光学干涉在科技、工业中的应用

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1、寻 找 的 应 用 光 的 干 涉 是 光 的 波 动 性 的 表 现 。 两束 相 干 光 波 在 空 间 相 遇 时 形 成 干 涉 条 纹 ，获 得 光 干 涉 的 装 置 有 分 振 幅 法 和 分 波 阵面 法 二 种 ， 典 型 的 分 振 幅 法 干 涉 装 置 是牛 顿 环 和 劈 尖 装 置 。 它 们 产 生 的 干 涉 条纹 亮 度 大 。 目 前 广 泛 应 用 于 生 产 中 ， 如测 量 光 波 波 长 ， 曲 率 半 径 ，检 测 光 学 表 面 质 量 等 。 图 11-1 等 厚 干 涉 的 形 成 等 厚 干 涉 如 图 11-1所 示 ， 玻 璃 板 A和

2、 玻 璃 板 B二 者 叠 放 起 来 ，中 间 加 有 一 层 空 气 （ 即 形 成 了 空 气 劈 尖 ） 。 设 光 线1垂 直 入 射 到 厚 度 为 d的 空 气 薄 膜 上 。 入 射 光 线 在 A板 下 表 面 和 B板 上 表 面 分 别 产 生 反 射 光 线 2和 2 ，二 者 在 A板 上 方 相 遇 ， 由 于 两 束 光 线 都 是 由 光 线 1分 出 来 的 （ 分 振 幅 法 ） ， 故 频 率 相 同 、 相 位 差 恒 定（ 与 该 处 空 气 厚 度 d有 关 ） 、 振 动 方 向 相 同 ， 因 而会 产 生 干 涉 。 根 据 干 涉 条 件 ，

3、 当 光 程 差 为 波 长 的 整 数 倍 时 相 互 加 强 ， 出 现 亮 纹 ；为 半 波 长 的 奇 数 倍 时 互 相 减 弱 ， 出 现 暗 纹 。 22 d 2)12( 22 KK 出 现 暗 纹， 出 现 亮 纹210 ,3,2,1KK因 此 有 ： 光 程 差 取 决 于 产 生 反 射 光 的 薄 膜 厚 度 。 同一 条 干 涉 条 纹 所 对 应 的 空 气 厚 度 相 同 ， 故 称为 等 厚 干 涉 。 我 们 现 在 考 虑 光 线 2和 2的 光 程 差 与 空 气 薄 膜 厚 度 的 关 系 。 显 然 光 线 2比 光线 2多 传 播 了 一 段 距 离

4、2d。 此 外 ， 由 于 反 射 光 线 2是 由 光 密 媒 质 （ 玻 璃 ） 向光 疏 媒 质 （ 空 气 ） 反 射 ， 会 产 生 半 波 损 失 。 故 总 的 光 程 差 还 应 加 上 半 个 波长 ， 即 。2/ 2/2 d 根 据 光 的 干 涉 原 理 可 导 出 第 K级 暗 环 半 径 rk与 R的 关 系 式 ： rk2 = KR 透 镜 由 于 自 重 使 球 面 与 平 面 接 触 点 变 成 面 ，给 测 量 值 带 来 误 差 ， 为 减 少 这 种 误 差 可 采 用 第m与 第 n级 暗 环 半 径 平 方 之 差 ， 又 因 圆 心 不 易确 定 ，

5、 故 用 直 径 替 换 半 径 ， 得 若 已 知 ， 测 出 第 m环 和 第 n环 的 直 径 Dm、 Dn，便 可 算 出 R。 一 、 测 量 凸 透 镜 的 曲 率 半 径 R(牛顿 环 ) 二 、 测 量 微 小 厚 度 (劈 尖 干 涉 ) 在 劈 尖 架 上 两 个 光 学 平 玻 璃 板 中 间 的 一 端 插 入 一 薄 片 （ 或 细 丝 ） ，则 在 两 玻 璃 板 间 形 成 一 空 气 劈 尖 。 当 一 束 平 行 单 色 光 垂 直 照 射 时 ， 则被 劈 尖 薄 膜 上 下 两 表 面 反 射 的 两 束 光 进 行 相 干 叠 加 ， 形 成 干 涉 条

