大学物理光的干涉级.pptx

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1、电场强度的振动方向称为光的振动方向。由于对人眼和感光器件起光化学作用的是电场光波的振动方向：光波是特定频率范围内的电磁波光矢量：光波中的电场强度矢量电场强度矢量的周期性变化光振动：光波的相干条件：两列光波频率相同，振动方向相同，光波源的相位差恒定。第1页/共75页普通光源：普通光源的发光机制：二、普通光源的发光机理除激光源之外的各种发光物体；其发光机制是自发辐射处在基态的电子处在激发态的电子原子模型原子模型第2页/共75页P21普通光源的发光机制原子能级及发光跃迁基态激发态跃迁自发辐射波列波列长L随机性：间歇性：间歇性：各原子发光是断断续各原子发光是断断续续的，平均发光时间续的，平均发光时间

2、t t 约为约为1010-8-8 s s，所发出的是一段长为，所发出的是一段长为 L L L L=c c c c t t t t 的光波列。的光波列。每次发光是随机的，所发出各波列的振动方向和振动初相位都不相同。第3页/共75页独立(不同原子发的光)两独立光源发出的两束光不产生干涉现象把同一波列设法分成两部分所获得的两列光波才是相干光如何获得相干光？复制相干光独立(同一原子先后发的光)tS第4页/共75页获取相干光的方法之一：分波阵面法利用普通光源获得相干光的基本原理：把由光源上同一点发的光分为两部分，然后再使这两部分叠加起来由于这两部分光的相应部分实际上都是来自同一发光原子的同一次发光，因而

3、满足相干条件而成为相干光。p *分波阵面法s由狭缝S发出的同一波阵面的光同时到达狭缝1和2，1和2相当于两个子波源。因它们发出的光来自于同一波阵面，因而是相干光。波阵面：等相面惠更斯原理（惠更斯作图法)狭缝：理论上无限小空间相干性第5页/共75页第十章 光的干涉同频率、同振动方向两列光波10.1 干涉的光强分布第6页/共75页P点的光强度I：第7页/共75页P点的光强度I：平均光强：（1）非相干光第8页/共75页（2）相干光平均光强：(k=0,1,2,3)(k=0,1,2,3)P点光强度：干涉相长（亮）干涉相消（暗）第9页/共75页IImaxImino 2-2 4-4 Io 2-2 4-4 4

4、I1第10页/共75页10.1杨氏双缝干涉实验设两列光波的波动方程分别为：因为第11页/共75页实 验 装 置p杨氏双缝干涉实验波程差第12页/共75页实 验 装 置p加强 减弱第13页/共75页暗纹 明纹p第14页/共75页讨论条纹间距 明暗条纹的位置白光照射时，出现彩色条纹暗纹明纹1）条纹间距 与 的关系 ;若 变化 ，则 将怎样变化？一定时，第15页/共75页 一定时，若 变化，则 将怎样变化？1）讨论条纹间距 第16页/共75页12340(白色）较高级次上，条纹相互重合以致模糊不清各光的第一级明条纹各光的第二级明条纹红、橙、黄、绿、青、蓝、紫频率递增，波长递减第17页/共75页2）条纹

5、间距 与 的关系如何？一定时，第18页/共75页 例1 以单色光照射到相距为0.2mm的双缝上,双缝与屏幕的垂直距离为1m.(1)从第一级明 纹 到同侧 的第四级明 纹的距离为7.5mm,求单色光的波长;(2)若入射光的波长为600nm,求相邻两明纹间的距离.解 （1）（2）第19页/共75页例2 无线电发射台的工作频率为1500kHz，两根相同的垂直偶极天线相距400m，并以相同的相位做电振动。试问：在距离远大于400m的地方，什么方向可以接受到比较强的无线电信号？解：取 k=0，1，2 得第20页/共75页P1 菲涅耳双 镜10.3 其他分波阵面干涉第21页/共75页2 劳埃德镜 半波损失

