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1、2.4 典型干涉仪仪2.4.1 迈克尔逊干涉仪2.4.2 马赫-泽德干涉仪2.4.3 法布里-珀罗干涉仪2.4.1 迈克尔逊干涉仪SLDG1CEM2M1M2G2PIII相对于半反射面A，作出平面反射镜M2的虚像M2。于是可以认为观察系统 L 所观察到的干涉图样，是由实反射面M1和虚反射面M2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M2反射镜控制。因此，迈克尔逊干涉仪可以产生厚的或者薄的平行平板(M1和M2 平行)和楔形平板(M1和M2 有一小的夹角)的干涉现象。扩展光源可以是单色性很好的激光，也可以 是单色性很差的(白光)光源。2.4.1 迈克尔逊干涉仪调节M2，使M2与M1平行
2、，观察到的干涉图样是 一组在无穷远处(或在L的焦平面上)的等倾干涉圆环。当M1向M2移动时(虚平板厚度减小)，圆环条纹向中心收缩，并在中心一一消失。M1每移动 的距离，在中心就消失一个条纹。 2.4.1 迈克尔逊干涉仪根据条纹纹消失的数目，可确定M1移动动的距离。根据(2-26)式，此时时条纹变纹变 粗(因为为h变变小，eN变变大)，同一视视场场中的条纹纹数变变少。M1与M2完全重合时，各个方向入射光的光程差均相等，所以视场均匀。M1逐渐离开M2时，条纹不断从中心冒出，且随虚平板厚度的增大，条纹越来越细越密。2.4.1 迈克尔逊干涉仪如果调节调节 M2，使M2与M1相互倾倾斜一个很小的角度，且
3、当M2与M1比较较接近，观观察面积积很小时时，所观观察到的干涉图样图样 近似是定域在楔表面上或楔表面附近的一组组平行于楔边边的等厚条纹纹。在扩扩展光源照明下，如果M1与M2的距离增加，则则条纹纹将发发生弯曲，弯曲的方向是凸向楔棱一边边，同时时条纹纹可见见度下降。 干涉条纹弯曲的原因如下：如前所述，干涉条纹应当是等光程差线,当入射光不是平行光时，对于倾角较大的光束，若要与倾角较小的入射光束等 光程差，其平板厚度应增大(这可由 看出)。2.4.1 迈克尔逊干涉仪由图图2-33可见见，靠近楔板边缘边缘 的点对应对应 的入射角较较大 ，因此，干涉条纹纹越靠近边缘边缘 ，越偏离到厚度更大的地方 ，即弯曲
4、方向是凸向楔棱一边边。在楔板很薄的情况下，光 束入射角引起的光程差变变化不明显显，干涉条纹纹仍可视视作一 些直线线条纹纹。对对于楔形板的条纹纹，与平行平板条纹纹一样样，M1每移动动一个 /2 距离，条纹纹就相应应地移动动一个。 补偿板G2的作用：消除两束光和的不对称性。 对于单色光照明，这种补偿并非必要；观察白光条纹时，补偿板不可缺少。2.4.1 迈克尔逊干涉仪激光比长仪示意简图 M1M2干涉仪 可移动平台光电显微镜记录仪光电计数器激光器 待测物体1. 激光比长仪长仪应应用举举例2.4.1 迈克尔逊干涉仪光纤迈克尔逊测长干涉仪原理图 M1DLPM22. 光纤迈纤迈 克尔逊逊干涉仪仪应应用举举例
5、2.4.1 迈克尔逊干涉仪马赫-泽德干涉仪2.4.2 马赫-泽德干涉仪SPW1A2G2A1G1L2M1M2L1W1W2NP例如，为了研究尺寸较大的风洞中任一平面附近的空气涡流，将风洞置于M2和G2之间，并在M1和G1之间的另一支光路上放置补偿，调节M2和G2 ，使定域面在风洞中选定的平面上，由透镜L2和照相机拍摄下这个平面上的干涉图样。只要比较有气流和无气流时的条纹图样，就可确定出气流所引起空气密度的变化情况。2.4.2 马赫-泽德干涉仪马赫-泽德光纤干涉仪的定域温度传感器 激光器扩束器分束器显微物镜单模光纤温度干涉应应用举举例2.4.2 马赫泽德干涉仪1. 法布里珀罗干涉仪的结构hG2G1L
