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1、光的干涉PPT课件第1页，本讲稿共60页第2页，本讲稿共60页12-2 光源光源 单色光单色光 相干光相干光激发激发辐射辐射发光持续时间发光持续时间激发态上电子的寿命激发态上电子的寿命1.热光源发光特点热光源发光特点发光是间歇的发光是间歇的光波列光波列-长度有限、频率一定、振长度有限、频率一定、振动方向一定的光波动方向一定的光波第3页，本讲稿共60页不同原子激发、辐射时彼此没有联系不同原子激发、辐射时彼此没有联系-同一时刻各原子发出光波的频同一时刻各原子发出光波的频率、振动方向和相位各不相同率、振动方向和相位各不相同同一原子不同时刻所发出的波列，振同一原子不同时刻所发出的波列，振动方向和相位各
2、不相同动方向和相位各不相同第4页，本讲稿共60页 3.相干光相干光l两个独立的光源两个独立的光源发出的光发出的光或同一或同一光光源的两部分源的两部分发出的光都不是相干光发出的光都不是相干光l同一原子同一次同一原子同一次发出的光在空间相发出的光在空间相遇时是相干光遇时是相干光2.单色光单色光F单色光：单色光：具有单一频率的光波具有单一频率的光波F光波：光波：的的电磁波电磁波F色散：红橙黄绿青蓝紫色散：红橙黄绿青蓝紫-可见光可见光谱谱第5页，本讲稿共60页分振幅法分振幅法：利用光在两种介质分界面：利用光在两种介质分界面上的反射光和透射光作为相干光上的反射光和透射光作为相干光如薄膜干涉如薄膜干涉4.
3、相干光的获得方法相干光的获得方法分波阵面法分波阵面法：从同一波阵面上取出：从同一波阵面上取出两部分作为相干光源两部分作为相干光源如杨氏双缝实验如杨氏双缝实验第6页，本讲稿共60页12-3 双缝干涉双缝干涉一一.杨氏双缝实验杨氏双缝实验1.装置原理装置原理第7页，本讲稿共60页 2.干涉明暗条纹的位置干涉明暗条纹的位置波程差波程差第8页，本讲稿共60页可得可得干涉明暗条纹的位置干涉明暗条纹的位置明纹明纹暗纹暗纹其中其中第9页，本讲稿共60页讨论：讨论：对应于对应于k=0的明纹称为中央明纹的明纹称为中央明纹,对应对应于于k=1,k=2,称为第一级称为第一级,第二级，第二级，明纹明纹相邻两明相邻两明
4、(或暗或暗)纹的间距纹的间距-明暗相间的等间隔条纹明暗相间的等间隔条纹第10页，本讲稿共60页F 一定时一定时白光照射：白光照射：-条纹变稀条纹变稀疏疏Fd和和D一定一定时时d或或Dd或或D x x-条纹变密条纹变密集集 x x中央明纹为白色，其它各中央明纹为白色，其它各级为彩色，内紫外红级为彩色，内紫外红第11页，本讲稿共60页若若 ，则，则明纹光强明纹光强暗纹光强暗纹光强光强分布光强分布-I1、I2为两相干光单为两相干光单独在独在P点处的光强点处的光强第12页，本讲稿共60页二二.洛埃镜实验洛埃镜实验l光在镜面反射时有半波损失光在镜面反射时有半波损失-结果与杨氏双缝实验相反结果与杨氏双缝实
5、验相反暗纹暗纹第13页，本讲稿共60页一一.光程光程12-4 光程与光程差光程与光程差l设设c为光在真空中的传播速度，为光在真空中的传播速度，v为光为光在折射率为在折射率为n的媒质中的传播速度的媒质中的传播速度由折射率定义由折射率定义F t 时间内，光在介质中传播的距离时间内，光在介质中传播的距离第14页，本讲稿共60页F t 时间内，光在真空中传播的距离时间内，光在真空中传播的距离l光程：光程：光在某一媒质中走过的几何路光在某一媒质中走过的几何路程程 r与该媒质折射率与该媒质折射率 n的乘积的乘积 nr介介质质中中真真空空中中第15页，本讲稿共60页l意义：意义：将媒质中的路程折算成真空中的
