物理光學-4多光束干涉與光學薄膜402課件

一.法布里—珀羅干涉儀的結(jié)構(gòu)—珀羅干涉儀主要由兩塊平行放置的平面玻璃板或石英板G1、G2組成。單色擴展光源G1G24.2法布里—珀羅干涉儀(FabryPerotinterferometer)夏爾.法布里CharlesFabry(1867-1945)阿爾弗雷德.珀羅AlfredPerot(1863-1925)1897年發(fā)明法布里—珀羅空腔諧振器20世紀50年代中期，肖洛與美國著名物理學家湯斯共同研究微波激射問題。當湯斯提出受激輻射放大原理時，肖洛第一個提出運用沒有側(cè)壁的開放式法布里-珀羅腔作振蕩器的設(shè)想。1960年，他和湯斯研制出第一臺激光器。1.法布里—珀羅干涉儀的結(jié)構(gòu)兩板的內(nèi)表面鍍銀或鋁膜，或多層介質(zhì)膜以提高表面反射率。為了得到尖銳的條紋，兩鍍膜面應(yīng)精確地保持平行，其平行度一般要求達到(1/20-1/100)。G1G2F－P干涉儀由兩塊略帶楔角的玻璃或石英板構(gòu)成。如圖所示，兩板外表面為傾斜，使其中的反射光偏離透射光的觀察范圍，以免干擾。實際儀器中，兩塊楔形板分別安裝在可調(diào)的框架內(nèi)，通過微調(diào)細絲保證兩內(nèi)表面嚴格平行；接近光源的一塊板可以在精密導(dǎo)軌上移動，以改變空氣層的厚度。將它與邁克爾遜干涉儀產(chǎn)生的等頓干涉條紋圖比較可見，法布里一珀羅干涉儀產(chǎn)生的條紋要精細很多,但是兩種條紋的角半徑和角間距計算公式相同。邁克爾遜干涉儀法布里一珀羅干涉儀1.法布里—珀羅干涉儀的結(jié)構(gòu)通常法布里—珀羅干涉儀的使用范圍h是l~200mm，在一些特殊裝置中，h可大到lm。以h=5mm計算,中央條紋的干涉級約為20000，可見其條紋干涉級很高，因而這種儀器只適用于單色性很好的光源。1.法布里—珀羅干涉儀的結(jié)構(gòu)當干涉儀兩板內(nèi)表面鍍金屬膜時，由于金屬膜對光產(chǎn)生強烈吸收，使得整個干涉圖樣的強度降低。假設(shè)金屬膜的吸收率為A，則根據(jù)能量守恒關(guān)系有相繼兩光束的位相差為φ為金屬表面反射時的相變。A：金屬膜吸收率（吸收光強度與入射光強度之比）說明金屬吸收使透射光圖樣的峰值強度降低，嚴重時只有入射光強度的幾十分之一。干涉圖樣的強度公式為二.法布里一珀羅干涉儀的應(yīng)用舉例由于法布里一珀羅標準具能夠產(chǎn)生十分細而亮的等傾干涉條紋，所以它的一個重要應(yīng)用就是研究光譜線的精細結(jié)構(gòu)，將一束光中不同波長的光譜線分開—分光.1、研究光譜線的超精細結(jié)構(gòu)納黃光中包含兩個相近的波長1=589.0nm和2=589.6nm.干涉級mm+1m+2作為一個分光元件來說，衡量其特性的好壞有三個技術(shù)指標：(1)能夠分光的最大波長間隔—自由光譜范圍；(2)能夠分辨的最小波長差—分辨本領(lǐng)；(3)使不同波長的光分開的程度—角色散。1、研究光譜線的超精細結(jié)構(gòu)兩個波長為1和2的光入射至標準具，由于兩種波長的同級條紋角半徑不同，因而將得到如圖所示的兩組干涉圓環(huán)。干涉級mm+1m+2（1）、測量原理設(shè)光源中含有兩條譜線：l1和l2，l2=l1+Dl則：標準具在中心附近對應(yīng)的干涉級為m1

