现代传感技术第1章ppt课件.ppt

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1、第一章光波干涉传感技术本章主要介绍光波干涉传感技术中相关的光的电磁场理论基本知识、光波干涉的基本原理、激光光束的基本特性，以及现代光波干涉技术外差法、准外差法干涉计量技术与典型的干涉仪系统。光波干涉传感技术1.1光波传感技术基本知识1.2激光光束1.3干涉传感技术与应用实例光波传感技术基本知识光的电磁场理论麦克斯韦方程组电磁场的波动性平面光波在两个透明电介质分界面上的反射和折射光波的合成与干涉频率相同、振动方向相同的两光波干涉两个频率相同、振动方向互相垂直的光波的合成——偏振光频率相差很小的两个单色光波的合成——拍频与

2、色散1.麦克斯韦方程组不稳定电磁场的普遍规律可以总结为下面4个微分方程式：D——电感强度；E——电场强度；B——磁感应强度；H——磁场强度；算符——哈密顿（Hamilton）算符，x0、y0、z0分别为x、y、z坐标轴的单位矢；——D的散度（也记为divD）；——B的散度；——H的旋度（也记为rotH或curlH）；——E的旋度；——位移电流密度；j——传导电流密度。1.麦克斯韦方程组构成一组完整的反映电磁场普遍规律的方程组还应结合下列方程——介电常数（或电容率）——磁导率——电导率。在各向同性的均匀电介质中，，

3、和为常数。2.电磁场的波动性（1）波动方程从麦克斯韦方程组出发，可求解电磁场的波动方程。（2）平面电磁波波动公式也可写成下列两种三角函数形式若平面波沿空间任一方向传播时，其相应波动公式为相应复振幅为3.平面光波在两个透明电介质分界面上的反射和折射（1）菲涅耳公式根据熟知的反射定律和折射定律，当一个平面光波射到两种不同均匀透明介质的分界面上时，将分成两个波：一个透射波和一个反射波。假设平面光波沿着入射面XOZ投射到折射率分别为n1和n2的二介质分界面XOY上，以q1、q1'和q2分别表示入射角、反射角和折射角，如

4、图1-1所示。图1-1平面波入射到分界面XOY3.平面光波在两个透明电介质分界面上的反射和折射（1）菲涅耳公式反射波和入射波的振幅之比称为垂直分量的反射系数:折射波和入射波的振幅之比称为垂直分量的透射系数:式（1-22）和式（1-23）就是电矢量垂直于入射面的菲涅耳公式。用类似的推算也可求得电矢量平行于入射面的公式(1-22)(1-23)平行分量的反射系数平行分量的透射系数3.平面光波在两个透明电介质分界面上的反射和折射（2）布儒斯特公式上面已述当入射角满足关系时，rp=0，反射光中没有振动平行于入射面的分量，因而反射

5、光是完全偏振光，其电矢量的振动垂直于入射面。这个结论通常称为布儒斯特定律，而这时的入射角称为起偏振角或布儒斯特角，记为θB。将的关系代入折射定律，可以得到上式通常称为布儒斯特公式。3.平面光波在两个透明电介质分界面上的反射和折射（3）全反射如果光波从光密介质射向光疏介质（），折射定律是没有意义的，无法求出任何实数的折射角。事实上，这时没有折射光存在，所有的光全部反射回第一介质，这个现象称为全反射。满足条件的入射角qc称为临界角，相应的折射角。全反射时s分量的相位变化和p分量的相位变化分别满足(1-27)(1-28)3

6、.平面光波在两个透明电介质分界面上的反射和折射（3）全反射由式（1-27）和式（1-28）可见，在全反射条件下，两个分量有不同的相位变化，全反射后，两个分量之间的相位差由下式决定易见，入射光为线偏振光时，当入射角等于临界角，两个分量的相位差为零，则反射光也为线偏振光；但当入射角大于临界角，且入射线偏振光的振动面与入射面的交角又非0或，这时由于反射光的两上分量有一定的相位差，反射光将变成椭圆偏振光。(1-29)3.平面光波在两个透明电介质分界面上的反射和折射（4）消逝波光波在分界面上产生全反射时，并没有把全部光能都反射

7、回第一介质，而是透入第二介质很薄的一层表面（深度约为光波波长），并沿界面流动约半个波长再返回第一介质，如图1-2所示。透入第二介质表面的这个波，称为消逝波。由式（1-15），透射波的波动公式为式中图1-2全反射对透入第二介质的消逝波光波的合成与干涉波叠加原理：几个波在相遇点产生的合振动是各个波单独产生的振动的矢量和。叠加原理实质上是表示波传播的独立性：每一个波独立地产生作用，这种作用不因其他波的存在而受到影响。频率相同、振动方向相同的两光波干涉两个频率相同、振动方向互相垂直的光波的合成——偏振光频率相差很小的两个

8、单色光波的合成——拍频与色散1.频率相同、振动方向相同的两光波干涉如图1-3，频率相同、振动方向相同的两光波各自在P点产生的光振动为图1-3两光波在P点叠加1.频率相同、振动方向相同的两光波干涉根据叠加原理，在P点的合振动为令，，上式化为式中，a1和a2分别为两光波的振幅。令,因此，P点的合振动可写为1.频率相同、振动方