6、将媒质中的路程折算成真空中的路程，以便比较路程，以便比较光程差：光程差：相位差：相位差：光在真空中的波长光在真空中的波长第16页，本讲稿共60页二二.透镜的等光程性透镜的等光程性lAF和和CF在空气中在空气中传播距离长，在透传播距离长，在透镜中传播的距离短镜中传播的距离短lBF则相反则相反lAF、CF和和BF的光程相等，它们会聚的光程相等，它们会聚在在F点，形成亮点点，形成亮点l透镜不会引起附加的光程差透镜不会引起附加的光程差第17页，本讲稿共60页例例1在杨氏双缝实验中，用折射率在杨氏双缝实验中，用折射率n=1.58的透明薄膜盖在上缝上，并用的透明薄膜盖在上缝上，并用=6.328 107m的
7、光照射，发现中央明的光照射，发现中央明纹向上移动了纹向上移动了5条，求薄膜厚度条，求薄膜厚度解：解：P点为放入薄膜后点为放入薄膜后中央明纹的位置中央明纹的位置第18页，本讲稿共60页又因又因P点是未放薄膜时第点是未放薄膜时第N级的位置级的位置可得：可得：第19页，本讲稿共60页另解：另解：光程差每改变一个光程差每改变一个，条纹移动一条，条纹移动一条因因r2光程未变，光程未变，r1改变了改变了(n-1)x第20页，本讲稿共60页三、反射光的相位突变和附加光程差三、反射光的相位突变和附加光程差l课本课本140页页l例题例题12-8l思考题思考题12-4-2，4第21页，本讲稿共60页 12-5 薄
8、膜干涉薄膜干涉一一.等倾薄膜干涉等倾薄膜干涉光程差光程差1.反射光干涉反射光干涉第22页，本讲稿共60页根据折射定律根据折射定律第23页，本讲稿共60页l明、暗纹条件明、暗纹条件-暗纹暗纹-明明纹纹讨论：讨论：-等倾干涉等倾干涉由由 知，知，光程差是入射角的函光程差是入射角的函数，数，即即光源不同位置发出的光，只要光源不同位置发出的光，只要倾角相同倾角相同，均对应同一干涉级，均对应同一干涉级k第24页，本讲稿共60页等倾干涉条纹是一等倾干涉条纹是一组明暗相间的同心圆组明暗相间的同心圆环，环，圆环分布内疏圆环分布内疏外密；半径大的圆外密；半径大的圆环对应的环对应的 i 大，而干大，而干涉级涉级k
9、低低第25页，本讲稿共60页薄膜反射板透镜屏幕第26页，本讲稿共60页薄膜反射板透镜屏幕第27页，本讲稿共60页 d 增大，则增大，则 k 增大，圆环中心处有圆增大，圆环中心处有圆环冒出；环冒出；d 减小，则减小，则 k 减小，圆环中心减小，圆环中心处有圆环吞入处有圆环吞入垂直入射时有垂直入射时有-明明-暗暗第28页，本讲稿共60页2.透射光干涉透射光干涉光程差光程差l透射光明、暗纹条件透射光明、暗纹条件-明明-暗暗l反射光和透射光互补，反射光干涉反射光和透射光互补，反射光干涉加强时，透射光干涉减弱加强时，透射光干涉减弱CBg第29页，本讲稿共60页例例2在白光下，观察一层折射率为在白光下，观
10、察一层折射率为 1.30的薄油膜，若观察方向与油膜表的薄油膜，若观察方向与油膜表面法线成面法线成300角时，可看到油膜呈蓝角时，可看到油膜呈蓝色色(波长为波长为480nm),试求油膜的最小试求油膜的最小厚度，如果从法向观察，反射光呈什厚度，如果从法向观察，反射光呈什么颜色么颜色?解解:需考虑半波损失。根据明纹条件需考虑半波损失。根据明纹条件第30页，本讲稿共60页k=1时有时有第31页，本讲稿共60页从法向观察，从法向观察，i=0:k=1时：时：k=2时：时：-绿色绿色光光-紫外光，不可见紫外光，不可见第32页，本讲稿共60页 二二.等倾干涉的应用等倾干涉的应用1.增透膜增透膜玻璃玻璃MgF2
