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1、物理学之光程薄膜干涉第1页，共31页，编辑于2022年，星期日设设从从同位相的相干光源同位相的相干光源S S1 1和和S S2 2发发出的两相干光，分出的两相干光，分别别在折射在折射率率为为n1和和n2的媒的媒质质中中传传播，相遇点播，相遇点P与光源与光源S1和和S2的距离分的距离分别为别为r1和和r2，如，如图图所示所示.则则两光束到达两光束到达P点的点的位相变化之差位相变化之差为为当光在不同的媒当光在不同的媒质质中中传传播播时时，即使，即使传传播的几何路播的几何路程相同，但位相的程相同，但位相的变变化是不同的化是不同的.2第2页，共31页，编辑于2022年，星期日物理意义物理意义1：光在介
2、质中通过的几何路程折算到光在介质中通过的几何路程折算到真空中的路程真空中的路程.介质折射率与光的介质折射率与光的几何路程几何路程之积之积=(1)光程光程光走过的几何路径的长度光走过的几何路径的长度（位相变化相同）（位相变化相同）ABC一般情况下一般情况下：3第3页，共31页，编辑于2022年，星期日光程光程(optical path)的物理意义的物理意义2：光程也可以理解为：光程也可以理解为：光在折射率为光在折射率为n n的介质中传的介质中传播距离为播距离为r r时，在相同的时间内光在真空中通过的时，在相同的时间内光在真空中通过的路程路程光在折射率为光在折射率为n n的介质中传的介质中传播距离
3、为播距离为r r时对应的光程时对应的光程第4页，共31页，编辑于2022年，星期日两列光波的两列光波的光程光程之之差差：2 2光程差光程差注：光程和光程差的表示注：光程和光程差的表示符号不同地方有所差异符号不同地方有所差异s1s2P两光束到达两光束到达P点的点的位相变化之差位相变化之差为为第5页，共31页，编辑于2022年，星期日当两列光波的初相位差为时，它们的当两列光波的初相位差为时，它们的干涉条件：干涉条件：用光程差来表示干涉条件为：用光程差来表示干涉条件为：可见，当两列相干光波在不同媒质中传播时，对干涉起决可见，当两列相干光波在不同媒质中传播时，对干涉起决定作用的不是两光波的几何路程之差
4、，而是它们的光程差。定作用的不是两光波的几何路程之差，而是它们的光程差。3.3.光程差的应用：光程差的应用：第6页，共31页，编辑于2022年，星期日平行光平行光同相面同相面亮点亮点主光轴主光轴焦点焦点平行光线通过薄透镜，并不因为有透镜的存在而带来平行光线通过薄透镜，并不因为有透镜的存在而带来附加光程差。附加光程差。理论和实验表明：理论和实验表明：使用透镜不会引起附加的光程差！使用透镜不会引起附加的光程差！二二 透镜不引起附加的光程差透镜不引起附加的光程差第7页，共31页，编辑于2022年，星期日平行光平行光同相面同相面亮点亮点主光轴主光轴焦点焦点焦平面焦平面不带来附加光程差！不带来附加光程差
5、！第8页，共31页，编辑于2022年，星期日PL三三 薄膜干涉薄膜干涉DC34E5A1B2(1)薄膜干涉薄膜干涉:利用薄膜上、下两个表面对入射光的反射和利用薄膜上、下两个表面对入射光的反射和折射，可在反射方向折射，可在反射方向(或透射方向或透射方向)获得相获得相干光束干光束反射（透射）的反射（透射）的光是同一束光光是同一束光分分割振幅割振幅而得到的，而得到的，是相干光是相干光第9页，共31页，编辑于2022年，星期日(2)等厚条纹等厚条纹同一条纹反映膜的同一条纹反映膜的 同一厚度。同一厚度。日常见到的薄膜干涉例子：日常见到的薄膜干涉例子：肥皂泡，肥皂泡，雨天地上的油膜，雨天地上的油膜，昆虫翅膀
6、上的彩色昆虫翅膀上的彩色 -。膜为何要薄？膜为何要薄？薄膜干涉有两种条纹：薄膜干涉有两种条纹：(1)等倾条纹等倾条纹同一条纹反映入射光的同一条纹反映入射光的 同一倾角。同一倾角。光的相干长度所限。光的相干长度所限。第10页，共31页，编辑于2022年，星期日PLDC34E5A1B2(1)光线光线3与光线与光线2的光程差为：的光程差为：由折射定律和几何关系可得出：由折射定律和几何关系可得出：第11页，共31页，编辑于2022年，星期日加加 强强减减 弱弱PLDC34E5A1B2(2)干涉条件干涉条件对同样的入射光来说，当对同样的入射光来说，当反反射方向射方向干涉加强时，在干涉加强时，在透射透射方
7、向方向就干涉减弱。就干涉减弱。透射光干涉条纹和反射光干涉条纹互补透射光干涉条纹和反射光干涉条纹互补第12页，共31页，编辑于2022年，星期日 当光线垂直入射时当光线垂直入射时当当 时时当当 时时(1)(2)13第13页，共31页，编辑于2022年，星期日 例例 一油轮漏出的油一油轮漏出的油(折射率折射率n1=1.20)污染了污染了某海域某海域,在海水在海水(n2=1.30)表面形成一层薄薄的表面形成一层薄薄的油污油污.(1)如果太阳正位于海域上空，一直升飞机的如果太阳正位于海域上空，一直升飞机的驾驶员从机上向正下方观察，他所正对的油层厚驾驶员从机上向正下方观察，他所正对的油层厚度为度为460