6、 纹 。其 光 程 差 为 ： （ d为 空 气 隙 的 厚 度 ） 产 生 的 干 涉 条 纹 是 一 簇 与 两 玻 璃 板 交 接 线 平 行 且 间 隔 相 等 的 平 行条 纹 ， 如 图 11-3所 示 。 同 样 根 据 牛 顿 环 的 明 暗 纹 条 件 有 ：22 d 图 11-3 劈 尖 干 涉 测 厚 度 示 意 图 2)12(22 md m=1,2,3时 ， 为 干 涉 暗 纹 。 2222 md m=1， 2， 3 时 ， 为 干 涉 明 纹 。 显 然 ， 同 一 明 纹 或 同 一 暗 纹 都 对 应 相 同 厚 度 的 空 气 层 ， 因 而 是 等 厚 干 涉

7、 。同 样 易 得 ， 两 相 邻 明 条 纹 （ 或 暗 条 纹 ） 对 应 空 气 层 厚 度 差 都 等 于 ； 则第 级 暗 条 纹 对 应 的 空 气 层 厚 度 为 ： ， 假 若 夹 薄 片 后 劈 尖 正 好 呈 现N级 暗 纹 ， 则 薄 层 厚 度 为 ：2 2mDm 2ND 用 a表 示 劈 尖 形 空 气 隙 的 夹 角 、 s表 示 相 邻 两 暗 纹 间 的 距 离 、 L表 示 劈 间 的长 度 ， 则 有 LDstg 2则 薄 片 厚 度 为 ： 2 sLD 由 上 式 可 见 ， 如 果 求 出 空 气 劈 尖 上 总 的 暗 条 纹 数 ， 或 测 出 劈

8、尖 的 L和相 邻 暗 纹 间 的 距 离 s， 都 可 以 由 已 知 光 源 的 波 长 测 定 薄 片 厚 度 （ 或 细 丝直 径 ） D。 干 涉 与 衍 射 膜 防 伪 油 墨我 可 是 真家 伙 ！ 百 元 大 钞 票 面 正 面 左 下 角 “ 100” 字 样 ， 与 票 面 垂直 角 度 观 察 为 绿 色 ， 倾 斜 一 定 角 度 则 变 为 蓝 色 ， 其 中用 到 的 就 是 干 涉 与 衍 射 防 伪 油 墨 。 干 涉 型 光 变 油 墨 是 现 代 防 伪 油 墨 中 最复 杂 的 一 种 ， 也 是 现 今 流 行 的 高 科 技 防 伪产 品 。 干 涉

9、变 色 油 墨 的 颜 料 由 光 学 干 涉 薄 膜构 成 ， 光 学 薄 膜 是 按 膜 系 结 构 的 要 求 ， 在高 真 空 的 条 件 下 把 不 同 折 射 率 的 材 料 依 次交 替 积 淀 在 同 一 载 体 上 形 成 ， 并 以 分 子 或原 子 的 形 式 蒸 发 到 载 体 上 。 干 涉 型 变 色 油 墨 的 变 色 原 理 第 一 ， 当 白 光 照 射 在 油 墨 膜 层 表 面 时 ， 油 墨 表 面 和 内 部 选择 性 地 吸 收 其 中 某 些 波 长 的 可 见 光 波 使 反 射 光 呈 现 颜 色 第 二 ， 光 线 照 射 到 油 墨 表 面