11、l光在膜的上下光在膜的上下表面反射时都表面反射时都有半波损失有半波损失反射光干涉相消时有反射光干涉相消时有第33页，本讲稿共60页l膜的最小厚度为膜的最小厚度为或或-光学厚光学厚度度-此时透射光增强此时透射光增强l即光学厚度为即光学厚度为某一波长某一波长的的1/4时，则膜时，则膜为为该波长该波长的增透膜的增透膜第34页，本讲稿共60页2.高反射膜高反射膜l光在每层膜的上下表面光在每层膜的上下表面反射时只有一个面有半反射时只有一个面有半波损失波损失第一层第一层最小光学厚度为最小光学厚度为第35页，本讲稿共60页第二层第二层最小光学厚度为最小光学厚度为l即每层膜的光学厚度都为即每层膜的光学厚度都为
12、/4时，可得时，可得到该波长的高反射膜到该波长的高反射膜波动光学B第36页，本讲稿共60页介质劈介质劈 三、等厚干涉条纹三、等厚干涉条纹1.1.劈尖膜劈尖膜l设光垂直入射设光垂直入射-明明-暗暗棱边处棱边处(d=0)，对应，对应 k=0的暗纹的暗纹第37页，本讲稿共60页空气劈空气劈对空气劈，光程差为对空气劈，光程差为每级明或暗条纹与一定的膜厚每级明或暗条纹与一定的膜厚 d相对相对应应讨论：-等厚干等厚干涉涉干涉条纹为平行于棱边的明暗相间的干涉条纹为平行于棱边的明暗相间的直条纹。棱边直条纹。棱边(d=0)处处有半波损失有半波损失时时形成暗纹形成暗纹第38页，本讲稿共60页相邻两明相邻两明(或暗
13、或暗)纹对应劈尖的厚度差纹对应劈尖的厚度差对空气劈对空气劈第39页，本讲稿共60页相邻两明相邻两明(或暗或暗)纹之间的距离纹之间的距离-等间距等间距F 变大时条纹变密，反之则变疏变大时条纹变密，反之则变疏第40页，本讲稿共60页劈尖上表面向上平移，干涉条纹间距劈尖上表面向上平移，干涉条纹间距不变，条纹向棱边移动；反之条纹向不变，条纹向棱边移动；反之条纹向相反方向移动相反方向移动F对空气层：平移对空气层：平移 距离时有一条距离时有一条条纹移过条纹移过第41页，本讲稿共60页例例3为测定为测定Si上的上的SiO2厚度厚度d，可用化，可用化学方法将学方法将SiO2膜的一部分腐蚀成劈尖形。膜的一部分腐
14、蚀成劈尖形。现用现用=589.3nm的光垂直入射的光垂直入射,观察到观察到7条明纹条明纹,，问，问d=?(已知已知Si:n1=3.42，SiO2:n2=1.50).解：上下面都有解：上下面都有半波损失半波损失SiO2Si第42页，本讲稿共60页因棱边处对应于因棱边处对应于k=0，故故d处明纹对应于处明纹对应于k=6第43页，本讲稿共60页例例4利利用用劈劈尖尖干干涉涉可可对对工工件件表表面面微微小小缺缺陷陷进进行行检检验验。当当波波长长为为 的的单单色色光光垂垂直直入入射射时时，观观察察到到干干涉涉条条纹纹如如图图。问问(1)不不平平处处是是凸凸的的，还还是是凹凹的的?(2)凹凹凸凸不不平平的
15、高度为多少的高度为多少?第44页，本讲稿共60页解：解：(1)等厚干涉，同一条纹上各点对等厚干涉，同一条纹上各点对应的空气层厚度相等应的空气层厚度相等所以不平处是凸的所以不平处是凸的(2)由相似三角形关系得由相似三角形关系得第45页，本讲稿共60页平板玻璃平板玻璃平凸透镜平凸透镜2.2.牛顿环牛顿环在厚度为在厚度为 d 处处-明明-暗暗F中心处中心处(d=0):对应对应k=0的暗纹的暗纹第46页，本讲稿共60页讨论：讨论：光程差由厚度光程差由厚度 d 决定决定-等厚干等厚干涉涉厚度相同的点是一系列以厚度相同的点是一系列以0为中心的为中心的同心圆环，因此干涉条纹是一系列同心圆环，因此干涉条纹是一
