工程光學(xué)12-5典型雙光束干涉系統(tǒng)及其應(yīng)用

1、典型雙光束干涉系統(tǒng)裴索干涉儀邁克爾遜干涉儀外差干涉原理馬赫增德干涉儀裴索干涉儀 定義：等厚干涉型的干涉系統(tǒng)統(tǒng)稱為裴索干涉儀等厚條紋待測(cè)工件平晶標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)規(guī)待測(cè)透鏡暗紋平面干涉儀球面干涉儀He邁克耳孫在工作邁克耳孫（A.A.Michelson ）18521931美籍德國(guó)人因創(chuàng)造精密光學(xué)儀器，用以進(jìn)行光譜學(xué)和度量學(xué)的研究,并精確測(cè)出光速,獲1907 諾貝爾物理獎(jiǎng)。Michelson 干涉儀 邁克耳孫干涉儀至今仍是許多光學(xué)儀器的核心。愛因斯坦： 我總認(rèn)為邁克耳孫是科學(xué)中的藝術(shù)家，他的最大樂趣似乎來自實(shí)驗(yàn)本身的優(yōu)美和所使用方法的精湛，他從來不認(rèn)為自己在科學(xué)上是個(gè)嚴(yán)格的”專家”，事實(shí)上的確不是，但始終是個(gè)藝

2、術(shù)家。重要的物理思想巧妙的實(shí)驗(yàn)構(gòu)思精湛的實(shí)驗(yàn)技術(shù) 科學(xué)中的藝術(shù) 許多著名的實(shí)驗(yàn)都堪稱科學(xué)中的藝術(shù)，如：全息照相實(shí)驗(yàn)、吳健雄實(shí)驗(yàn)、施蓋實(shí)驗(yàn)等等。 1 構(gòu)造和光路 振幅分割型雙光束干涉儀； 許多現(xiàn)代干涉計(jì)量?jī)x器的基礎(chǔ)。 不同方位看到的Michelson 干涉儀裝置 SM1M2G1G2EM2a1a1a2a2半透半反膜補(bǔ)償板反射鏡反射鏡光源觀測(cè)裝置虛薄膜B: beam-splitter(分束鏡);C: compensator(補(bǔ)償器);M1, M2: mirrors (反射鏡)激光器光源分光板補(bǔ)償板擴(kuò)束鏡反射鏡M1反射鏡M2觀察屏M2移動(dòng)導(dǎo)軌 二 、工作原理光束 a2和 a1發(fā)生干涉 M2、M1平行

3、等傾條紋 M2、M1有小夾角 等厚條紋補(bǔ)償板作用：補(bǔ)償兩臂的附 加光程差。十字叉絲等厚條紋SM1M2G1G2EM2a1a1a2a2半透半反膜補(bǔ)償板反射鏡反射鏡光源觀測(cè)裝置虛薄膜邁克耳孫等傾干涉邁克耳孫等厚干涉三、光程差計(jì)算 M2M1為虛薄膜，n1=n2=1 光束 a2和 a1無半波損失且入射角i1等于反射角i2四、極值條件相長(zhǎng)相消若M1平移h時(shí)光程差改變 2h干涉條紋移過N條干涉條紋和虛空氣膜的對(duì)應(yīng)關(guān)系等傾和等厚干涉邁克耳孫干涉儀三、應(yīng)用： 測(cè)折射率： 測(cè)量微小位移ln光路a2中插入待測(cè)介質(zhì)，產(chǎn)生附加光程差由此可測(cè)折射率n 。以波長(zhǎng)為尺度，可精確到 M1a2若相應(yīng)移過 N 個(gè)條紋則應(yīng)有注意 光

4、通過介質(zhì)兩次用邁克耳孫干涉儀測(cè)氣流問題 能否根據(jù)上述干涉花樣描述氣流的分布狀況？ 光學(xué)相干CT 斷層掃描成像新技術(shù)（CT-Computed Tomography） 第二代： NMR CT核磁共振成像第一代： X射線 CT 射線 CT工業(yè)CT計(jì)算機(jī)斷層成像 利用邁克耳孫干涉儀原理測(cè)量,空間分辨率可達(dá)微米的量級(jí).第三代：光學(xué)相干CTOCT（Optical Coherence Tomography，簡(jiǎn)稱 OCT）1、原理 要實(shí)現(xiàn)微米量級(jí)的空間分辨率（即d m），就要求能測(cè)量 t 10 -14 秒的時(shí)間延遲。激光器的脈沖寬度要很小1015秒（飛秒） 樣品中不同位置處反射的光脈沖延遲時(shí)間也不同：數(shù)量級(jí)估