6、：光从光速较大的介质射向光速较小的介质时反射光的相位较之入射光的相位跃变了 ，相当于反射光与入射光之间附加了半个波长的波程差，称为半波损失.PML第22页/共75页C解 计算波程差BA12 ,求 第一次测到极大时，射电星的方位与湖面所成的角 .如图 离湖面 处有一电磁波接收器位于 C，当一射电星从地平面渐渐升起时，接收器断续接收 到一系列极大值.已知射电星发射的电磁波波长为例2 射电信号的接收第23页/共75页取 极大时 考虑半波损失时，附加波程差取 均可，符号不同，取值不同，对问题实质无影响.注意ACB12第24页/共75页条纹重叠123451234第25页/共75页第26页/共75页10.

7、6 光程与光程差提出一个问题dab 真空中 真空中波长第27页/共75页 介质中abndn n媒质 n介质中波长dab 真空中 真空中波长光程：第28页/共75页光程差第29页/共75页例：例：双缝干涉中，入射光波长为双缝干涉中，入射光波长为，双缝至屏的距离为，双缝至屏的距离为D D，在一个缝后放一厚为，在一个缝后放一厚为b b的透明薄膜，此时中央明纹处的透明薄膜，此时中央明纹处仍为一明纹，求该明纹的干涉级。仍为一明纹，求该明纹的干涉级。S1S2dDXOPnbO解：第30页/共75页例：杨氏双缝实验，用透明片遮住上缝，发现中央明纹向上移动了3个条纹，已知该片折射率为1.4，求该片厚度。利用光的

8、干涉可以测量与光波波长同数量级的长度PS1S20123解：第31页/共75页10.6.2 薄透镜的等光程性平行光波A、B、C到达F点后，各光线光程相同，相差为0，干涉加强平行光通过透镜后，光线会聚在焦点，形成一亮点。在焦点处各光线是同相的。透镜可改变光的方向，但不附加光程差第32页/共75页地面彩色油膜肥皂泡上的彩色条纹扩展光源的干涉：10.7 分振幅干涉 薄膜干涉两条光线是从同一条入射线分出来的，所以它们一定是相干光光的能流与其振幅平方成正比，所以这种干涉称为分振幅干涉第33页/共75页10.7.1 薄膜的等倾干涉：第34页/共75页这两种情况可以不考虑附加光程差。因而，光线b2与b1光程差

9、为：第35页/共75页因而，光线b2与b1光程差为：第36页/共75页薄膜干涉加强和相消的条件为：光线b2与b1光程差为：第37页/共75页b2b1b3b1b23、透射光b1，b2的相干情况与反射光刚好相反，如果反射光加强，则透射光减弱。这是由能量守恒决定的。透射光的相干加强和相消条件明纹明纹暗纹暗纹第38页/共75页 增透膜和增反膜利用薄膜干涉可以提高光学器件的透光率.取（增强）氟化镁为增透膜例 为了增加透射率,求氟化镁膜的最小厚度.已知 空气氟化镁 ,减弱解 则23玻璃第39页/共75页解 (1)例 一油轮漏出的油(折射率 =1.20)污染了某海域,在海水(=1.30)表面形成一层薄薄的油

10、污.(1)如果太阳正位于海域上空,一直升飞机的驾驶员从机上向下观察,他所正对的油层厚度为460nm,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,又将看到油层呈什么颜色?绿色第40页/共75页(2)透射光的光程差红光紫光紫红色第41页/共75页10.7.2 等厚干涉光入射到厚度不均匀的透明介质薄膜上光入射到厚度不均匀的透明介质薄膜上当 i 保持不变时，光程差仅与膜的厚度有关，凡厚度相同的地方光程差相同，从而对应同一条干涉条纹等厚干涉条纹的形状取决于薄膜上厚度相同的点的轨迹。如轨迹为一直线，则干涉条纹为一直线；劈尖干涉如轨迹为一圆，则干涉条纹也为圆环；牛顿环第42页/共75页当光

