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1、本科毕业设计（论文）答辩文件手册题目:迈克尔逊干涉仪条纹分析特性与仿真学生姓名：学号：班级:专业：院（系）:指导教师：职称：本科毕业设计（论文）文献综述论文题目：迈克尔逊干涉仪条纹特性分析与仿真文献综述1 .前言1883年美国物理学家迈克尔逊和莫雷合作，以证明“以太”的存在而设计了世界上第一台用于精密测量的干涉仪迈克尔逊干涉仪，它是在平板或薄膜干涉现象的基础上发展起来的。迈克尔逊干涉仪在科学发展史上起了很大的作用，著名的迈克尔逊干涉实验否定了“以太”的存在。发现了真空中的光速为恒定值，为爱因斯坦的相对论奠定了基础。迈克尔逊用镉红光波长作为干涉仪光源来测量标准米尺的长度，建立了以光波长为基准的绝
2、对长度标准。迈克尔逊还用该干涉仪测量出太阳系以外星球的大小。通过对迈克尔逊干涉仪原理及干涉理论的研究分析，解释试验过程中出现密和粗而疏的条纹原因，并针对调节过程中常常出现的非标准干涉条纹的现象提出相应的解决方案。迈克尔逊干涉仪，它是利用分振幅法产生双光束以实现干涉。通过调整该干涉仪，可以产生等厚干涉条纹，也可以产生等倾干涉条纹。主要用于长度和折射率的测量，在近代物理和近代计量技术中，它在光谱线精细结构的研究和用光波标定标准米尺等实验中有着重要的应用目前己经有几个著名厂家的成熟的干涉仪产品，覆盖了相当大的应用范围。但是干涉仪毕竟不是一个简单的工具，没有一定的理论基础难以正确使用，何况还有许多新的
3、应用领域有待研究，需要更加深入的理论知识。等倾、等厚干涉原理是研究干涉技术的重要知识点之一，掌握等倾、等厚干涉原理及应用对进一步研究干涉测量技术有着重大的现实意义网。而这两种干涉条纹的应用也十分的广泛，等倾干涉条纹可以测量透明平板的厚度和折射率，等厚干涉条纹可以测量波长，薄膜厚度，液体折射率等等。在国内外的相关研究中，虽然关于等倾干涉和等倾干涉都有相关的探讨，但是能将两者的异同点系统化地加以比较的并不多见。而且国内的文献中较少有将等倾干涉和等厚干涉基本原理与相关应用结合进行系统研究。本文将结合在光学学习过程中的心得体会,依据波动光学的相关知识点，结合前人的探讨结果，从以下方面讨论了光的等倾干涉
4、、等厚干涉及迈克尔逊干涉条纹非标准现象讨论:等倾、等厚干涉基本原理、计算方法、条纹特点，迈克尔逊干涉非标准条纹如何解决等。从而较深入的探讨了等倾、等厚干涉的本质。在此基础上希望能对大家更好地运用光学知识有所帮助。2 .主体在2015年4月，乔亮等人对等倾、等厚干涉条纹实验用MAT1.AB进行了仿真实验。两列相干光在某个点相互叠加，他们的合成光强分布为/=1.+/2+277703，式中方为两列光波的相位差。基于上述的理论，在MAT1.AB中设计以下仿真程序：f=O.2;Ianbcfe=6328*10(-9)d=2.5*107-4);theta=O.20;rMax=f*tan(theta/2);N
5、=501;fori=1:Nx(i)=(i-l)*2*rMax/(N-I)-rfax;forj=1:NyG)=(j-l)*2*fex(N-I)x;rd,j)=sgjt(x(i)2+y(j)2);delta(i,j)=2*dst(l+r(i,j)2f2);PhiG.,j)=2*pi*delta(i,j)/lambda;B(i,j)=4*coshi(i,j)/2)2;endendNg1.ey=255;Br=(B/4.0)*HC1.髅与;figure(1):image(x,y,Br);co1csnnap(grayIC1.eveIs);axissquare;图1仿真程序如图2所示为利用MAT1.AB模拟
6、入射波波长为63Z8nm的等倾干涉条纹图样，程序中可以通过改变空气薄层的厚度和入射倾角得到不同的干涉条纹图样。在实验操作中，得到此同心圆环状的干涉条纹后，继续微调反射镜M2使得M2与M产生微小的倾角（图5）,便可以实现图3的等厚干涉条纹。图2等倾干涉条纹仿真图图3等厚干涉条纹仿真图在2019年9月杨文虎等人对迈克尔逊干涉实验的非标准干涉现象进行了讨论及提出了解决的方法光路原理图如图4,理论分析如图5所示：光源S与干涉轴线垂直，经半透镜G1和补偿镜G2分成两束光，由平面镜M2通过半透半反镜G1成虚像Mo故可认为两束相干光线是由M1和M2，反射来的。也可视为由虚光源&和S?发出其间距为2d(d为M
7、l和M2之间的距离)。为光从S1点射向中心点下射向A点的夹角。图4迈克尔逊干涉仪的光路原理图(1)形成干涉的圆环现象由当和S2到屏E上任一点A两光的光程差为：M=S1A-S2A公式(1)由于dvv1.,且“极小，可以近似得出：d=2clc2d(-y1)公式(2)当M=2dcos=KQKeN),干涉条纹中心为明纹；Ad=2dcos9=(2K+D%(KN),干涉条纹中心为暗纹。则可在观察屏的中间观察到明暗相间的标准同心圆环。(2)条纹外缩与内缩现象在任意K级条纹，当J=K4时，为明纹。由于2dCOSe=KX时为明纹，则其到中心S，的半径R=1.tan/9。移动平面镜M,当Ml与M2，之间的间距d减
8、小时，当第K级明明纹发不变，cos。变大。由于。的角度很小，COSl9变大，则角度变小6。由于。的角度很小，。角度变小，tan。变大，则有R半径增大。当M与M2，之间的间距d减小时，第K级的干涉条纹向圆心内移，使条纹由外往里收缩变粗而疏。(1)当两平面镜Ml与M2垂直则M/M2(如图4所示)，而入射光源不与干涉仪轴线垂直，干涉环的中心将偏离屏中心(如图6所示)。由实验图像a一实验图像e,随着Ml与M2,光程差d减小，干涉条纹的中心将渐次远离中心，观察到的干涉条纹为弧线甚至近乎为一条直线。由图像比对分析得出结论：入射光源不与干涉仪轴线垂直时，光差M与M?光程差d越小，干涉圆心就越偏，越不易观察。