10、 后 其 中 一 部 分 被 表 面 反 射 回 去 ， 另一 部 分 光 透 过 油 墨 层 ， 经 墨 膜 第 二 界 面 反 射 再 透 过 油 墨 第 一 表面 返 回 入 射 空 间 ， 这 两 束 反 射 光 和 透 射 光 都 来 自 同 一 光 波 ， 它们 满 足 干 涉 条 件 ， 能 产 生 干 涉 而 呈 色 ， 干 涉 型 油 墨 的 呈 色 就 是根 据 第 二 点 原 理 设 计 出 来 的 。 由 光 的 干 涉 原 理 知 道 ， 当 光 束 1和 光 束 2的光 程 差 为 光 波 波 长 的 整 数 倍 ,即 2 时 ，光 波 在 油 墨 表 面 产 生

11、相 长 干 涉 。 此 外 ， 由 于固 着 在 印 刷 品 上 的 墨 膜 厚 度 h及 折 射 率 、 空 气与 连 结 料 或 承 印 材 料 的 折 射 率 及 半 波 损 失 是 不 变 的 ， 所 以 随 着 观 察 角 度 的 改 变 ， 光 束 1与2间 的 光 程 差 也 发 生 改 变 。 为 了 满 足 2 ,产 生 相 长 干 涉 的 光 束 波 长 也 发 生 相 应 改 变 ，从 而 产 生 颜 色 改 变 。 这 就 是 光 变 油 墨 的 变 色原 理 80年 代 初 ， 法 国 全 息 摄 影 展 在 世 界 各 地 展 览 ， 人 们 欣 赏 到 了 神 奇

12、莫 测 的 全 息 摄 影 。 墙 头 上 ， 看 来 明 明 伸 出 了 一 只 水 龙 头 ， 举 手 前 去 拧一 下 ， 结 果 是 抓 了 个 空 ； 一 只 镜 框 ， 里 面 没 有 什 么 图 像 ， 可 是 当 一 束光 射 过 来 ， 框 里 就 出 现 一 位 美 丽 的 姑 娘 ， 她 缓 慢 地 摘 下 眼 镜 ， 正 向 人微 笑 致 意 ； 一 只 玻 璃 罩 ， 里 面 空 无 一 物 ， 可 是 ， 在 光 的 照 射 下 ， 罩 里马 上 现 出 维 纳 斯 像 ； 在 镜 框 上 ， 玻 璃 罩 内 ， 图 像 还 在 不 断 地 变 换 。 一 般 情

13、况 下 ， 当 两 束 相 干 光 的 位 相 相 同 时 ， 合 成 光 源 的 振 动 （ 相 应的 光 强 ） 就 增 强 ， 反 之 ， 光 波 的 振 动 就 减 弱 。 而 光 的 位 相 是 随 位 置 变 化的 ， 因 此 ， 光 波 的 振 动 增 强 和 减 弱 也 随 位 置 而 变 化 。 这 样 ， 在 两 束 光 的交 叠 处 就 产 生 强 弱 相 间 的 干 涉 条 纹 。 条 纹 的 分 布 情 况 反 映 了 合 成 光 波 的位 相 在 不 同 位 置 的 变 化 情 况 。 因 此 ， 利 用 两 束 光 的 干 涉 所 产 生 的 干 涉 条纹 可 以

14、 有 效 地 把 位 相 的 变 化 情 况 记 录 下 来 ， 全 息 摄 影 就 是 利 用 光 的 干 涉把 景 物 散 射 光 波 以 干 涉 条 纹 的 形 式 ， 即 把 光 波 的 振 幅 和 位 相 记 录 在 感 光材 料 上 ， 也 就 是 说 ， 把 物 体 的 全 部 信 息 都 记 录 下 来 ， 因 而 具 有 获 得 立 体图 像 的 许 多 优 点 。 全 息 照 相 分 为 两 步 。 第 一 步 利 用 干 涉 法 拍 摄 全 息 图 （ 全 息 照 片 ） ， 如图 1（ a） 所 示 。 从 激 光 器 发 出 的 相 干 光 束 ， 被 分 束 镜 分