11、垂直入射时，劈尖薄膜的干涉劈尖：夹角很小的介质薄片或薄膜 反射光2e n n n反射光1入射光(单色平行光垂直入射)(设n n )第43页/共75页等厚条纹是一些与棱边平行的明暗相间的直条纹。在棱边处 ddkdk+1k级明纹k+1级明纹相邻明纹厚度差d=0，由于半波损失而形成暗纹。第44页/共75页相邻两条亮纹或暗纹之间的距离 为：当角度很小时，当波长一定时，劈尖角越大，条纹间距越小，即条纹越密；当劈尖角大于某一值时，则干涉条纹将无法分辨。k k级暗纹相邻暗纹厚度差明纹暗纹第45页/共75页10.7.3 等厚干涉应用1.测量方面 （1）测薄膜厚度。测某基板上镀膜厚度，先将其腐蚀为劈尖形，用单色

12、光垂直照射，就可以计算薄膜厚度波长为 的单色光垂直照射折射率为n2的劈尖，如图，设n1n2n3,从交棱o开始向右数，表面为第五条暗纹，求膜厚。n1n2n3明纹暗纹第5条暗纹Ok级明纹解一：薄膜基板第46页/共75页交棱o处，d=0，明纹k=0 为第一条暗纹，k=4为第五条暗纹即：（2）测细丝直径解二：n1n2n3明纹暗纹第5条暗纹Ok级明纹LD第47页/共75页例 为了测量金属细丝的直径，把金属丝夹在两块平玻璃之间，形成劈尖，如图所示，如用单色光垂直照射 ，就得到等厚干涉条纹。测出干涉条纹的间距，就可以算出金属丝的直径。某次的测量结果为：单色光的波长 =589.3nm=589.3nm金属丝与劈

13、间顶点间的距离L L=28.880mm=28.880mm，3030条明纹间得距离为4.295mm,4.295mm,求金属丝的直径D D？LD相邻两条明纹间的间距相邻两条明纹间的间距 第48页/共75页（3）测量微小厚度的改变相邻两条亮纹或暗纹之间的距离 为：dkdk+1干涉条纹向干涉级低的方向移动第49页/共75页棱边第50页/共75页干涉条纹的移动第51页/共75页1）干涉膨胀仪 劈尖干涉的应用劈尖干涉的应用热膨胀系数：第52页/共75页二、检查光学元件表面质量B有凹坑B有凸坑第53页/共75页10.7.4 10.7.4 牛顿环牛顿环牛顿环干涉图样显微镜SL M半透半反镜T由一块平板玻璃和一

14、平凸透镜组成第54页/共75页光程差明环暗环Rrd暗环半径明环半径从反射光中观测，中心点是暗点还是亮点？从透射光中观测，中心点是暗点还是亮点？第55页/共75页受检元件R0标准光学件R受检元件合格嵌合好，无牛顿环RR0,出现牛顿环，加压，条纹向中心移动R牛顿环随空气厚度的变化第56页/共75页 测量透镜的曲率半径测量透镜的曲率半径暗环半径 例 用氦氖激光器发出的波长为633nm的单色光做牛顿环实验，测得第个 k 暗环的半径为5.63mm,第 k+5 暗环的半径为7.96mm，求平凸透镜的曲率半径R.第57页/共75页SL 例 如图所示为测量油膜折射率的实验装置,在平面玻璃片G上放一油滴，并展开

15、成圆形油膜，在波长 的单色光垂直入射下，从反射光中可观察到油膜所形成的干涉条纹 .已知玻璃的折射率，问：当油膜中心最高点与玻璃片的上表面相距 时，干涉条纹如何分布？可见明纹的条数及各明纹处膜厚?若油膜展开条纹如何变化?,油膜的折射率G第58页/共75页解 1）条纹为同心圆油膜边缘明纹明纹可观察到四条明纹油滴展开时，条纹间距变大，条纹数减少第59页/共75页等倾干涉实验1、点光源照明时的干涉条纹分析L fPo r环B di rA CD21Si光束1、2的光程差：明纹暗纹固定薄膜的厚度不变倾角i相同的光线对应同一条干涉条纹条纹特点:一系列内疏外密同心圆环ir环=f tgi第60页/共75页2、面光

