光外差檢測系統(tǒng)

光外差檢測系統(tǒng)第1頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月概述相干檢測：利用光的相干性對光波所攜帶的信息信號進行檢測對光源的要求：激光相干檢測具有更高的精度和靈敏度第2頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月光到底是什么？……………17世紀明確形成了兩大對立學(xué)說牛頓惠更斯微粒說波動說19世紀初證明了波動說的正確性由于波動說沒有數(shù)學(xué)基礎(chǔ)以及牛頓的威望使得微粒說一直占上風(fēng)19世紀末光電效應(yīng)現(xiàn)象使得愛因斯坦在20世紀初提出了光子說：光具有粒子性第3頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月干涉現(xiàn)象是波動獨有的特征，如果光真的是一種波，就必然會觀察到光的干涉現(xiàn)象．光的干涉---預(yù)備知識復(fù)習(xí)第4頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月思考1：如果我們先假設(shè)光是一種波，那么按照我們所學(xué)的波動知識，光要發(fā)生干涉現(xiàn)象需要滿足什么條件？（頻率相同）思考2：有沒有什么方法可以獲得相干光—頻率相同的光呢？第5頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月天才的設(shè)想光束單縫雙縫紅濾色片

(激光)屏幕s0s1s2托馬斯·楊楊氏雙縫實驗被評為十大物理實驗之一。巧妙解決了相干光問題第6頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月實驗演示：用氦氖激光器演示光的雙縫干涉現(xiàn)象：出現(xiàn)明暗相間條紋。思考3：為什么有的地方亮一些有些地方暗一些？疊加（振動）加強的地方出現(xiàn)亮條紋，振動減弱的地方出現(xiàn)暗條紋。第7頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月P1PP1S2－P1S1=d光程差P2思考：當(dāng)P1點外移時光程差怎么變？S1S2P1PdP2（變大）討論：明和暗為什么相間（依次出現(xiàn)）呢？第8頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月S1S2PdS1PPS1S1S2PS2PPS2光程差d=0，S1、S2步調(diào)一致，該點振動加強。（明）第9頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月S1S2P1PdS1S2P1P1P1S1P1S2dS1S2P1d=λ/2光程差d=λ/2

，S1、S2在P1處步調(diào)相反，該點振動減弱。(暗）第10頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月S1S2P2PdS1S2P2P2P1S1P1S2dS1S2P2d=λ光程差d=λ，S1、S2在P2處步調(diào)一致，該點振動加強。(明）第11頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月1801年，英國物理學(xué)家托馬斯·楊（1773~1829）在實驗室里成功的觀察到了光的干涉．第12頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月S1S2PPδ=0中央亮紋

由于從S1S2發(fā)出的光是振動情況完全相同，又經(jīng)過相同的路程到達P點，其中一條光傳來的是波峰，另一條傳來的也一定是波峰，其中一雙縫S1S2屏幕條光傳來的是波谷,另一條傳來的也一定是波谷,在P點激起的振動總是波峰與波峰相遇或波谷與波谷相遇,振幅A＝A1+A2為最大,P點總是振動加強的地方,故應(yīng)出現(xiàn)亮紋,這一條亮紋叫中央亮紋.第13頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月P1

第一亮紋雙縫S1S2屏幕S1S2P1

取P點上方的點P1，從S1S2發(fā)出的光到P1點的光程差就不同，若這個光程差正好等于波長的整數(shù)倍，比如δ=S1－S2=λ，出現(xiàn)第一條亮紋。λλδ=λ第14頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月P2

第二亮紋雙縫S1S2屏幕

屏上P1點的上方還可以找到δ=S1－S2＝2λ的P2點出現(xiàn)第二條亮紋。2λ第15頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月P3

第三亮紋雙縫S1S2屏幕

屏上P1點的上方還可以找到δ=S1－S2＝4λ的P2點，δ=S1－S2＝5λ的P3點……等處的第四條、第五條……亮紋；在中央明紋P的下方可找到δ=S1－S2＝λ的P1/點，δ=S1－S2＝2λ的P2/點，δ=S1－S2＝3λ的P3/點等處與中央明紋為對稱的第一、第二、第三…，第n條亮紋。3λ第16頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月雙縫S1S2屏幕P1第一亮紋δ=λP中央亮紋δ=0P2第二亮紋δ=2λP3第三亮紋δ=3λP3第三亮紋δ=3λP2第二亮紋δ=2λP1第一亮紋δ=λ第17頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月Q1

第一暗紋雙縫S1S2屏幕S1S2P1

取P點上方的點Q1，與兩個狹縫S1、S2路程差δ=S1－S2＝λ/2，其中一條光傳來的是波峰，另一條傳來的就是波谷，其中一條光傳來的是波谷，另一條傳來的一定是波峰，Q1點激起的振動總是波峰與波谷相遇，振幅最小，Q1點總是振動減弱的地方，故應(yīng)出現(xiàn)暗紋。λ/2λ/2P中央亮紋第18頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月Q2

第二暗紋雙縫S1S2屏幕

屏上Q1點的上方還可以找到δ=S1－S2＝3λ/2的Q2點出現(xiàn)第二條暗紋。同樣可以找到第三條暗紋Q3……，在中央明紋下方也可以找到對稱的Q1/、Q2/、Q3/……等暗紋。3λ/2Q1