9、a动镜读数为b动镜读数为C动镜读数为d动镜读数为e动镜读数为45.9496047.9204048.9404049.9304150.92042图6入射光偏离干涉轴(2)当两平面镜Ml与M2不严格垂直，则Ml与M2”(图4)则不平行。如M1与M2突角接近平行时，光源S与干涉轴线垂直。如图7所示，由实验图像中平镜M与Mz，距离比由图像a一图像b-图像C减小，再由图像CT图像d-图像e增大；如Ml与M2夹角较大时，则找不到干涉条纹。因此由图像比对分析得出结论：其光程差越小，图像越混浊不清晰，越难观察。a动镜读数为b动镜读数为C动镜读数为d动镜读数为e动镜读数为52.9300051.9298950.93
10、03349.9291848.92992图7Ml与M2有夹角的情况下，光程差在0左右。3 .总结我认为目前的焦点是如何利用MAT1.AB仿真迈克尔逊干涉条纹的各种条纹，学者们也对其问题进行了分析。对我来说乔亮等人对等倾干涉条纹，等厚干涉条纹的仿真研究是非常有必要的，这能弥补我国对迈克尔逊干涉条纹研究的空缺，教会我国学者怎么用代码对条纹进行分析与调整。但在搜集文献的过程中我还发现，在从等倾，等厚干涉条纹的定位出发，观察不同条纹的问题以及解决方法的途径上，在这方面应该具有更具体的措施。比如，我们还可以对杨氏双缝干涉实验仿真,牛顿环干涉实验仿真等等，这就能更加的对迈克尔逊干涉条纹实验进行研究和实验，能
11、让我们更加快速全面的理解其条纹。学习了迈克尔逊干涉仪，我们就应该将其运用在实践中。在利用迈克尔逊干涉仪来测量液体折射率时，我们首先得先了解到折射率是物质的一个重要光学参数。目前我认为利用迈克尔逊干涉仪测量液体折射率最主要的是在光路中设置一个盛待测液体的装置，这是实验的关键。韦仙等人就进行了这样的实验，他们设计的方案能扩展迈克尔干涉仪的应用，原理也比较的简单，便于我们大学生理解，实用可行，比较适合利用于实验教学。但是我认为他们的实验也还有不足，他们只对其一种液体进行了测量，这没有对比性的，而且做的实验次数比较少，误差也比较大。这个实验如果多对两种不同液体进行实验那就能弥补其中的不足。利用迈克尔逊
12、干涉仪测量金属丝的杨氏模量也是一种实践应用，刘金秋等人进行了实验。他们的实验比传统的杨氏模量仪的测量方法比较起来是很方便简单的，而且得出的杨氏模量精度更高，误差也比较小，适用范围也广泛，这对测量杨氏模量有很重大的意义，促进了我国对杨氏模量的研究。我认为他们的这种方法就应该大力的推动，作为大学生我们就应该多动脑思考问题，多动手解决不会的问题。学习了迈克尔逊干涉仪就应该知道测量波长的不等间隔融计数法，这是教学当中的重点,是必做的实验项目。艾德智对不等间隔条纹计数法进行了探讨叫因为目前采用的条纹计数方法，实验者的用眼强度很高，对眼睛的承受力是一种挑战。针对这个问题，他们提出采用条纹自动计数装置来改善
13、，这种改进方法是需要通过电路来完成，这种方法的精度就很高，能有效的缓解实验者的视觉疲劳，减少对眼睛的伤害。但我认为电路的调试过程比较繁琐，对实验环境要求很高，且对电路元器件的可靠性及电路的稳定性要求也比较高，一旦出现差错，就会导致波长测量的失败【。但总体来说我十分认可他们的这种方法，这是一种很高效的方法。4 .参考文献1GhonameAmrO,HassanienAhmedE,ChowEdmond1.ynford1.,GonSongbin.HighlylinearlithiumniobateMichelsoninterferometermodultorsassistedbyspiralBragg
14、gratingreflectors.J.Opticsexpress,2022,30(22).2ShaoMin,CaoZhongwei,GaoHong,HaoMinru,QiaoXueguang.1.argemeasurement-rangeandIowtemperaturecross-sensitivityopticalfibercurvaturesensorbasedonMichelsoninterferometerJ.OpticalFiberTechnology,2022,72.3SongRuogu,SunJialiang,WangJinyu,1.iXinyu,1.iuYufei,YueW
15、encheng,CaiYan,WangShuxiao,YuMingbin.High-speedcompactfoldedMichelsoninterferometermodulator.J.Opticsexpress,2022,30(13).4杨文虎,赖学辉,李永强,张海康,郑明军,莫竣成.迈克尔逊干涉实验的非标准干涉现象及解决的方法J.中国现代教育装备,2019,(21):91-92+96.乔亮，羊富贵，夏忠朝，江琳沁.基于MaHab的迈克尔逊干涉实验仿真J.大学物理实验,2015,28(02):93-95.DOI:10.1413922-l228.2015.02.026.韦仙，冯中营，刘晓菲
16、，曾霄.基于MaHab的迈克尔逊干涉仪测液体折射率仿真研究J.大学物理实验，2018,31(02):92-95.DO1:10.1413922-1228.2018.02.024.7刘金秋，郑运强，赵珊珊，智春艳，赵朝军，邱文旭.基于迈克尔逊干涉仪测量金属丝的杨氏模量J.科技风，2020(21):71.DOI:10.19392/ki.1671-7341.202021060.网艾德智，王哲婕，薛江蓉.迈克尔逊干涉仪测波长的不等间隔条纹计数法的探讨J1.大学物理实验，2018,31(05):9-11.DOI:10.1413922-l228.2018.05.003.9王哲婕，艾德智，陆苑英，孙健，薛江蓉
