【无标题】平板剪切干涉仪的相位差推导


📐 一、平板剪切干涉仪的相位差推导

1. 基础相位差公式

在平面剪切干涉仪中,干涉条纹的产生是由两束光(前表面反射 W1W_1W1 和后表面反射 W2W_2W2)的总相位差 ΔΦ(x,y)\Delta \Phi(x, y)ΔΦ(x,y) 决定的。干涉条纹出现在 ΔΦ=m⋅2π\Delta \Phi = m \cdot 2\piΔΦ=m⋅2π 的位置(其中 mmm 是整数,干涉级次)。

总相位差 ΔΦ(x,y)\Delta \Phi(x, y)ΔΦ(x,y) 由两部分组成:

ΔΦ(x,y)=2πλ⋅W(x,y)−W(x−Δs,y)+Φbase\Delta \Phi(x, y) = \frac{2\pi}{\lambda} \cdot \left W(x, y) - W(x-\\Delta s, y) \\right + \Phi_{\text{base}}ΔΦ(x,y)=λ2π⋅W(x,y)−W(x−Δs,y)+Φbase

其中:

  • λ\lambdaλ 是波长。
  • W(x,y)W(x, y)W(x,y) 是待测波前函数。
  • Δs\Delta sΔs 是沿 xxx 轴的横向剪切量。
  • Φbase\Phi_{\text{base}}Φbase 是由剪切板的楔角 和倾斜放置 引入的基准相位差。

2. 剪切近似与波前斜率

对于微小的横向剪切 Δs\Delta sΔs,波前项 W(x,y)−W(x−Δs,y)W(x, y) - W(x-\Delta s, y)W(x,y)−W(x−Δs,y) 可以用泰勒级数近似为波前的一阶导数(斜率)乘以剪切量:

W(x,y)−W(x−Δs,y)≈Δs⋅∂W(x,y)∂xW(x, y) - W(x-\Delta s, y) \approx \Delta s \cdot \frac{\partial W(x, y)}{\partial x}W(x,y)−W(x−Δs,y)≈Δs⋅∂x∂W(x,y)

因此,总相位差公式变为:

ΔΦ(x,y)=2πΔsλ⋅∂W(x,y)∂x+Φbase\Delta \Phi(x, y) = \frac{2\pi \Delta s}{\lambda} \cdot \frac{\partial W(x, y)}{\partial x} + \Phi_{\text{base}}ΔΦ(x,y)=λ2πΔs⋅∂x∂W(x,y)+Φbase


📚 一、 完美平行(准直)状态:条纹垂直

1. 物理状态

  • 波前 W(x,y)W(x, y)W(x,y) 是一个理想平面。
  • 平面波的斜率 ∂W∂x=0\frac{\partial W}{\partial x} = 0∂x∂W=0(在理想准直且没有倾斜时)。

2. 相位差推导

将 ∂W∂x=0\frac{\partial W}{\partial x} = 0∂x∂W=0 代入总相位差公式:

ΔΦ(x,y)=2πΔsλ⋅(0)+Φbase\Delta \Phi(x, y) = \frac{2\pi \Delta s}{\lambda} \cdot (0) + \Phi_{\text{base}}ΔΦ(x,y)=λ2πΔs⋅(0)+Φbase

ΔΦ(x,y)=Φbase\Delta \Phi(x, y) = \Phi_{\text{base}}ΔΦ(x,y)=Φbase

3. 结果解释

  • Φbase\Phi_{\text{base}}Φbase 仅由剪切板的几何结构(楔角)和放置决定。
  • 既然条纹是竖直 的,这意味着 Φbase\Phi_{\text{base}}Φbase 是一个仅随 xxx 变化 的线性函数:Φbase=Cx⋅x\Phi_{\text{base}} = C_x \cdot xΦbase=Cx⋅x。
  • 干涉条纹(ΔΦ=常数\Delta \Phi = \text{常数}ΔΦ=常数)是 Cx⋅x=常数C_x \cdot x = \text{常数}Cx⋅x=常数 的轨迹,即**x=常数x = \text{常数}x=常数**。
  • 在二维坐标系中,x=常数x = \text{常数}x=常数 对应的线条是竖直的。

📚 二、 离焦(非平行)状态:条纹倾斜

1. 物理状态

  • 光束存在离焦 ,波前 W(x,y)W(x, y)W(x,y) 是一个球面波 (曲率半径 RRR)。
  • 理想球面波的方程近似为 W(x,y)≈x2+y22RW(x, y) \approx \frac{x^2 + y^2}{2R}W(x,y)≈2Rx2+y2。

2. 波前斜率分析

计算波前沿 xxx 轴的斜率 ∂W∂x\frac{\partial W}{\partial x}∂x∂W:

∂W(x,y)∂x=∂∂x(x2+y22R)=xR\frac{\partial W(x, y)}{\partial x} = \frac{\partial}{\partial x} \left( \frac{x^2 + y^2}{2R} \right) = \frac{x}{R}∂x∂W(x,y)=∂x∂(2Rx2+y2)=Rx