16、源照明时，干涉条纹的分析iPifor环en n n n 面光源只要入射角i相同，都将汇聚在同一个干涉环上（非相干叠加）导致干涉图样强度增加，明暗对比更加明显。第61页/共75页单色光源反射镜反射镜10.8 10.8 10.8 10.8 迈克耳孙干涉仪迈克耳孙干涉仪与 成 角补偿板 分光板 移动导轨第62页/共75页干涉条纹移动数目迈克尔孙干涉仪的主要特性 两相干光束在空间完全分开，并可用移动反射镜或在光路中加入介质片的方法改变两光束的光程差.移动距离移动反射镜第63页/共75页 干涉条纹的移动 当 与 之间距离变大时，圆形干涉条纹从中心一个个长出,并向外扩张,干涉条纹变密;距离变小时，圆形干涉

17、条纹一个个向中心缩进,干涉条纹变稀.第64页/共75页光程差变化干涉条纹移动数目介质片厚度第65页/共75页例 当把折射率n=1.40的薄膜放入迈克耳孙干涉仪的一臂时，如果产生了7.0条条纹的移动，求薄膜的厚度。（已知钠光的波长为 =589.3 nm）解：第66页/共75页 长的玻璃管，其中一个抽成真空，另一个则储有压强为 的空气,用以测量空气的折射率 .设所用光波波长为546nm，实验时，向真空玻璃管中逐渐充入空气 ，直至压强达到 为止.在此过程中，观察到107.2条干涉条纹的移动，试求空气的折射率 .例 在迈克耳孙干涉仪的两臂中，分别插入解第67页/共75页空间相干性的概念光源宽度对干涉条

18、纹对比度的影响设光源宽度为bRDI非相干叠加+1L0N0M0Lb/2d/2LMNS1S2xI合成光强0N x+1L0M0L-1N=D/d/d10.5 空间相干性（选讲）当N光对应的第0级亮纹与L对应的第1级亮纹重合时，条纹就亮成一片，干涉条纹消失把它视为许多平行于双缝的线光源组成每一条线光源都会形成一套自己的双缝干涉图样第68页/共75页NLMM当N光对应的第0级亮纹与L对应的第1级亮纹重合时，条纹就亮成一片，干涉条纹消失第69页/共75页设光源宽度为b,讨论当干涉条纹刚好消失时的宽度R0N0MDI非相干叠加+1L0Lb/2d/2LMNS1S2相减：当N光对应的第0级亮纹与L对应的第1级亮纹重

19、合时，条纹就亮成一片，干涉条纹消失第70页/共75页从另一角度看，相干间隔条纹刚消失时有：即 才能看到干涉条纹。对激光光源，因光束输出截面上各点发的光都是相干的，所以光源宽度不受以上限制。光场的空间相干性双缝间距:第71页/共75页一.光的非单色性 准单色光：在某个中心波长附近有一定波长范围的光。谱线宽度：oII0I0/2 谱线宽度10.9 光的非单色性对干涉条纹的影响 时间相干性二.非单色性对干涉条纹的影响0123456012345Ix -(/2)+(/2)合成光强第72页/共75页三.相干长度与相干时间1.相干长度 两列波能发生干涉的最大波程差 ：中心波长SS1S2c1c2b1b2a1a2 pS1S2Sc1c2b1b2a1a2p注:等代表波列波列长度就是相干长度光通过相干长度所需时间2.相干时间光波单色性愈好，相干长度愈长，时间相干性愈好。第73页/共75页第74页/共75页感谢您的观看！第75页/共75页