光源單色性對干涉條紋可見度的影響 (2).doc

現(xiàn)象描述 兩個或兩個以上光脾場在空間相遇后是否能產(chǎn)生干涉?干涉程度如何育通常最直觀判別的辦法就是考察它們相遇后有無干涉條紋和干涉條紋的清晰程度。由于干涉條紋的清晰程度直接反映了光波場之間的干涉情況。因此，人們引入干涉條紋的可見度這一物理量來描述光波場的干涉情況，其定義式為(1)式中。分別代表干涉花樣中亮條紋的最大光強(qiáng)和暗條紋的最小光強(qiáng)。若0,則條紋的可見度V=1，這時，對比度最為理想，干涉條紋十分清晰，若，這時v=o,干涉條紋完全消失;若0V1，此時干涉條紋的可見度降低。經(jīng)驗表明，V不小于0. 707時條紋是比較清晰的。由此可知，干涉條紋的可見度v很好地反映了光波場之間的干涉情況和條紋的清晰程度。 1.光波的振動方向和振幅對干涉條紋可見度的影響 設(shè)有頻率相同、位相差恒定、振動方向不同的兩束平面單色光波沿同一方向Z傳播，其電矢量分別為，它們間的夾角為,如圖1所示。 現(xiàn)將的方向取為x軸，而將與x軸正交的方向取為y軸，將分解為和，兩個分振動。顯然，只有光振動的二分量二和光振動,滿足相干條件而發(fā)生干涉，其干涉光強(qiáng)為 (2)式中P為兩光波的位相差。 由圖1可得 (3) (4)將式(3)代入式(2)得 ( 5)由于光振動的分量，和光振動;的振動方向垂直不能發(fā)生干涉，故光振動的分量，在屏幕上形成背景光，其光強(qiáng)為，因此，屏幕上的總光強(qiáng)為 (6)上式中第三項為干涉項。 顯然，當(dāng)恒定時，光強(qiáng)的最大值和最小值分別為 (7) (8)干涉條紋的可見度為(9)從上可知，在兩光波頻率相同，位相差恒定的情況下，干涉條紋的可見度取決于兩光振動方向之間的夾角和振動的振幅，并且由(9)可算出，在保證干涉條紋較清晰時，兩光波振動方向的夾角和振福之比的極限。應(yīng)用拓展激光干涉條紋視力計在眼科臨床的應(yīng)用對于矯正視力不良眼，干涉視力檢查可作為弱視和視神經(jīng)疾病的鑒別診斷參考方法之一。白內(nèi)障病人只要晶體尚有能使激光束射入的微小透明間隙，就能測定干涉視力，因而能比視力表更確切地反映視網(wǎng)膜功能，可利用其預(yù)測白內(nèi)障術(shù)后視力，從而對是否手術(shù)起決定作用。激光干涉條紋視力測定法:受檢者取坐位，頭部固定于穎架和額托上，檢查者從窺鏡觀察，確認(rèn)瞳孔位置后，使激光束從混濁輕處射入瞳孔，讓受檢者確認(rèn)紅色圓形圖象，再令其辨認(rèn)干涉條紋方向(縱、橫、左斜、右斜)，從最大條紋間隔1.5周/度=視力0.05開始，通過改變條紋的方向及寬度，作出準(zhǔn)確測定。每個方向反復(fù)檢查三次，受檢者能識別的最小條紋間隔即是激光干涉條紋視力值。光的干涉在棱鏡光學(xué)平行差測量中的應(yīng)用絕大多數(shù)光學(xué)棱鏡均可以展開成等效玻璃平板,由于棱鏡角度偏差造成的等效玻璃平板的兩表面在光軸截面內(nèi)的不平行稱為第一光學(xué)平行差, 由棱差造成的在垂直于光軸截面內(nèi)的不平行稱為第二光學(xué)平行差。將棱鏡置于干涉光路中, 等效玻璃平板前后表面反射的相干光波產(chǎn)生干涉圖。通過對干涉條紋的處理, 可計算出棱鏡的角度偏差參數(shù)。通常, 根據(jù)平行光等厚干涉的原理測量棱鏡光學(xué)平行差。由等效玻璃平板前后表面產(chǎn)生等厚干涉條紋, 條紋的疏密與方向即反映了第一、第二光學(xué)平行差的大小。目視測量時, 通過估讀 x、y 方向的條紋數(shù)量, 可計算試件的光學(xué)平行差。當(dāng)采用計算機(jī)處理干涉圖時, 一般需要先從干涉圖中提取出波差面數(shù)據(jù),然后采用最小二乘法用平面擬合波差面, 該平面的法線方向與出射光線的方向一致, 由此可計算出被測棱鏡的第一、第二光學(xué)平行差。