光外差檢測系統(tǒng)

光外差檢測系統(tǒng)第一頁，共三十六頁，2022年，8月28日概述相干檢測：利用光的相干性對光波所攜帶的信息信號進(jìn)行檢測對光源的要求：激光相干檢測具有更高的精度和靈敏度第二頁，共三十六頁，2022年，8月28日光到底是什么？……………17世紀(jì)明確形成了兩大對立學(xué)說牛頓惠更斯微粒說波動說19世紀(jì)初證明了波動說的正確性由于波動說沒有數(shù)學(xué)基礎(chǔ)以及牛頓的威望使得微粒說一直占上風(fēng)19世紀(jì)末光電效應(yīng)現(xiàn)象使得愛因斯坦在20世紀(jì)初提出了光子說：光具有粒子性第三頁，共三十六頁，2022年，8月28日干涉現(xiàn)象是波動獨(dú)有的特征，如果光真的是一種波，就必然會觀察到光的干涉現(xiàn)象．光的干涉---預(yù)備知識復(fù)習(xí)第四頁，共三十六頁，2022年，8月28日思考1：如果我們先假設(shè)光是一種波，那么按照我們所學(xué)的波動知識，光要發(fā)生干涉現(xiàn)象需要滿足什么條件？（頻率相同）思考2：有沒有什么方法可以獲得相干光—頻率相同的光呢？第五頁，共三十六頁，2022年，8月28日天才的設(shè)想光束單縫雙縫紅濾色片

(激光)屏幕s0s1s2托馬斯·楊楊氏雙縫實驗被評為十大物理實驗之一。巧妙解決了相干光問題第六頁，共三十六頁，2022年，8月28日實驗演示：用氦氖激光器演示光的雙縫干涉現(xiàn)象：出現(xiàn)明暗相間條紋。思考3：為什么有的地方亮一些有些地方暗一些？疊加（振動）加強(qiáng)的地方出現(xiàn)亮條紋，振動減弱的地方出現(xiàn)暗條紋。第七頁，共三十六頁，2022年，8月28日P1PP1S2－P1S1=d光程差P2思考：當(dāng)P1點(diǎn)外移時光程差怎么變？S1S2P1PdP2（變大）討論：明和暗為什么相間（依次出現(xiàn)）呢？第八頁，共三十六頁，2022年，8月28日S1S2PdS1PPS1S1S2PS2PPS2光程差d=0，S1、S2步調(diào)一致，該點(diǎn)振動加強(qiáng)。（明）第九頁，共三十六頁，2022年，8月28日S1S2P1PdS1S2P1P1P1S1P1S2dS1S2P1d=λ/2光程差d=λ/2

，S1、S2在P1處步調(diào)相反，該點(diǎn)振動減弱。(暗）第十頁，共三十六頁，2022年，8月28日S1S2P2PdS1S2P2P2P1S1P1S2dS1S2P2d=λ光程差d=λ，S1、S2在P2處步調(diào)一致，該點(diǎn)振動加強(qiáng)。(明）第十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日1801年，英國物理學(xué)家托馬斯·楊（1773~1829）在實驗室里成功的觀察到了光的干涉．第十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日S1S2PPδ=0中央亮紋

由于從S1S2發(fā)出的光是振動情況完全相同，又經(jīng)過相同的路程到達(dá)P點(diǎn)，其中一條光傳來的是波峰，另一條傳來的也一定是波峰，其中一雙縫S1S2屏幕條光傳來的是波谷,另一條傳來的也一定是波谷,在P點(diǎn)激起的振動總是波峰與波峰相遇或波谷與波谷相遇,振幅A＝A1+A2為最大,P點(diǎn)總是振動加強(qiáng)的地方,故應(yīng)出現(xiàn)亮紋,這一條亮紋叫中央亮紋.第十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日P1

第一亮紋雙縫S1S2屏幕S1S2P1

取P點(diǎn)上方的點(diǎn)P1，從S1S2發(fā)出的光到P1點(diǎn)的光程差就不同，若這個光程差正好等于波長的整數(shù)倍，比如δ=S1－S2=λ，出現(xiàn)第一條亮紋。λλδ=λ第十四頁，共三十六頁，2022年，8月28日P2