6、1SPL2为了得到尖锐的条纹，两镀膜面应精确保持平行，平 行度一般要达到(1/201/100)。每块玻璃板两表面通常制 成一个小楔角(110)，以避免无镀膜表面的反射光干扰。2.4.3 法布里-珀罗干涉仪两板之间的距离可以调节法布里-珀罗干涉仪两板间的距离固定不变（两板间放殷钢制成的空心圆柱形间隔器）法布里-珀罗标准具1. 法布里珀罗罗干涉仪仪的结结构hG2G1L1SPL22.4.3 法布里-珀罗干涉仪(a) 迈克尔逊干涉仪 (b) F-P干涉仪两种干涉仪中干涉条纹的比较2. 法布里珀罗罗干涉仪仪的光强两种条纹纹的角半径和角间间距计计算公式相同。2.4.3 法布里-珀罗干涉仪条纹干涉级决定于空
7、气平板的厚度h，通常法布里-珀罗干涉仪的使用范围是1200 mm，在一些特殊装置中，h可大到 1m 。以h=5mm计算，中央条纹的干涉级约为20000，因而这种仪器只适用于单色性很好的光源。2. 法布里珀罗罗干涉仪仪的光强2.4.3 法布里-珀罗干涉仪当干涉仪两板内表面镀金属膜时，由于金属膜对光产生强烈吸收，使得整个干涉图样的强度降低。假设金属膜的吸收率为A，则根据能量守恒关系有：R + T + A = 12. 法布里珀罗罗干涉仪仪的光强2.4.3 法布里-珀罗干涉仪当干涉仪两板的膜层相同时，由爱里公式可以得到膜层存在吸收时的透射光干涉强度：光在金属内表面反射时的相位变化，R金属膜内表面反射率
8、。可见，由于金属膜的吸收，干涉图样 强度降低了1A/(1R)2 倍，严重时，峰值强度只有入射光强的几十分之一。2. 法布里珀罗罗干涉仪仪的光强2.4.3 法布里-珀罗干涉仪法布里-珀罗标准具能够产生十分细而亮的等倾干涉条纹，其重要应用之一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。2.4.3 法布里-珀罗干涉仪应应用举举例1. 研究光谱线谱线 的超精细结细结 构分光元件的三个技术术指标标： 自由光谱范围 分辨本领 角色散F-P标准具的两套干涉圆环21干涉级m m+1 m+22.4.3 法布里-珀罗干涉仪应应用举举例(1) 自由光谱范围标准具常数当波长为长为1和2 (2 1)的光入
9、射至标标准具，由于两种波长长的同级级条纹纹角半径不同，因而将得到两组组干涉圆环圆环 。 允许许的最大分光波长长差，称为为自由光谱谱范围围()f 。 1. 研究光谱线谱线 的超精细结细结 构对于靠近条纹中心的某一点( 0 )处, 2的第m级条 纹与1的第m+1级条纹发生重叠时，其光程差相等。因此2.4.3 法布里-珀罗干涉仪应应用举举例(1) 自由光谱范围标准具常数例如：对对于h = 5mm的标标准具，入射光波长长 = 0.5461m， n = 1 时时， ()f = 0.310-4m1. 研究光谱线谱线 的超精细结细结 构分光仪器所能分辨开的最小波长差()m称为分辨极限。 分辨本领2.4.3
10、法布里-珀罗干涉仪应应用举举例(2) 分辨本领1. 研究光谱线谱线 的超精细结细结 构瑞利判据两个等强度波长的亮条纹只有当它们的合强度曲线中央极小值低于两 边极大值的81%时，才算被分开 。2.4.3 法布里-珀罗干涉仪应应用举举例(2) 分辨本领两个波长的亮条纹刚好 被分辨开时的强度分布 I00.81IMIMGF1. 研究光谱线谱线 的超精细结细结 构如果不考虑标准具的吸收损耗，1和2的透射光合强度为: 1和2是在干涉场上同一点的两波长条纹所对应的相位差。2.4.3 法布里-珀罗干涉仪应应用举举例(2) 分辨本领1. 研究光谱线谱线 的超精细结细结 构因此极小值强度:在合强度极大值处，1 =