17、.探究不同条纹计数法对波长测量精度的影响J.大学物理实，2019,32(04):9-12.DO1:10.14139/22-1228.2019.04.003.10张定梅，蒋再富，孙宪钢.基于迈克尔逊干涉仪测金属线胀系数J实验室科学，2018,21(04):20-22.5 .指导教师意见【指导教师第一次评阅意见】按附件批注修改【指导教师第二次评阅通过】罗天程同学通过对迈克尔逊干涉仪相关文献的阅读，对该领域有了一定的理论总结。毕业设计前期态度端正，对文献的调研和理解基本准确，文献综述语句通顺，格式正确，达到毕业设计文献综述的要求。指导教师（签字）：方久松二2023年02月06日酸戒却工聿皆悦一3Ch
18、engduTechnologicalUniversity本科毕业设计（论文）英文翻译论文题目：迈克尔逊干涉仪条纹特性分析与仿真学生姓名：罗天程学号：1903031127班级：19电科1班专业：电子科学与技术院（系）：电子工程学院指导教师：廖无瑕二零二三年二月二十七日一、英文原文起止页码：19出版日期(期刊号)：2018/09/06刊物名称(出版单位)：ProceedingsforICSO2018StudyofthecoherentperturbationofaMichelsoninterferometerduetothereturnfromascatteringsurfaceVitaliiKh
19、odnevych,SibillaDiPace,Jean-YvesVinet,NicoletaDinu-JaegerandMichel1.intzARTEMIS,UniversiteandObservatoiredelaCotedAzur,CNRS,Nice,FranceABSTRACTWedescribeasetupbasedonMichelsoninterferometryforcoherentmeasurementsofthebackscatteredlightfromalowroughnessopticalsurfaceundertest.Specialdataprocessingwas
20、developedfortheextractionoftheusefulsignalfromthevariousstraycontributionstothecoherentsignal.Weachievecoherentdetectionoflightscatteredbyamirrordownto-130dBinopticalpower.Wecharacterizethedependenceofthebackscatteredlightwithspotpositionandincidenceangle.Resultsofcross-polarizationscatteringcoheren
21、tmeasurementsandpreliminaryresultsofdustdepositionexperimentarepresentedhere.Thisworkrepresentsthefirststepintheexperimentalevaluationofthecoherentperturbationinducedbythescatteredlightinthespacegravitationalwavedetectorofthe1.ISAmission.Keywords:1.ISAmission;Scatteredlight;Michelsoninterferometer1.
22、 INTRODUCTIONThe1.aserInterferometerSpaceAntenna(1.ISA)isaspace-basedgravitationalwaveobservatory111nowinPhaseA.Itisrepresentedbyatriangularconstellationofthreeidenticalsatellites,eachsatellitecontainingtwogravitationalreferencesensors(e.g.testmasses)attheendofeacharm.Themeasurementoflengthvariation
23、betweenthetwotest-masses,variationdrivenbygravitationalwavesbutalsobyvariousnoisesources,isprovidedbyheterodyneinterferometry.Anysourceofcoherentscatteredlightcanperturbtheinterferometricmeasurementsinceitcangiverisetoasignificantnoiseduringtheheterodynephasemeasurementatalevelofoneorseveralmicro-ra
24、dians.Beforeevolvingstrategiestomitigatescatteredlightinthe1.ISAinstrument,andsincethebackscatteredlightinthetelescopecanaffectthelongarm(2.5millionsofkm)lengthmeasurement,agoodunderstandingoftheperturbationofheterodyneinterferometrybyscatteredlighthastobeachievedpriortomissionlaunch.2. SETUPAsafirs
