干涉(Interference)

2020-12-18 16:43:24 浏览:481

定义

按照波动光学观点,光的干涉指两个或者多个光波在同一空间域叠加时,若该空间域的光能量密度分布不同于各个分量波单独存在时的光能量密度之和,则称光波在该空间域发生了干涉 。

干涉场中,光能量密度的空间分布是干涉现象是否存在的依据,根据波的叠加原理,两个平面波的干涉场强度为:

其中干涉项的出现是光波叠加的结果,干涉现象是否产生,取决于干涉项。干涉项不为0的条件即称为相干条件。

由此可得相干条件为:两束光波在相遇处的振动方向应当相同;两束光波的频率应当相同;两束光波在相遇处应有固定不变的相位差。

产生相干光波的功能又称分光功能,按照分光方法不同,干涉装置可分为两类:分波面装置和分振幅装置。

图 1 实现光束干涉两种方法

迈克耳逊干涉仪

迈克耳逊干涉仪(Michelson interferometer)是一种利用分割光波振幅的方法实现干涉的精密光学仪器。

Gl和G2是两块折射率和厚度都相同的平行平面玻璃板,分别称为分光板和补偿板,G1背面有镀银的半反射面A,G1和G2互相平行。

图 2 迈克尔逊干涉仪及其原理图

干涉图可以认为由实反射面M1和虚反射面M'2构成的虚平板产生的,虚平板的厚度和楔角可通过调节M1和M'2反射镜控制。

图 3 实反射面M1和虚反射面M'2在不同相对位置处的干涉条纹

应用举例

1、激光比长仪

应用迈克耳逊干涉仪和稳频He-Ne激光器可以进行长度的精密计量。

图 4 激光比长仪示意图

2、光纤迈克耳逊干涉仪

在众多的光纤传感器中,有光纤构成的迈克耳逊干涉仪。反射光波经该二光纤由定向耦合器耦合到光电探测器D上,通过光电探测器记录干涉条纹的变化数,即可确定出样本移动距离。

图 5 光纤迈克尔逊干涉仪

法布里—珀罗干涉仪

法布里—珀罗干涉仪(Fabry–Pérot interferometer)是一种分辨本领极高的光谱仪器,还可以构成激光器的谐振腔,是一种多光束干涉仪器。

图 6 法布里—珀罗干涉仪原理图

主要由两块平行放置的平面玻璃板或石英板G1、G2 组成,两板的内表面镀银或铝膜,或多层介质以提高反射率。为了得到尖锐的条纹,两镀膜面应该精确地保证平行,其平行度一般要求达到(1/20-1/100)λ。如果两板之间的光程可以调节,这种干涉装置称为法布里-珀罗干涉仪,如果使两板间的距离固定不变,则称为法布里-珀罗标准具 。

应用举例

法布里-珀罗干涉仪能够产生十分细而亮的等倾干涉条纹,所以它一个重要应用就是研究光谱线的精细结构,即将一束光中不同波长的光谱线分开---分光。与迈克尔逊干涉仪产生的等厚条纹图比较可见,法布里-珀罗干涉仪产生的条纹要精细很多。

图 7 干涉条纹对比

马赫-曾德尔干涉仪

马赫-曾德尔干涉仪(Mach–Zehnder interferometer)与迈克耳逊干涉仪明显不同,两道被分开的光束只会分别行经一次马曾干涉仪的两条严格分隔的路径,然后产生干涉。

图 8 马赫-曾德尔干涉仪原理图

一道准直光束被分束器分成两光束,称为“参考来源光束”与“待测光束”。这两光束分别被两块反射镜反射后,又通过同样的第二个合束器,然后进入检测器产生干涉。

马曾干涉仪的内部工作空间相当宽广,干涉条纹的形成位置有很多种选择,因此,它是观察在风洞里气体流动的选择,对于一般流动可视化研究,也是很好的选择。它常被用于空气动力学、等离子物理学与传热学领域,可以测量气体的压强、密度和温度的变化。

参考文献

[1] 石顺祥,王学恩,马琳编. 物理光学与应用光学[M]. 2014

参阅:光波的数学描述

成像基本概念

作          者: 泮桥成像光电商城

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