光外差檢測(cè)系統(tǒng)

光外差檢測(cè)系統(tǒng)第一頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日概述相干檢測(cè)：利用光的相干性對(duì)光波所攜帶的信息信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)對(duì)光源的要求：激光相干檢測(cè)具有更高的精度和靈敏度第二頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日光到底是什么？……………17世紀(jì)明確形成了兩大對(duì)立學(xué)說(shuō)牛頓惠更斯微粒說(shuō)波動(dòng)說(shuō)19世紀(jì)初證明了波動(dòng)說(shuō)的正確性由于波動(dòng)說(shuō)沒(méi)有數(shù)學(xué)基礎(chǔ)以及牛頓的威望使得微粒說(shuō)一直占上風(fēng)19世紀(jì)末光電效應(yīng)現(xiàn)象使得愛(ài)因斯坦在20世紀(jì)初提出了光子說(shuō)：光具有粒子性第三頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日干涉現(xiàn)象是波動(dòng)獨(dú)有的特征，如果光真的是一種波，就必然會(huì)觀察到光的干涉現(xiàn)象．光的干涉---預(yù)備知識(shí)復(fù)習(xí)第四頁(yè)，共三十六頁(yè)，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(dòng)知識(shí)，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(méi)有什么方法可以獲得相干光—頻率相同的光呢？第五頁(yè)，共三十六頁(yè)，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(shí)驗(yàn)被評(píng)為十大物理實(shí)驗(yàn)之一。巧妙解決了相干光問(wèn)題第六頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日實(shí)驗(yàn)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(dòng)）加強(qiáng)的地方出現(xiàn)亮條紋，振動(dòng)減弱的地方出現(xiàn)暗條紋。第七頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日P1PP1S2－P1S1=d光程差P2思考：當(dāng)P1點(diǎn)外移時(shí)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(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日S1S2PdS1PPS1S1S2PS2PPS2光程差d=0，S1、S2步調(diào)一致，該點(diǎn)振動(dòng)加強(qiáng)。（明）第九頁(yè)，共三十六頁(yè)，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(dòng)減弱。(暗）第十頁(yè)，共三十六頁(yè)，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(dòng)加強(qiáng)。(明）第十一頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日1801年，英國(guó)物理學(xué)家托馬斯·楊（1773~1829）在實(shí)驗(yàn)室里成功的觀察到了光的干涉．第十二頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日S1S2PPδ=0中央亮紋

由于從S1S2發(fā)出的光是振動(dòng)情況完全相同，又經(jīng)過(guò)相同的路程到達(dá)P點(diǎn)，其中一條光傳來(lái)的是波峰，另一條傳來(lái)的也一定是波峰，其中一雙縫S1S2屏幕條光傳來(lái)的是波谷,另一條傳來(lái)的也一定是波谷,在P點(diǎn)激起的振動(dòng)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(dòng)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(yè)，共三十六頁(yè)，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(gè)光程差正好等于波長(zhǎng)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(yè)，共三十六頁(yè)，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(yè)，共三十六頁(yè)，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(duì)稱的第一、第二、第三…，第n條亮紋。3λ第十六頁(yè)，共三十六頁(yè)，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(yè)，共三十六頁(yè)，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(gè)狹縫S1、S2路程差δ=S1－S2＝λ/2，其中一條光傳來(lái)的是波峰，另一條傳來(lái)的就是波谷，其中一條光傳來(lái)的是波谷，另一條傳來(lái)的一定是波峰，Q1點(diǎn)激起的振動(dòng)總是波峰與波谷相遇，振幅最小，Q1點(diǎn)總是振動(dòng)減弱的地方，故應(yīng)出現(xiàn)暗紋。λ/2λ/2P中央亮紋第十八頁(yè)，共三十六頁(yè)，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(duì)稱的Q1/、Q2/、Q3/……等暗紋。3λ/2Q1