25、tstep,wehaveimplementedasetupforthecoherentmeasurementofbackscatteredlight(seefig.l).Thesetupissplitintwoparts:afiberedone,containingthelasersourceandafiberedMichelsoninterferometer,andafreespaceonewithopticsdesignedtoilluminatethesampleundertestwithacollimatedbeamandtocollectthebackscatteredlight.A
26、lock-indetectionisusedtodriveaphasemodulationappliedtothebeamandtodemodulatethefringesignals.fiberedMrtcontrolandcquMtionprtFigure 1. Blockdiagramofthecoherentback-scatteringmeasurementset-upThedetailedschematicsofthesetupisshowninfigure2.ThebasisofthissetupisaFiberedMichelsoninterferometer.Weuseana
27、rrowlinewidthOrionRIOinfraredlaserdiodeof1.542mwavelengthand10.2mWpower.Anopticalcirculator,insertedbetweenthelasersourceandthebeamsplitter,preventsthelaserfromreceivingthefractionofthelightwhichisrejectedbytheMichelsoninterferometerandcouldotherwisecauseamplitudeandfrequencymodulationinthelaser.Ins
28、tead,therejectedbeamissenttoasecondphotodiode(PD2),toincreasethegainandprecisionofthemeasurements.Thenthelightisdividedbythefibered50/50beamsplitterandfollowsthetwoarmsoftheinterferometer.Arm1isfullyfibered,withafibered100%reflectorand,ifascanoftheopticalphasedifferenceisuseful,athermalrampcanbeappl
29、ied.ArmIIispartiallyfibered,uptoacollimator,whichemitsacollimatedbeamforthefreespacepart.Allopticalfibersarepolarizationmaintaining.Thecollimatedbeaminthefreespacepropagatestoasuperpolishedmirrorwithapiezoactuatorforrapidmodulationoftheopticalphase.Thepiezoispoweredbya2kHzsinefromtheinternalsignalge
30、neratorofthelock-inamplifie匚Fromthepiezomirror,thecollimated,phasemodulatedbeampropagatestothesampleundertest,itsbackscatteringbeingtheaimofourmeasurements.ThebackscatteredlightwhichisrecoupledintothefiberinterfereswiththebeamfromArmI.Abeamdumpisplacedinsuchwaytoattenuateefficientlythespecularlyrefl
31、ectedbeamfromthesample.Inthepresenceofthebackscattering,theinterferencebetweenARMIandARMIIbeamsgivesrisetoamodulationinthephotodiodesignals.Themodulatedsignalareamplified,andthendemodulatedbyalock-inamplifier.Aswillbeshowninthefollowing,thescatteredlighthasaspecklebehaviorasafunctionoftheincidencean
32、gle,anditispossibletoadjustthepositionandtheincidentangleatthebeamdumptominimizeitsbackscattering.ThebeamdumpismadefromtwoblackHOYART-83OglassplatespolishedbyCoastlineOptics.Thetwoabsorbingglassplatesareplaced,paralleltoeachother,sothatthelasersbeambouncesanumberoftimesandisattenuated.Theminimizedba