8、 nm,则他将观察到油层呈什么颜色则他将观察到油层呈什么颜色？(2)如果一潜水员潜入该区域水下，并向正如果一潜水员潜入该区域水下，并向正上方观察，又将看到油层呈什么颜色？上方观察，又将看到油层呈什么颜色？14第14页，共31页，编辑于2022年，星期日解解(1)绿色绿色已知已知n1=1.20n2=1.30d=460 nm15第15页，共31页，编辑于2022年，星期日 (2)透射光的光程差透射光的光程差红光红光紫光紫光紫紫红红色色16第16页，共31页，编辑于2022年，星期日增透膜增透膜-利用薄膜上、下表面反射光的光程差符合相消干涉利用薄膜上、下表面反射光的光程差符合相消干涉条件来减少反射，
9、从而使透射增强。条件来减少反射，从而使透射增强。增反膜增反膜-利用薄膜上、下表面反射光的光程差满足相长干利用薄膜上、下表面反射光的光程差满足相长干涉，因此反射光因干涉而加强。涉，因此反射光因干涉而加强。3.平行平面平行平面 膜干涉的应用膜干涉的应用第17页，共31页，编辑于2022年，星期日（1）增透膜）增透膜(dark film)：在在折折射射率率为为 的的媒媒质质表表面面镀镀一一层层厚厚度度为为e的的透透明明的的折折射率为射率为 ，如果：，如果：对波长为对波长为 的光波，反射少，透射多，故叫增透膜。的光波，反射少，透射多，故叫增透膜。叫光学厚度。叫光学厚度。第18页，共31页，编辑于202
10、2年，星期日19第19页，共31页，编辑于2022年，星期日2.2.高反射膜（高反射膜（bright film）实际是在玻璃片上依次喷镀实际是在玻璃片上依次喷镀多层高、低折射率薄膜达到多层高、低折射率薄膜达到高反射的目的。高反射的目的。光线光线1,2相长干涉，反射变强相长干涉，反射变强高反射膜高反射膜.12e nn0第20页，共31页，编辑于2022年，星期日激光谐振腔激光谐振腔Laser半透膜半透膜高反射膜高反射膜21第21页，共31页，编辑于2022年，星期日激光工作物质激光工作物质全全反反射射镜镜半半反反射射镜镜out光放大原理光放大原理2022/10/422第22页，共31页，编辑于2
11、022年，星期日23玻璃玻璃取取（增强增强）氟化镁为增透膜氟化镁为增透膜例例 为了增加透射率，求氟化镁膜的最小为了增加透射率，求氟化镁膜的最小厚度已知厚度已知 空气空气n1=1.00，氟化镁，氟化镁 n2=1.38，=550 nm减弱减弱解解 则则23第23页，共31页，编辑于2022年，星期日N(1)(1)等倾干涉实际装置等倾干涉实际装置OPMLS S P 从从S发光，入射到发光，入射到半反半透半反半透平面镜平面镜M上上.在膜在膜N上下两表面反射上下两表面反射通过透镜通过透镜L在屏上会聚在屏上会聚有相同入射角的光条纹有相同入射角的光条纹在同一圆周上在同一圆周上.四*.等倾干涉第24页，共31
12、页，编辑于2022年，星期日第25页，共31页，编辑于2022年，星期日（a)a)干涉条纹的级次干涉条纹的级次K仅与倾仅与倾角角i有关，点光源有关，点光源S发出的光发出的光线中，具有同一倾角的反射线中，具有同一倾角的反射光线会聚干涉，形成同一级光线会聚干涉，形成同一级次圆环形干涉条纹，称为等次圆环形干涉条纹，称为等倾干涉条纹。倾干涉条纹。条纹中心处，入射角条纹中心处，入射角i=0对应条纹级次最高对应条纹级次最高(b)对于不同倾角的光入射：对于不同倾角的光入射：入射角入射角 越小，光程差越越小，光程差越大，条纹越在中心。大，条纹越在中心。第26页，共31页，编辑于2022年，星期日=明纹明纹暗纹
13、暗纹干涉公式：干涉公式：明纹明纹27第27页，共31页，编辑于2022年，星期日r结论：结论：1）不同的入射角的光线）不同的入射角的光线 对应着不同干涉级对应着不同干涉级 的的 条纹，倾角相条纹，倾角相 同的光同的光 线产生相同干涉级条纹（等倾干涉）。线产生相同干涉级条纹（等倾干涉）。2）入射角越小，光程差越大；即越靠近中心，干）入射角越小，光程差越大；即越靠近中心，干 级越高。级越高。讨论：讨论：1）若膜厚发生变化：）若膜厚发生变化：第28页，共31页，编辑于2022年，星期日当膜厚增加时：当膜厚增加时：圆形干涉条纹向外扩展圆形干涉条纹向外扩展明纹明纹盯住某条明纹，盯住某条明纹，不变，不变，
14、条纹向外扩条纹向外扩e增加，增加，增大，增大，第29页，共31页，编辑于2022年，星期日当膜厚减小时：当膜厚减小时：明纹明纹盯住某条明纹，盯住某条明纹，不变，不变，条纹向里收缩条纹向里收缩e减小，减小，减小，减小，圆形干涉条纹向里收缩圆形干涉条纹向里收缩第30页，共31页，编辑于2022年，星期日如图：两列长度有限的相干波传递到媒质中一点，应满足如图：两列长度有限的相干波传递到媒质中一点，应满足什么条件才肯定会干涉？什么条件才肯定会干涉？光程差不能太大，把能够产生干涉光程差不能太大，把能够产生干涉现象的最大光程差称为现象的最大光程差称为“相干长度相干长度”。显然，相干长度等于一个波列。显然，相干长度等于一个波列的长度。的长度。不相遇不相遇相相干干长长度度第31页，共31页，编辑于2022年，星期日