5、計(jì)：樣品（1）樣品反射光脈沖的延遲時(shí)間td時(shí)間延遲短至10-14-10-15s，電子設(shè)備難以直接測(cè)量，可利用邁克耳孫干涉儀原理測(cè)量。 當(dāng)參考光脈沖和信號(hào)光脈沖序列（眼睛的不同部位反射得到光脈沖序列）中的某一個(gè)脈沖同時(shí)到達(dá)探測(cè)器表面時(shí),就會(huì)產(chǎn)生光學(xué)干涉現(xiàn)象。這種情形, 只有當(dāng)參考光與信號(hào)光的這個(gè)脈沖經(jīng)過相等光程時(shí)才會(huì)產(chǎn)生。因?yàn)?015 秒的光脈沖大約只有一個(gè)波長(zhǎng)。光源探測(cè)器參考鏡眼睛 測(cè)量不同結(jié)構(gòu)層面返回的光延遲，只須移動(dòng)參考鏡，使參考光分別與不同的信號(hào)光產(chǎn)生干涉。 參考臂掃描可得到樣品深度方向的一維測(cè)量數(shù)據(jù)。光束在平行于樣品表面的方向進(jìn)行掃描測(cè)量，可得到橫向的數(shù)據(jù)。將得到的信號(hào)經(jīng)計(jì)算機(jī)處理，便

6、可得到樣品的立體斷層圖像。 分別記錄下相應(yīng)的參考鏡的空間位置，這些位置便反映了眼球內(nèi)不同結(jié)構(gòu)的相對(duì)空間位置。光源探測(cè)器參考鏡眼睛圖像的斷層分辨率由光的脈寬決定。 圖像的橫向分辨率由光束的直徑?jīng)Q定。 對(duì)光程較長(zhǎng)的多次散射光有極強(qiáng)的抑制作用。 不同材料或結(jié)構(gòu)的樣品反射光的強(qiáng)度不同。根據(jù)反射光信號(hào)的強(qiáng)弱，賦予其相應(yīng)的色彩，這樣便得到樣品的假彩色圖。（2）樣品反射光脈沖強(qiáng)度的處理（3）OCT成像的特點(diǎn)：即使透明度很差的樣品,仍可得到清晰的圖像。2. 實(shí)驗(yàn)裝置光源電子學(xué)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)探測(cè)器光纖耦合器樣品光纖聚焦器反射鏡光纖化的邁克耳孫干涉儀 大蔥表皮的 OCT 圖像 實(shí)際樣品大小為10mm4mm，圖中橫向分

7、辨率約為20m，縱向分辨率約為25m。3. 應(yīng)用生物 醫(yī)學(xué) 材料科學(xué) 兔子眼球前部的OCT圖像角膜前表面角膜后表面晶狀體上皮睫狀體外差干涉法 heterodyne interferometerSM1M2D 頻率偏移器PL2L1AB外差干涉的原理其中ABTt雙頻激光干涉儀 (1) 光電探測(cè)器接收信號(hào)為交流信號(hào)，前置放大器為高倍數(shù)的交流放大器，不用直流放大，故沒有零點(diǎn)漂移等問題。 (2)由于物體變化所產(chǎn)生的多普勒頻移信息是載于穩(wěn)定的差頻上，且其頻率較高（幾兆至100兆赫）,因此，光電探測(cè)時(shí)避過了激光器的低頻噪聲和半導(dǎo)體器件的高頻 噪聲區(qū);又利用頻率跟蹤等外差解調(diào)技術(shù)大量濾除了寬帶噪聲，因此提高了光電信號(hào)的信噪比。 (3) 利用多普勒效應(yīng)，計(jì)數(shù)器計(jì)頻率差的變化，不受激光強(qiáng)度和磁場(chǎng)變化的影響。在光強(qiáng)度衰減90時(shí)仍可得到滿意的信號(hào)，這對(duì)于遠(yuǎn)距離測(cè)量是十分重要的，同時(shí)在近距離測(cè)量時(shí)又能簡(jiǎn)化調(diào)整工作。(4) 測(cè)量精度