15、 成 两 束 光 ， 一 束光 照 明 到 被 摄 物 体 ， 从 物 体 上 反 射 或 散 射 的 物 光 射 到 感 光 胶 片 上 。 另 一部 分 光 束 投 射 到 反 射 镜 ， 被 反 射 的 光 波 直 接 照 射 到 感 光 胶 片 上 ， 这 束 光称 为 参 考 光 。 物 光 与 参 考 光 在 胶 片 上 迭 加 干 涉 ， 产 生 的 干 涉 图 样 即 记 录了 物 体 振 幅 和 位 相 的 全 部 信 息 。 这 张 具 有 干 涉 图 样 的 胶 片 经 过 适 当 曝 光 与 冲 洗 处 理 后 ， 就 是 一 张 全 息 图 （ 全 息 照 片 ） 。

16、 这 一 拍 摄 过 程 就 是 一 个记 录 或 储 存 信 息 （ 或 波 前 ） 的 过 程 。 这 是 一 个 物 光 波 前 再 现 亦 即 成 像 的 过 程 。 不 过 ， 如 果 再 现 光 束 和 原 来的 参 考 光 束 同 向 ， 得 到 的 物 像 是 虚 像 。 如 果 用 原 相 干 光 反 向 照 射 全 息 图 ， 则得 到 的 物 像 是 实 像 。 如 果 不 用 激 光 而 用 白 光 去 照 射 ， 由 于 白 光 是 由 多 种 波 长的 光 混 合 而 成 的 ， 全 息 照 片 上 的 干 涉 条 纹 ， 就 要 同 时 对 各 种 波 长 的 光

17、 发 生 衍射 。 因 而 ， 全 息 照 片 上 会 出 现 很 多 重 叠 错 位 的 像 ， 使 人 无 法 看 清 楚 。 当 然 ，如 果 我 们 在 全 息 图 的 拍 摄 过 程 中 采 用 诸 如 彩 虹 全 息 和 反 射 式 傅 立 叶 变 换 全 息等 记 录 技 术 ， 则 可 以 获 得 白 光 照 明 再 现 原 物 像 的 白 光 全 息 。 第 二 步 是 利 用 衍 射 原 理 进 行 物体 的 再 现 （ 重 现 ） 。 由 于 全 息 照 片记 录 的 是 两 相 干 光 相 互 干 涉 的 结 果 ，因 此 ， 与 原 来 的 被 摄 物 体 毫 无 相

18、 似之 处 。 然 而 ， 当 把 全 息 图 放 回 原 处 ，用 相 干 参 考 光 （ 此 时 称 为 再 现 光 束 ）照 明 全 息 图 时 ， 如 图 1（ b） 所 示 ，这 张 具 有 干 涉 图 样 的 全 息 图 宛 如 一块 复 杂 的 光 栅 将 发 生 衍 射 ， 在 这 些衍 射 光 波 中 包 含 着 原 来 的 物 光 波 ，观 察 者 迎 着 再 现 光 波 方 向 即 可 观 察到 一 个 逼 真 的 、 立 体 感 很 强 的 物 体再 现 像 。 干 涉 技 术 在 天 体 测 量 中 的 运 用 天 体 测 量 学 是 天 文 学 中 最 先 发 展

19、起 来 的 分 支 学科 .主 要 任 务 是 研 究 和 测 定 天 体 的 位 置 和 运 动 、 参考 系 的 定 义 和 实 现 、 参 考 架 的 建 立 和 维 持 ， 以 及 在其 他 学 科 中 的 应 用 .20世 纪 末 由 于 新 技 术 、 新 仪 器的 使 用 、 新 参 考 架 的 引 入 和 广 义 相 对 论 的 应 用 ， 天体 测 量 已 进 入 全 新 的 展 阶 段 :检 测 器 CCD代 替 了 传统 的 照 相 底 片 ， 光 干 涉 方 法 取 代 了 经 典 的 子 午 观 测技 术 ， 依 巴 谷 卫 星 的 发 射 成 功 显 示 了 空 间