3. 相位差推导

将 ∂W∂x=xR\frac{\partial W}{\partial x} = \frac{x}{R}∂x∂W=Rx 代入总相位差公式:

ΔΦ(x,y)=2πΔsλ⋅(xR)+Φbase\Delta \Phi(x, y) = \frac{2\pi \Delta s}{\lambda} \cdot \left( \frac{x}{R} \right) + \Phi_{\text{base}}ΔΦ(x,y)=λ2πΔs⋅(Rx)+Φbase

用 Φbase=Cx⋅x\Phi_{\text{base}} = C_x \cdot xΦbase=Cx⋅x 代替,其中 CxC_xCx 是基准斜率常数:

ΔΦ(x,y)=(2πΔsλR)⋅x+Cx⋅x\Delta \Phi(x, y) = \left( \frac{2\pi \Delta s}{\lambda R} \right) \cdot x + C_x \cdot xΔΦ(x,y)=(λR2πΔs)⋅x+Cx⋅x

ΔΦ(x,y)=Cx+(2πΔsλR)⋅x\Delta \Phi(x, y) = \left C_x + \\left( \\frac{2\\pi \\Delta s}{\\lambda R} \\right) \\right \cdot xΔΦ(x,y)=Cx+(λR2πΔs)⋅x

4. 结果解释

  • 离焦的引入,使得 xxx 方向的总相位斜率由 CxC_xCx 变为了 Ctotal=Cx+2πΔsλRC_{\text{total}} = C_x + \frac{2\pi \Delta s}{\lambda R}Ctotal=Cx+λR2πΔs。
  • 只要 RRR 不是无穷大,总相位斜率 CtotalC_{\text{total}}Ctotal 就会改变。
  • 干涉条纹(ΔΦ=常数\Delta \Phi = \text{常数}ΔΦ=常数)的轨迹仍然是 Ctotal⋅x=常数C_{\text{total}} \cdot x = \text{常数}Ctotal⋅x=常数,即 x=常数x = \text{常数}x=常数。
  • 但是, 这个总斜率 CtotalC_{\text{total}}Ctotal 的改变,相当于在 xxx 方向引入了一个新的倾斜 ,从而导致最终条纹的方向发生了旋转 ,即条纹倾斜。

📐 三、相位斜率与条纹角度变化

我们可以将这个过程概括为线性相位斜率的矢量叠加。

1. 垂直条纹:基准斜率 CxC_xCx

  • 物理意义: 剪切板的楔角 或倾斜放置 引入了一个固定的、只沿 xxx 方向变化的线性相位差 Φbase\Phi_{\text{base}}Φbase。
  • 数学表示: 我们将这个固定的相位斜率定义为 CxC_xCx。
    Φbase=Cx⋅x\Phi_{\text{base}} = C_x \cdot xΦbase=Cx⋅x
  • 现象: 干涉条纹出现在总相位差为常数的位置,即 Cx⋅x=常数C_x \cdot x = \text{常数}Cx⋅x=常数,这意味着 x=常数x = \text{常数}x=常数,因此条纹是垂直 的。CxC_xCx 是原始条纹的空间频率。

2. 离焦引入:新增斜率 CdefocusC_{\text{defocus}}Cdefocus

  • 物理意义: 当光束存在离焦(球面波)时,通过横向剪切 Δs\Delta sΔs 的作用,波前的曲率 (∝1/R\propto 1/R∝1/R) 被转换成了一个额外的线性相位斜率。
  • 数学表示: 这个由离焦引入的新的斜率是 CdefocusC_{\text{defocus}}Cdefocus:
    Cdefocus=2πΔsλRC_{\text{defocus}} = \frac{2\pi \Delta s}{\lambda R}Cdefocus=λR2πΔs
  • 总相位差: 离焦后的总相位差 ΔΦtotal\Delta \Phi_{\text{total}}ΔΦtotal 是两部分斜率的叠加:
    ΔΦtotal=(Cx+Cdefocus)⋅x\Delta \Phi_{\text{total}} = \left(C_x + C_{\text{defocus}}\right) \cdot xΔΦtotal=(Cx+Cdefocus)⋅x

3. 条纹倾斜:总斜率改变

  • 结论: 离焦使得沿 xxx 方向的总相位斜率发生了改变 ,即 Ctotal=Cx+CdefocusC_{\text{total}} = C_x + C_{\text{defocus}}Ctotal=Cx+Cdefocus。
  • 条纹倾斜: 当 CtotalC_{\text{total}}Ctotal 发生变化时,干涉条纹的空间频率 和方向 (即倾斜角度)都会相应改变。这意味着条纹角度改变了 ,表现为整个图案相对于垂直方向倾斜。

因此,是的,当有了新的斜率系数 CdefocusC_{\text{defocus}}Cdefocus 叠加到基准斜率 CxC_xCx 上时,条纹的角度就改变了。 这是您在平面剪切干涉中判断光束离焦状态的直接依据。

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