是从反射光中就会看到干涉条纹，从干 涉条纹弯曲的方向和程度就可以了解被测表面的 不平情况。
• 在劈尖架上两个光学平玻璃板中间的一 端插入一薄片（或细丝），则在两玻璃板 间形成一空气劈尖。当一束平行单色光垂 直照射时，则被劈尖薄膜上下两表面反射 的两束光进行相干叠加，形成干涉条纹， 如图3-4所示。其光程差为： • ∆=2d +λ/2 （d为空气隙的厚度）
图 3-4劈尖干涉测厚度示意图
• 用表示劈尖形空气间隙的夹角、s表示相邻 两暗纹间的距离、L表示劈间的长度，则有 λ L λ 2 = D 则薄片厚度为： D = ⋅ • α ≈ tg α = s s 2 L • 由上式可见，如果测出劈尖的L和相邻暗纹 间的距离s，都可以由已知光源的波长λ测 定薄片厚度（或细丝直径）D。