33、ckscattering,whichwemeasurefromthisbeamdumpis-130.90.9dBinopticalpower.Toseparatethecontributionofthebeamdumpfromothercontributionstobackscattering,wemodulatethepositionofthebeamdumpatthefrequencyof1Hz,andidentifythecorrespondingcontributioninthefringesignal.Whentheincidenceatthebeamdumpiswelladjust
34、ed,weswitchthe1Hzsignaltomodulatethesampleposition.Withproperlyadjustedamplitudewecompletelydiscriminatethecontributionofthebackscatteringofthesampleagainstothercontributions(seebelow).Tbmake2Dmapsofthebackscatteringamplitude,weusea2DtranslationstagecontrolledfromaPCtomovethesampleparalleltoitssurfa
35、ce.Forangularstudyofscatteredlight,weuseaPicomotorrotationalstage(NewFocus8821)insteadofthe2Dstage.FiMrlmrc:Frvlfl：Interferometeril*,ur；SUPCrPOItahCd1.odc-lap.Figure 2. Coherentbackscatteringmeasurementsetup.Green:opticalfibers.Red:freespacebeams.Dashedred:backscatteredlightfromthesampThesameinterfe
36、rometricset-upisusedforthemeasurementofcoherentbackscatteringfromdustdeposition(seeResultssectionandFig.9).Acontrolleddepositionofagivensizeandnumberofdustparticlesonthemirrorisobtainedbyusingaspraysystem.Acameraandawhitelightilluminating1.EDareplacedinfrontofthesample.Usingimageprocessingofthecamer
37、aimages,theinformationrelatedtothenumberofparticlesonthesampleanditissubsequentlycorrelatedwiththemeasuredinterferometricsignal.3. DATAPROCESSINGIdeally,afterrecombinationatthe50/50beamsplitter,thebackscatteredfractionoflightfromthesamplesurface,withanamplitudeofa=/4戒ep(j),s),interferes,withthelight
38、ofamplitudea=zz,/4ep()AtthePD(resp.PD?)outputportsoftheinterferometer,theinterferencesignalis/=zz/2cos).-i2cos)JnthisexpressionIlisthelaserintensity,=,sisthedifferenceofthepropagationphasebetweenarmII(uptothesample),includingthe2kHzmodulationofthepiezoactuator,andthearmI,includingapossiblethermalram
39、p.Thenextractingthebackscatteredpowerfractionbsbydemodulationlookstrivial.However,theprocessingofdemodulatedsignalsiscomplicatebecausemultiplecontributionsfromdifferentbackscatteringsources(e.g.fibers,fiberconnectors,collimator,piezomirror,beamdump,andsample)arepresentedinthemeasuredsignal.First,one
40、couldconsiderseparatelythethreesourceslocatedbeforethepiezomirror,fromwhichbackscatteringsignalshouldnotbemodulated,anddiscardthem.Buttheacousticcrosstalkbetweenthefiberedpartandthepiezoactuatorisnotnegligible,asweclearlyobservethecorrespondingcontributiondemodulatedsignal.Othercontributionstobacksc