第一暗紋P

中央亮紋第十九頁(yè)，共三十六頁(yè)，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(yè)，共三十六頁(yè)，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(zhǎng)的整數(shù)倍（半波長(zhǎng)的偶數(shù)倍）時(shí)，該點(diǎn)為振動(dòng)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(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，該點(diǎn)為振動(dòng)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(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日

小結(jié)

1、兩個(gè)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(guò)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(shí)驗(yàn)中，光屏上某點(diǎn)到雙縫的光程差為半波長(zhǎng)的偶數(shù)倍時(shí)，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(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，該點(diǎn)出現(xiàn)暗條紋．3、干涉條紋間距與波長(zhǎng)的關(guān)系△X隨波長(zhǎng)λ的增大而增大第二十二頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日相干信號(hào)相位調(diào)制與檢測(cè)利用被測(cè)量使得其中一束光線的相位發(fā)生變化，再通過(guò)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(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日實(shí)驗(yàn)原理圖第二十四頁(yè)，共三十六頁(yè)，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(duì)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(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日特點(diǎn)特點(diǎn)：具有更高的測(cè)試靈敏度和準(zhǔn)確度；絕大部分的干涉測(cè)試都是非接觸式的，不會(huì)對(duì)被測(cè)件帶來(lái)表面損傷和附加誤差；在精密測(cè)量、精密加工和實(shí)時(shí)測(cè)控的諸多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。第二十六頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日相干光外差檢測(cè)原理與應(yīng)用概念外差檢測(cè)將被測(cè)量調(diào)制在信號(hào)光波的頻率之中第二十七頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日，入射到探測(cè)器上的總光場(chǎng)為由于光探測(cè)器的響應(yīng)與光電場(chǎng)的平方成正比，所以光探測(cè)器的光電流為第二十八頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日設(shè)入射到探測(cè)器上的信號(hào)光場(chǎng)為：本機(jī)振蕩光場(chǎng)為：入射到探測(cè)器上的總光場(chǎng)為：基本原理第二十九頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日

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

光探測(cè)器輸出的光電流輸出為頻率為兩束光波的光頻差信號(hào)第三十頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日外差探測(cè)應(yīng)用------激光多普勒測(cè)速頻率調(diào)制：運(yùn)動(dòng)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(cè)：可見(jiàn)光的頻率很高（１０１４Hz)，一般光電器件不能響應(yīng)，也就無(wú)法直接檢測(cè)多普勒頻移．因此，需要光外差的方法：

第三十一頁(yè)，共三十六頁(yè)，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(guò)，車上喇叭的音調(diào)有一個(gè)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(lái)時(shí)音調(diào)較靜止時(shí)為高，而列車迅速離去時(shí)則音調(diào)較靜止時(shí)為低。此外，若聲源靜止而觀察者運(yùn)動(dòng)，或者聲源和觀察者都運(yùn)動(dòng)，也會(huì)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(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日多普勒效應(yīng)的應(yīng)用美國(guó)霍普金斯大學(xué)利用多普勒效應(yīng)對(duì)蘇聯(lián)第一顆人造衛(wèi)星進(jìn)行了跟蹤試驗(yàn)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)衛(wèi)星在近地點(diǎn)時(shí)信號(hào)頻率就增加，遠(yuǎn)地點(diǎn)時(shí)信號(hào)頻率就降低。因?yàn)樾l(wèi)星軌道是已知的，所以接收衛(wèi)星信號(hào)的接收機(jī)不論處于何方，它的位置都能被測(cè)定。第三十三頁(yè)，共三十六頁(yè)，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(dòng)性的光也會(huì)出現(xiàn)這種效應(yīng)，它又被稱為多普勒-斐索效應(yīng).因?yàn)榉▏?guó)物理學(xué)家斐索（1819-1896）于1848年獨(dú)立地對(duì)來(lái)自恒星的波長(zhǎng)偏移做了解釋，指出了利用這種效應(yīng)測(cè)量恒星相對(duì)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(jué)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(dòng)，稱為紅移；如果恒星朝向我們運(yùn)動(dòng)，光的譜線就向紫光方向移動(dòng)，稱為藍(lán)移.第三十四頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日多普勒