基础干涉光学.doc

干涉基础 第二版 1 引言 在我们周围随处可以见到由光波干涉所引起的现象，典型的例子像是浮油或肥皂薄膜所呈现的颜色等。 在白光照明时，只能看到很少一部分的彩色相干图样。原因是，随着薄膜厚度的增加，相干光波的光程差随之增加，图样颜色的变化也越来越不明显，直至消失。然而，在单色光源照明下，即使存在较大的光程差，仍然可以观察到干涉条纹。 由于可见光的波长很小（约半微米的绿色光），故光程差的微小变化就将会对干涉图样的的强度产生较大的影响。因此，相干光学可以应用于精密测量。 近一百年以来，相干光学测量一直作为实验室技术被采用。随着一些新的发展，扩大了其适用的范围和准确性，同时使光学测量的实际应用在测量领域得到更大的扩展。 所有这些新扩展的关键大都要归功于激光的发明使用。激光消除了传统光源所造成的诸多限制，并且实现了很多新的相干技术。同时，利用单模光纤仿制出的传统干涉仪的模拟仪器同样打开了新的应用领域。另外，光电探测器和用于信号处理的数字电子学的逐步深入应用使得干涉测量技术有了革命性的进展。干涉测量又以通过由光速为依据来从新定义国际标准长度从而获得了更加显著的应用地位。 现阶段光学干涉的一些主要应用像是距离、位移和振动的精确测量；光学系统的测试；气体流量和等离子体的研究；地表形貌的研究；温度、压力和电场磁场的测量；旋转传感；高分辨率光谱和激光频率的测量。正在探索中的应用包括高速全光逻辑和引力波的探测。毫无疑问，在不久的将来，将会有更多的发现。 2 干涉：入门 在这一章中，我们将讨论一些基本概念： ·光波 ·干涉图样的强度 ·干涉条纹的反衬度 ·点光源的干涉 ·干涉条纹的定域 2.1 光波 光波可以认为是在空间中横向传播的电磁波。由于电场和磁场是相互联系并且共同传播的，所以在任何一点上通常只考虑电场的作用；电场可以被看作随时间变化的垂直于光传播方向的矢量。如果电场矢量总是位于同一平面，那么光波就可以认为是沿这一平面的线偏振光。由于光波沿轴方向传播，于是我们就可以在任意一点处用标量式来描述电场： 其中是光波的振幅，是频率，是波长。可见光的范围是从0.4（紫）到0.75（红），各自相对应的频率约为到。较短的波长在紫外（）区，而较长的波长在红外()区。 方括号内的称为波的相位，它与时间以及沿轴的初始距离有关，随着时间的推移，等相位面（波前）由式限定，沿着轴传播的速度： （真空中约米每秒）。在折射率为的介质中，光波的速度为： 由于它的频率保持不变，其波长： 如果一束光波在这种介质中穿越的距离为，其等效光程为： 方程也可以写成紧凑的形式： 是圆频率，是传播常数。 方程描述的是在空间传播的平面波，但是，点光源向各个方向都有均匀的辐射，它的波前就像是一个向外膨胀的球壳。这使得我们引入球面波的概念，可以由方程表示为 离光源很远的距离处，在一个特定的区域内，这种球面波可以近似的被看作是球面波。 这种用余弦函数表示出来的光波方程，虽然是很容易理解的，但是却不实用于数学运算。更通常的表示方法是负指数形式，方程的这种表示形式（见附录一）为： 此处的和被称为复振幅。 2.2干涉图样的强度 当两束光叠加传播时，光场任意一点处的总光强取决于它们的相干相长或相干相消。这就是总所周知的干射现象。我们假设这两束光在相同的方向上传播并且场矢量的偏振方向