干涉條紋動態(tài)跟蹤技術(shù)的研究與應(yīng)用圖1給出了F-P腔干涉條紋形成及檢側(cè)的示意圖，待側(cè)介質(zhì)流過FP腔，以一定傾角射人到F-P腔上的光束，在兩反射平面間進(jìn)行多次反射，其透射光形成多光束等傾干涉，它們經(jīng)過凸透鏡會聚后，在焦平面上形成的干涉圖樣是一組同心圓環(huán)。干涉條紋銳利、清晰，內(nèi)環(huán)的干涉級次較高，離條紋中心愈遠(yuǎn)條紋愈密。當(dāng)被檢側(cè)介的濃度發(fā)生變化時，干涉條紋動態(tài)地向內(nèi)收縮或向外擴(kuò)張。折射率n隨級次k的變化關(guān)系為：（1）式中，為折射率的變化量，為亮條紋收縮或擴(kuò)張的條數(shù)，k為第k級亮條紋的級次。d為F-D腔兩反射面之間距離，f為會聚透鏡的焦距，為第k級亮條紋的半徑。濃度變化量和折射率變化量的關(guān)系為: 式中，為酒精的初始濃度，為初始折射率，分別為純乙醇和水的折射率，分別為乙醇和水的密度。將(l)式代人(2)式得: 由(1)和(3)可知，只要我們檢側(cè)出干涉圓環(huán)的變化，即干涉條紋移動的方向和數(shù)量，就可以由(l)和(3)計算出折射率變化量和濃度變化量，從而可以動態(tài)跟蹤其變化。采用電荷禍合器件CCD組成干涉條紋檢測傳感器，CCD感光窗口與焦平面AA卻重合。CCD象元經(jīng)光積分后，在驅(qū)動脈沖的作用下輸出相應(yīng)的脈沖信號，CCD輸出信號與明條紋對應(yīng)的為低電平，與暗條紋對應(yīng)的為高電平，每一個脈沖信號輸出的時序?qū)?yīng)CCD象元位置的順序。這樣，即將二維空間域中的光信號轉(zhuǎn)換為一維時間域中的離散數(shù)字信號。將CCD的輸出信號輸人給計算機(jī)，由計算機(jī)完成動態(tài)跟蹤計算處理，給出干涉圓環(huán)變化的數(shù)量和方向，進(jìn)一步實時計算待測液體的折射率和濃度的變化量。計算原理一般使用的單色光源其實并不是單一頻率的理想光源，它的光譜線總是有一定的寬度的，如圖1所示，由于在這一波長分布范圍內(nèi)的每一波長的光均會形成各自的一組干涉條紋，而且各組干涉條紋除零級條紋完全重合外，其他各級條紋互相間均有一定的位移。這樣各組條紋的非相干疊加的結(jié)果就會使條紋的可見度下降。圖1非理想單色光源的波長分布若理想的單色光源照射雙狹縫，產(chǎn)生等間距的平行直條紋，其間距為其中d為縫間間距，為屏幕到雙縫之距離，當(dāng)一定時，條紋間距與成正比。考慮實際光源的波長范圍，設(shè)最大波長的條紋間距為，最小波長的條紋間距為，則：顯見，那么，在軸上必存在一點，它滿足如下關(guān)系，對于長波的干涉圖樣為k級亮條紋，對于短波的干涉圖樣為（k+1）級亮條紋。見圖3，可推出 解得 于是的光程差為可見各波長的零級亮條紋都在坐標(biāo)原點處重疊，其余各亮條紋依次錯開。若短波的各級亮條紋中心分別在1，2，3各點；長波的各級亮條紋中心分別在各點，則其余各種波長在的各級亮條紋分別出現(xiàn)在1與，2與，3與，之間，不是一點，而是一個區(qū)域，隨著干涉級的增加，各級亮條紋的疊加區(qū)成正比的加寬。亦即同一級亮條紋的光能量分布區(qū)將隨著干涉級的增加而增大。其合成強(qiáng)度，零級最大，其余各級依次減小。而暗條紋的疊加區(qū)也將隨著干涉級的增加而增大。致使干涉圖樣的可見度降低。當(dāng)干涉級滿足時，k級亮條紋的光能量分布區(qū)已擴(kuò)大到的k級亮條紋與（k+1）級亮條紋之間，即各種波長的k級亮條紋混成一片，使這一區(qū)域的強(qiáng)度起伏消失。見圖3。自此之后干涉現(xiàn)象消失.故得結(jié)論如下：若光源發(fā)出的光具有一定的波長范圍，則在干涉場中存在著產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的最大光程差，稱為該光源的相干長度，記為。當(dāng)時，由可得