16、系列同同心圆环心圆环-牛顿牛顿环环干涉环半径干涉环半径又又第47页，本讲稿共60页明环半径明环半径暗环半径暗环半径干涉环间的距离干涉环间的距离-内疏外密内疏外密第48页，本讲稿共60页平凸透镜向上平移时，中心处有圆平凸透镜向上平移时，中心处有圆环吞入；反之则有圆环冒出环吞入；反之则有圆环冒出F对空气层：对空气层：平移平移 距离时有一条距离时有一条条纹移过条纹移过第49页，本讲稿共60页试问试问(1)油滴与玻璃交界油滴与玻璃交界处是明条还是暗条处是明条还是暗条?(2)油油膜的最大厚度是多少膜的最大厚度是多少?(3)若油滴逐渐滩开，条纹将若油滴逐渐滩开，条纹将如何变化如何变化?(油油:n2=1.6
17、0,玻璃玻璃:n3=1.50）例例4在平面玻璃板上滴一滴油，用在平面玻璃板上滴一滴油，用=576nm的单色光垂直照射，从反射的单色光垂直照射，从反射光中看到图示的干涉条纹。光中看到图示的干涉条纹。第50页，本讲稿共60页解：解：因因n1n3，所，所以要考虑半波损失以要考虑半波损失由暗纹条件由暗纹条件知：知：交界处交界处d=0对应于对应于k=0的暗纹的暗纹第51页，本讲稿共60页中心点为中心点为k=4的暗纹的暗纹最外暗环逐渐向外扩大，中心点明最外暗环逐渐向外扩大，中心点明暗交替变化，条纹级数逐渐减少暗交替变化，条纹级数逐渐减少第52页，本讲稿共60页 12-6 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪补偿玻
18、补偿玻璃板璃板半透明半透明镀银层镀银层一一.原理原理M1固定固定 M2可移动可移动第53页，本讲稿共60页设设M1与与M2之间的空气层厚度为之间的空气层厚度为d讨论：讨论：M1和和M2严格垂直严格垂直:空气薄膜干涉空气薄膜干涉-圆圆环环M2平移平移 ：-干涉条纹移动数目干涉条纹移动数目第54页，本讲稿共60页M1和和M2不严格垂直：空气劈干涉不严格垂直：空气劈干涉lM2移动移动/2，则有一条纹移过，则有一条纹移过二二.应用应用l已知某光波波长已知某光波波长 ，数出数出 n，则可测则可测长度长度 dl数出数出 n和和读出读出 d，可测可测光波波长光波波长 第55页，本讲稿共60页三三.光源的相干
19、长度光源的相干长度光光程程差差不不大大光光程程差差较较大大不相干不相干相干相干第56页，本讲稿共60页l相干长度：相干长度：两个分光束能产生干涉效两个分光束能产生干涉效应的最大光程差应的最大光程差-光波列长光波列长度度四四.光源非单色性对干涉条纹的影响光源非单色性对干涉条纹的影响：谱线宽度谱线宽度不同波长的光是非不同波长的光是非相干的相干的 范围内同种波长范围内同种波长的光相干的光相干第57页，本讲稿共60页重叠处的光强为每种波长光的相干重叠处的光强为每种波长光的相干条纹的非相干叠加条纹的非相干叠加干涉条纹的可见度下降干涉条纹的可见度下降波长为波长为 的第的第K+1级条纹与级条纹与波长为波长为 的第的第K级条纹重合级条纹重合时，条纹不能分辩，干涉现象消失时，条纹不能分辩，干涉现象消失第58页，本讲稿共60页l最大光程差为最大光程差为-相干长度与单色光的线宽成反相干长度与单色光的线宽成反比比第59页，本讲稿共60页0 1 2 3 4 50 1 2 3 4 5第60页，本讲稿共60页