41、atteringcomefromthemodulatedmirrorandfromthebeamdump.Therefore,thetotalfringesignalatPDihastobewrittenasfollowing.I=y(z7cos()cos()(I)whereallstraycontributionstobackscattering(powerratioandphase)areunderthesumsign.Demodulationisdoneatthefirstharmonic(frequency2kHz)withabandwidthof6Hz(8thorder).After
42、demodulationofthesignalusingthelock-inamplifier,weget224timespersecond,in-phaseXandquadratureYcomponents.Thecombinationweneedis:R=cos()X+sin()Y(2)whereisthephaseofthefringesignalmodulationwithrespecttothevoltageappliedtothepiezoactuator.Itdiffersfromzeroduepartlytotheelectronicsignalpropagationdelay
43、andmainlytothehysteresisinthepiezoactuator.Asdoesnotchangeduringdatatakingwefirstdeterminethevalueofinconditionswherethesignalislarge.1.aterweusethisvaluetodetermineRfromeq.2,andexploitthetimeseriesofR,particularlythedependanceofRonthethermaldriftofthefiberedpathlengthand/oronthemodulationsweapplyto
44、thepositionofthesample.Thenthedemodulatedsignalofthemeasuredsignalatthefirstandsecondharmonicsofpiezomirrormodulationfrequency(2kHz)willbe:RI=/(,亚4(2Pw)CoSQ)+&4(2p,w)cos0J)whereJisBesselfunctionoffirstorderandPMisthemodulationdepthofthepiezomirror(notethatforeachcomponentmodulationdepthcanbedifferen
45、t).Separationofthecontributionsfromallbackscatteringsourcesisadifficultandunnecessarytask.WhatWeneedistogiveaspecificsignaturetothecontribution,toidentifyandrecorditwiththehighestprecision.UsingFastFourierTransform(FFT)wecaneasilyextractallharmonicsofthemodulatedsignalfromR,.Whenmodulationofthesampl
46、eisapplied,wehaveanadditionalterminphasesforsampleandbeamdumpcomponents:RI=h.(框Jl(2万PM)COSSj)+7J1(2茄W)cos(+Hcos(st)(4)7*(2彷pm)COS+2bCOS(GJ+0)Similarforthesecondharmonic.Hereyistheslowfrequencymodulationdepthand41isapropagationdelay(sample-beamdump-sample).Thefactortwoinfrontofthemodulationtermconsid
47、ersthatthebackscatteredlightfromthebeamdumpistwicemodulated.Infig.3ispresentedtheFFTofRlndifferentmeasurementconditions,butforthesamescatteringpoint.InredistheFFTofwhen1Hzmodulationisappliedtothesample.Atverylowfrequency(below1Hz)arespectralcomponentsoftheparasitebackscatteringcontributions.Theyarenotmodulated,sotheycontributeonlyonfrequencies1Hz,duetothermaldrifts.Athigherfrequenciesmodulationharmonicsat1Hzofusefulsignalmixedwiththebeamdumpbackscatteringcontribution.It,sinterestingtorecallthatfunctionsoftypecos(+sin(st)canbepresentedasseries:Jo(三)Cos(3)+nJ2n()cosQ,nst)cos()-2gJ2n