第二亮紋雙縫S1S2屏幕

屏上P1點(diǎn)的上方還可以找到δ=S1－S2＝2λ的P2點(diǎn)出現(xiàn)第二條亮紋。2λ第十五頁，共三十六頁，2022年，8月28日P3

第三亮紋雙縫S1S2屏幕

屏上P1點(diǎn)的上方還可以找到δ=S1－S2＝4λ的P2點(diǎn)，δ=S1－S2＝5λ的P3點(diǎn)……等處的第四條、第五條……亮紋；在中央明紋P的下方可找到δ=S1－S2＝λ的P1/點(diǎn)，δ=S1－S2＝2λ的P2/點(diǎn)，δ=S1－S2＝3λ的P3/點(diǎn)等處與中央明紋為對稱的第一、第二、第三…，第n條亮紋。3λ第十六頁，共三十六頁，2022年，8月28日雙縫S1S2屏幕P1第一亮紋δ=λP中央亮紋δ=0P2第二亮紋δ=2λP3第三亮紋δ=3λP3第三亮紋δ=3λP2第二亮紋δ=2λP1第一亮紋δ=λ第十七頁，共三十六頁，2022年，8月28日Q1

第一暗紋雙縫S1S2屏幕S1S2P1

取P點(diǎn)上方的點(diǎn)Q1，與兩個狹縫S1、S2路程差δ=S1－S2＝λ/2，其中一條光傳來的是波峰，另一條傳來的就是波谷，其中一條光傳來的是波谷，另一條傳來的一定是波峰，Q1點(diǎn)激起的振動總是波峰與波谷相遇，振幅最小，Q1點(diǎn)總是振動減弱的地方，故應(yīng)出現(xiàn)暗紋。λ/2λ/2P中央亮紋第十八頁，共三十六頁，2022年，8月28日Q2

第二暗紋雙縫S1S2屏幕

屏上Q1點(diǎn)的上方還可以找到δ=S1－S2＝3λ/2的Q2點(diǎn)出現(xiàn)第二條暗紋。同樣可以找到第三條暗紋Q3……，在中央明紋下方也可以找到對稱的Q1/、Q2/、Q3/……等暗紋。3λ/2Q1

第一暗紋P

中央亮紋第十九頁，共三十六頁，2022年，8月28日雙縫S1S2屏幕P1第一亮紋δ=λP

中央亮紋δ=0P2第二亮紋δ=2λP3/

第三亮紋δ=3λP3第三亮紋δ=3λP3/

第二亮紋δ=2λP3/

第一亮紋δ=λQ2第二暗紋Q1第一暗紋Q3第三暗紋Q3/

第三暗紋Q2/

第二暗紋Q1/

第一暗紋δ=5λ/2δ=λ/2δ=3λ/2δ=5λ/2δ=3λ/2δ=λ/2第二十頁，共三十六頁，2022年，8月28日（1）空間的某點(diǎn)距離光源S1和S2的路程差為0、1λ、2λ、3λ、等波長的整數(shù)倍（半波長的偶數(shù)倍）時，該點(diǎn)為振動加強(qiáng)點(diǎn)。

（2）空間的某點(diǎn)距離光源S1和S2的路程差為λ/2、3λ/2、5λ/2、等半波長的奇數(shù)倍時，該點(diǎn)為振動減弱點(diǎn)?？偨Y(jié)規(guī)律光程差δ=kλ（k=0，1，2，等）光程差δ=（2k-1)λ/2(k=1,2,3,等）亮紋暗紋第二十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日

小結(jié)