11、 2m， 2 = 2m ，2.4.3 法布里-珀罗干涉仪应应用举举例设I1i=I2i=Ii，12= ，则在合强度极小值处1 = 2m /2, 2 = 2m /2(2) 分辨本领因此极大值强度:1. 研究光谱线谱线 的超精细结细结 构按照瑞利判据，两个波长条纹恰能分辨的条件是:因此有:(2) 分辨本领2.4.3 法布里-珀罗干涉仪应应用举举例由于 很小，sin/2 /2，则则 N 条纹的精细度 。1. 研究光谱线谱线 的超精细结细结 构由于此时两波长刚被分辨开， = ，所以标准具的分辨本领为：2.4.3 法布里-珀罗干涉仪应应用举举例(2) 分辨本领由 ，略去 的影响，有:1. 研究光谱线谱线
12、的超精细结细结 构分辨本领与条纹干涉级数和精细度成正比。由于法 布里-珀罗标准具的 m很大，所以分辨本领极高。例如：h=5mm, N30(R0.9)，=0.5 m，则在接近正入射时，标准具的分辨本领 ：2.4.3 法布里-珀罗干涉仪应应用举举例(2) 分辨本领这这相当于在 = 0.5m上，标标准具能分辨的最小波长长 差为为0.008 310-4m，这样这样 高的分辨本领领是一般光谱仪谱仪 所达不到的。1. 研究光谱线谱线 的超精细结细结 构应当指出，上面的讨论是把 1 和 2 的谱线视为单色谱线，由于任何实际谱线的本身都有一定的宽度，所以标准具的实际分辨本领达不到这样高。 有时把 0.97N
13、称为标准具的有效光束数N。于是： 2.4.3 法布里-珀罗干涉仪应应用举举例(2) 分辨本领1. 研究光谱线谱线 的超精细结细结 构角色散定义为单位波长间隔的光，经分光仪所分开的角度，用d /d表示。d /d 愈大，不同波长的光经分光仪分得愈开。2.4.3 法布里-珀罗干涉仪应应用举举例(3) 角色散1. 研究光谱线谱线 的超精细结细结 构可见角度 愈小，仪器的角色散愈大。因此，F-P 干涉仪的干涉环中心处光谱最纯。 2.4.3 法布里-珀罗干涉仪应应用举举例(3) 角色散由F-P干涉仪仪透射光极大值值条件 ：或不计平行板材料的色散，两边进行微分得 ：1. 研究光谱线谱线 的超精细结细结 构性
14、能指标 中心波长长0 透光率最大(TM)时时的波长长； 透射带带的波长长半宽宽度透过过率为为最大值值一半处处的波长长范围围 1/2 ； 峰值值透过过率TM 2）滤光片的作用只让某一波段范围的光通过。 吸收滤滤光片利用物质对质对 光波的选择选择 性吸收进进行滤滤光 。 干涉滤滤光片利用多光束干涉原理实现滤实现滤 光。滤光片的分类2.4.3 法布里-珀罗干涉仪应应用举举例1、法布里-珀罗型干涉滤光片全介质干涉滤光片金属反射膜干涉滤光片 2.4.3 法布里-珀罗干涉仪应应用举举例正入射时，透射光产生极大的条件为 滤光片的中心波长 2nh = m m = 1, 2, 3, 滤光片的中心波长 相邻干涉级
15、 (m = 1) 的中心波长差 = 2m m = 1, 2, 3, 1、法布里-珀罗型干涉滤光片2.4.3 法布里-珀罗干涉仪应应用举举例m、R 愈大，1/2愈小，干涉滤光片的输出单色性愈好。 透射带带的波长长半宽宽度 或1、法布里-珀罗型干涉滤光片2.4.3 法布里-珀罗干涉仪应应用举举例对应于透射率最大的中心波长的透射光强与入射光强之比考虑膜层的吸收损耗，透射光干涉图样强度 峰值透射率 TM (2.4-3)得1、法布里-珀罗型干涉滤光片2.4.3 法布里-珀罗干涉仪应应用举举例一种典型的多层介质膜干涉滤光片透射率曲线 1、法布里-珀罗型干涉滤光片2.4.3 法布里-珀罗干涉仪应应用举举例几种干涉滤光片的特性 1、法布里-珀罗型干涉滤光片2.4.3 法布里-珀罗干涉仪应应用举举例膜厚变化对截止带的影响 2、红外滤光片依据多层高反射膜的反射率光谱特性，膜厚的变化 将改变截止带的位置。 如果 nh = 0.22m，则反射红外线而透过可见光。 如果 nh = 0.13m，膜系反射可见光而透过红