20、 天 体 测 量时 代 的 开 始 ， 射 电 干 涉 测 量 实 现 的 河 外 射 电 参 考 架取 代 了 使 用 近 百 年 的 光 学 参 考 架 ， 在 相 对 论 框 架 下进 行 资 料 归 算 可 以 使 天 体 测 量 的 精 度 达 到 微 角 秒 量 级 川 . 干 涉 技 术 在 地 面 天 体 测 量 中 的 应 用 目 前 正 在 实 施 射 电 和 光 学 波 段 的 地 面 干 涉 仪 和 研 究 计 划 。 由 于 望 远 镜 口 径 、 大 气 的 湍 动 和 光 学 衍 射 的 影 响 ， 天 文 望 远 镜 的 角 分 辨 率 受到 限 制 ， 因 此

21、 既 不 可 能 利 用 传 统 的 光 学 技 术 直 接 测 定 恒 星 的 角 直 径 (小 于 0.05“ )，更 不 能 用 来 研 究 恒 星 表 面 的 细 节 (如 亮 度 分 布 等 ).1868年 法 国 Fizean最 早 提 出 了用 光 千 涉 的 方 法 测 定 恒 星 直 径 的 想 法 。 基 于 Fizean的 思 路 ， 1881年 美 国Michelson用 Lick天 文 台 30 cm折 射 望 远 镜 成 功 地 测 定 了 木 星 的 4个 伽 利 略 卫 星 的直 径 .1920年 人 们 又 设 计 了 新 型 结 构 的 干 涉 仪 ， 即

22、Michelson恒 星 干 涉 仪 . 以 后 又发 展 了 单 口 径 大 望 远 镜 的 干 涉 技 术 (如 斑 点 干 涉 仪 2)， 使 光 干 涉 技 术 有 了 进 一 步的 发 展 . 随 着 科 学 技 术 的 发 展 ， 1967年 长 基 线 干 涉 技 术 首 先 在 射 电 波 段 获 得 成 功 .现在 采 用 的 和 AGN的 视 超 光 速 现 象 的 发 现 就 是 利 用 该 技 术 取 得 的 重 大 成 果 .射 电 和光 学 波 段 的 长 基 线 干 涉 仪 大 部 分 采 用 了 Michelson干 涉 原 理 ， 由 于 见 光 的 波 长

23、比射 电 的 波 长 短 得 多 ， 大 气 的 高 频 扰 动 和 仪 器 本 身 的 稳 定 性 对 光 程 差 的 影 响 很 大 ，至 20世 纪 70年 代 末 长 基 线 光 干 涉 在 技 术 上 才 有 所 突 破 ， 80年 代 有 了 较 大 的 进 展 .1974年 法 国 Labeyrie首 次 用 2个 口 径 为 26 cm的 望 远 镜 安 放 在 12 m的 南 北 基 线上 得 到 了 织 女 星 的 干 涉 条 纹 .长 基 线 光 干 涉 仪 可 以 在 干 涉 和 综 合 孔 径 两 个 模 式 下工 作 ， 前 者 从 大 视 场 和 小 视 场 的

24、定 位 观 测 可 以 得 到 有 关 恒 星 的 直 径 、 双 星 的 间 距和 方 位 角 、 天 体 的 位 置 等 数 据 ;后 者 为 成 像 观 测 ， 可 以 得 到 射 电 源 和 恒 星 表 面 的细 节 (喷 流 、 黑 子 、 耀 斑 )和 亮 度 分 布 等 . 而 在 空 间 天 体 的 测 量 中 ， 也 应 用 到 了 干 涉 技 术 ， 这 里 就 不 展 开 了 。 当 今 ， 用 到 干 涉 技 术 的 天 体 测 量 课 题 大 体 有 ： 1.河 外 参 考 架的 建 立 与 维 持 2.参 考 架 的 联 系 3.距 离 的 测 定 4.相 对 论 的 实 验 5.飞 船 的 导 航 6.脉 冲 星 7.双 星 的 观 测 。 TO BE CONTINUED