第一暗紋P

中央亮紋第19頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月雙縫S1S2屏幕P1第一亮紋δ=λP

中央亮紋δ=0P2第二亮紋δ=2λP3/

第三亮紋δ=3λP3第三亮紋δ=3λP3/

第二亮紋δ=2λP3/

第一亮紋δ=λQ2第二暗紋Q1第一暗紋Q3第三暗紋Q3/

第三暗紋Q2/

第二暗紋Q1/

第一暗紋δ=5λ/2δ=λ/2δ=3λ/2δ=5λ/2δ=3λ/2δ=λ/2第20頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）空間的某點距離光源S1和S2的路程差為0、1λ、2λ、3λ、等波長的整數(shù)倍（半波長的偶數(shù)倍）時，該點為振動加強點。

（2）空間的某點距離光源S1和S2的路程差為λ/2、3λ/2、5λ/2、等半波長的奇數(shù)倍時，該點為振動減弱點?？偨Y(jié)規(guī)律光程差δ=kλ（k=0，1，2，等）光程差δ=（2k-1)λ/2(k=1,2,3,等）亮紋暗紋第21頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

小結(jié)

1、兩個獨立的光源發(fā)出的光不是相干光，雙縫干涉的裝置使一束光通過雙縫后變?yōu)閮墒喔晒?，在光屏上形成穩(wěn)定的干涉條紋．

2、在雙縫干涉實驗中，光屏上某點到雙縫的光程差為半波長的偶數(shù)倍時，該點出現(xiàn)亮條紋；光屏上某點到雙縫的光程差為半波長的奇數(shù)倍時，該點出現(xiàn)暗條紋．3、干涉條紋間距與波長的關(guān)系△X隨波長λ的增大而增大第22頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月相干信號相位調(diào)制與檢測利用被測量使得其中一束光線的相位發(fā)生變化，再通過干涉作用把相位變化變換為幅值變化，叫做相位調(diào)制。典型應(yīng)用邁克爾遜干涉儀第23頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月實驗原理圖第24頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月如果d逐漸減小，看到的現(xiàn)象是干涉圓環(huán)內(nèi)縮（吞）；如果d逐漸增大，同理，看到的現(xiàn)象是干涉圓環(huán)外（吐）。對于中央條紋，當(dāng)內(nèi)縮或外擴N次，則光程差變化為2d＝N第25頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月特點特點：具有更高的測試靈敏度和準(zhǔn)確度；絕大部分的干涉測試都是非接觸式的，不會對被測件帶來表面損傷和附加誤差；在精密測量、精密加工和實時測控的諸多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。第26頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月相干光外差檢測原理與應(yīng)用概念外差檢測將被測量調(diào)制在信號光波的頻率之中第27頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月，入射到探測器上的總光場為由于光探測器的響應(yīng)與光電場的平方成正比，所以光探測器的光電流為第28頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)入射到探測器上的信號光場為：本機振蕩光場為：入射到探測器上的總光場為：基本原理第29頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

；:量子效率；:光子能量；:差頻。式中第一、二項為余弦函數(shù)平方的平均值，等于1／2。第三項（和頻項）是余弦函數(shù)的平均值為零。而第四項（差頻項）相對光頻而言，頻率要低得多。當(dāng)差頻低于光探測器的截止頻率時，光探測器就有頻率為的光電流輸出。

光探測器輸出的光電流輸出為頻率為兩束光波的光頻差信號第30頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月外差探測應(yīng)用------激光多普勒測速頻率調(diào)制：運動物體的反射或散射光發(fā)生多普勒頻移而改變光的頻率。將物體的速度信息調(diào)制入光的頻率，頻率變化量與速度有關(guān)。光外差檢測：可見光的頻率很高（１０１４Hz)，一般光電器件不能響應(yīng)，也就無法直接檢測多普勒頻移．因此，需要光外差的方法：

第31頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

概念—聲波多普勒效應(yīng)

一輛汽車在我們身旁急馳而過，車上喇叭的音調(diào)有一個從高到低的突然變化；站在鐵路旁邊聽列車的汽笛聲也能夠發(fā)現(xiàn)，列車迅速迎面而來時音調(diào)較靜止時為高，而列車迅速離去時則音調(diào)較靜止時為低。此外，若聲源靜止而觀察者運動，或者聲源和觀察者都運動，也會發(fā)生收聽頻率和聲源頻率不一致的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。第32頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月多普勒效應(yīng)的應(yīng)用美國霍普金斯大學(xué)利用多普勒效應(yīng)對蘇聯(lián)第一顆人造衛(wèi)星進行了跟蹤試驗，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)衛(wèi)星在近地點時信號頻率就增加，遠地點時信號頻率就降低。因為衛(wèi)星軌道是已知的，所以接收衛(wèi)星信號的接收機不論處于何方，它的位置都能被測定。第33頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月光波的多普勒效應(yīng)光波的多普勒效應(yīng)具有波動性的光也會出現(xiàn)這種效應(yīng)，它又被稱為多普勒-斐索效應(yīng).因為法國物理學(xué)家斐索（1819-1896）于1848年獨立地對來自恒星的波長偏移做了解釋，指出了利用這種效應(yīng)測量恒星相對速度的辦法.光波與聲波的不同之處在于,光波頻率的變化使人感覺到是顏色的變化.

如果恒星遠離我們而去,則光的譜線就向紅光方向移動，稱為紅移；如果恒星朝向我們運動，光的譜線就向紫光方向移動，稱為藍移.第34頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月多普