和m2。干涉級差為對應(yīng)于條紋的位移De于是有：當1和2

相差很大，以致于2

的第m級干涉條紋與1的第m+1

級干涉條紋重疊，就引起了不同級次的條紋混淆，達不到分光之目的。(2)自由光譜范圍——標準具常數(shù)mm+1所以，對于一個標準具分光元件來說，存在一個允許的最大分光波長差，稱為自由光譜范圍或標準具常數(shù)(Δ)S.R。(2).自由光譜的范圍（能測量的最大波長差）l2的(m-1)級條紋l1的m級條紋自由光譜范圍類似于卡尺的最大量程。鈉燈的雙光譜Dl＝6nmd1d2GGd1d2GGd1d2GG例如，若h=5mm，N30(R0.9)，=0.5m，則在接近正入射時，標準具的分辨本領(lǐng)為

(3)分辨本領(lǐng)這相當于在=0.5m

上，標準具能分辨的最小波長差()m為0.0083×10-4m，這樣高的分辨本領(lǐng)是一般光譜儀所達不到的。它定義為單位波長間隔的光，經(jīng)分光儀所分開的角度，用d/d表示。d/d愈大，不同波長的光經(jīng)分光儀分得愈開。(4)角色散Lfn0n0nhittP0rr=ft由法—珀干涉儀透射光極大值條件不計平行板材料的色散，兩邊進行微分，可得(4)角色散二、用作激光器的諧振腔如圖所示，一臺激光器主要由兩個核心部件組成：激光工作物質(zhì)(激活介質(zhì))和由M1、M2構(gòu)成的諧振腔。激活介質(zhì)M1M2激勵源激光工作物質(zhì)在激勵源的作用下，為激光的產(chǎn)生提供了增益，其增益曲線如圖中的虛線所示。二、用作激光器的諧振腔AI0vvv1/2BC振蕩閾值增益曲線諧振腔為激光的產(chǎn)生提供了正反饋，并具有選模作用，它實際上可以看作是由M1、M2構(gòu)成的法布—珀羅干涉儀。二、用作激光器的諧振腔激活介質(zhì)M1M2激勵源由激光理論，激光器的每一種輸出頻率稱為振蕩縱模，每一種輸出頻率的頻寬稱為單模線寬，相鄰兩個縱模間的頻率間隔稱為縱模間隔。二、用作激光器的諧振腔AI0vvv1/2BC振蕩閾值增益曲線激光器輸出的縱模頻率實際上是滿足法布里—泊羅干涉儀干涉亮條紋條件的一系列頻率。在正入射情況下，滿足下面的關(guān)系：n和

L分別是諧振腔內(nèi)介質(zhì)的折射率和諧振腔長度,m是干涉級。(1)縱模頻率由此可得縱模頻率為(1)縱模頻率相應(yīng)的波長為(2)縱模間隔可見，它只與諧振腔長度和折射率有關(guān)。縱模間隔為由多光束干涉條紋銳度的分析，干涉條紋的相位差半寬度為有(3)單模線寬因此，當光波包含有許多波長時，與相位差半寬度相應(yīng)的波長差為(3)單模線寬或以頻率表示，相應(yīng)的譜線寬度為(3)單模線寬由上式可見，諧振腔的反射率越高，或腔長越長，譜線寬度越小。例如，一支He-Ne激光器，L=1m，R=98％，可算出v1/2=1MHz。例1已知一組F-P標準具的間距為1mm，10mm，60mm和120mm，對于＝0.55m的入射光來說，其相應(yīng)的標準具常數(shù)為多少?為測量＝0.6328m、波長寬度為0.0l×10-4m的激光，應(yīng)選用多大間距的F-P標準具?解:(1)(2)例2某光源發(fā)出波長很接近的二單色光，平均波長為600nm。通過間隔d＝10mm的F-P干涉儀觀察時，看到波長為1的光所產(chǎn)生的干涉條紋正好在波長為2的光所產(chǎn)生的干涉條紋的中間，問二光波長相差多少。解:例3已知F-P標準具反射面的反射系數(shù)為r＝0.8944，求:(1)條紋半寬度；(2)條紋精細度。解:(1)(2)例4.已知汞綠線的超精細結(jié)構(gòu)為546.0753nm，546.0745nm,546.0734nm,546.0728nm。問用F-P標準具（板面反射率R=0.9)分析這一結(jié)構(gòu)時如何選取標準具的間距？解：選取標準具間距使其自由光譜范圍大于超精細結(jié)構(gòu)的最大波長差，并其分辨極限小于超精細結(jié)構(gòu)的最小波長差