1、兩個獨(dú)立的光源發(fā)出的光不是相干光，雙縫干涉的裝置使一束光通過雙縫后變?yōu)閮墒喔晒?，在光屏上形成穩(wěn)定的干涉條紋．

2、在雙縫干涉實驗中，光屏上某點(diǎn)到雙縫的光程差為半波長的偶數(shù)倍時，該點(diǎn)出現(xiàn)亮條紋；光屏上某點(diǎn)到雙縫的光程差為半波長的奇數(shù)倍時，該點(diǎn)出現(xiàn)暗條紋．3、干涉條紋間距與波長的關(guān)系△X隨波長λ的增大而增大第二十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日相干信號相位調(diào)制與檢測利用被測量使得其中一束光線的相位發(fā)生變化，再通過干涉作用把相位變化變換為幅值變化，叫做相位調(diào)制。典型應(yīng)用邁克爾遜干涉儀第二十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日實驗原理圖第二十四頁，共三十六頁，2022年，8月28日如果d逐漸減小，看到的現(xiàn)象是干涉圓環(huán)內(nèi)縮（吞）；如果d逐漸增大，同理，看到的現(xiàn)象是干涉圓環(huán)外（吐）。對于中央條紋，當(dāng)內(nèi)縮或外擴(kuò)N次，則光程差變化為2d＝N第二十五頁，共三十六頁，2022年，8月28日特點(diǎn)特點(diǎn)：具有更高的測試靈敏度和準(zhǔn)確度；絕大部分的干涉測試都是非接觸式的，不會對被測件帶來表面損傷和附加誤差；在精密測量、精密加工和實時測控的諸多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。第二十六頁，共三十六頁，2022年，8月28日相干光外差檢測原理與應(yīng)用概念外差檢測將被測量調(diào)制在信號光波的頻率之中第二十七頁，共三十六頁，2022年，8月28日，入射到探測器上的總光場為由于光探測器的響應(yīng)與光電場的平方成正比，所以光探測器的光電流為第二十八頁，共三十六頁，2022年，8月28日設(shè)入射到探測器上的信號光場為：本機(jī)振蕩光場為：入射到探測器上的總光場為：基本原理第二十九頁，共三十六頁，2022年，8月28日

；:量子效率；:光子能量；:差頻。式中第一、二項為余弦函數(shù)平方的平均值，等于1／2。第三項（和頻項）是余弦函數(shù)的平均值為零。而第四項（差頻項）相對光頻而言，頻率要低得多。當(dāng)差頻低于光探測器的截止頻率時，光探測器就有頻率為的光電流輸出。

光探測器輸出的光電流輸出為頻率為兩束光波的光頻差信號第三十頁，共三十六頁，2022年，8月28日外差探測應(yīng)用------激光多普勒測速頻率調(diào)制：運(yùn)動物體的反射或散射光發(fā)生多普勒頻移而改變光的頻率。將物體的速度信息調(diào)制入光的頻率，頻率變化量與速度有關(guān)。光外差檢測：可見光的頻率很高（１０１４Hz)，一般光電器件不能響應(yīng)，也就無法直接檢測多普勒頻移．因此，需要光外差的方法：

第三十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日

概念—聲波多普勒效應(yīng)

一輛汽車在我們身旁急馳而過，車上喇叭的音調(diào)有一個從高到低的突然變化；站在鐵路旁邊聽列車的汽笛聲也能夠發(fā)現(xiàn)，列車迅速迎面而來時音調(diào)較靜止時為高，而列車迅速離去時則音調(diào)較靜止時為低。此外，若聲源靜止而觀察者運(yùn)動，或者聲源和觀察者都運(yùn)動，也會發(fā)生收聽頻率和聲源頻率不一致的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。第三十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日多普勒效應(yīng)的應(yīng)用美國霍普金斯大學(xué)利用多普勒效應(yīng)對蘇聯(lián)第一顆人造衛(wèi)星進(jìn)行了跟蹤試驗，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)衛(wèi)星在近地點(diǎn)時信號頻率就增加，遠(yuǎn)地點(diǎn)時信號頻率就降低。因為衛(wèi)星軌道是已知的，所以接收衛(wèi)星信號的接收機(jī)不論處于何方，它的位置都能被測定。第三十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日光波的多普勒效應(yīng)光波的多普勒效應(yīng)具有波動性的光也會出現(xiàn)這種效應(yīng)，它又被稱為多普勒-斐索效應(yīng).因為法國物理學(xué)家斐索（1819-1896）于1848年獨(dú)立地對來自恒星的波長偏移做了解釋，指出了利用這種效應(yīng)測量恒星相對速度的辦法.光波與聲波的不同之處在于,光波頻率的變化使人感覺到是顏色的變化.

如果恒星遠(yuǎn)離我們而去,則光的譜線就向紅光方向移動，稱為紅移；如果恒星朝向我們運(yùn)動，光的譜線就向紫光方向移動，稱為藍(lán)移.第三十四頁，共三十六頁，2022年，8月28日多普勒