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1、可见光在电磁波谱中只占很小的一部分，波长在 390760 nm 的狭窄范围以内,频率：7.51014 4.11014 Hz。1.1 波动的独立性、叠加性和相干性1.电磁波的传播速度和折射率 第1页/共89页电磁波波谱第2页/共89页 光速就是电磁波的传播速度。第3页/共89页光波中的振动矢量通常指的是电场强度 对人的眼睛或感光仪器起作用的是电场强度 电磁波是横波第4页/共89页2.光的强度能流密度：单位时间内通过与波的传播方向垂直的单位面积的能量，或表示为通过单位面积的功率。波动光学中光的强度定义:这里I应理解为相对强度，其值与所处媒质的折射率有关.光度学上,光强定义为能流密度;用人眼或仪器观
2、察时,光强指光照度.第5页/共89页3.机械波的独立性和叠加性1)波动的独立性 从几个振源发出的波相遇于同一区域时，只要振动不十分强烈，那就可以各自保持自己的特性（频率、振幅和振动方向等），按照自己原来的传播方向继续前进，彼此不受影响。这就是波动的独立性。2)波的叠加性 第6页/共89页3)波的干涉 如果两波频率相等，在观察时间内波动不中断，而且在相遇处振动方向几乎沿着同一直线，那么，它们叠加后产生的合振动可能在有些地方加强，有些地方减弱。这一强度按空间周期性变化的现象称为干涉。第7页/共89页4.干涉现象是波动的特性第8页/共89页5.相干叠加与不相干叠加1)相干光源相干光源:能引起干涉现象
3、的光源。2)振动方向相同、频率相同的简谐振动的叠加第9页/共89页a)相干叠加在观察时间内 第10页/共89页 -干涉相长 -干涉相消第11页/共89页若A1=A2,则b)非相干叠加 第12页/共89页 3）相干条件：频率相同，振动方向相同，相位差恒定。产生相干光的两种方法:1)分波阵面法:杨氏实验,洛埃镜,菲涅耳双镜等;pS*p2)分振幅法:等倾干涉;等厚干涉等.(迈氏干涉仪）薄膜S S*第13页/共89页1.2 由单色波叠加所形成的干涉图样一、相位差和光程差：第14页/共89页二、干涉图样的形成干涉相长(亮纹,亮点):干涉相消(暗纹,暗点):第15页/共89页杨氏双孔实验的空间光强分布第1
4、6页/共89页1.3 分波面双光束干涉一、光源和机械波源的区别 1.第17页/共89页普通光源：自发辐射独立（同一原子不同时刻发的光）独立 （不同原子同一时刻发的光）=(E2-E1)/hE1E2自发辐射跃迁波列波列长 L=t c发光时间t t 10-8s原子发光：方向不定的振动 瞬息万变的初相位此起彼伏的间歇振动第18页/共89页激光光源：受激辐射E1E2 =(E2-E1)/h 可以实现光放大;单色性好;相干性好。例如:氦氖激光器;红宝石激光器;半导体激光器等等。完全一样（频率,相位,振动方向,传播方向都相同）第19页/共89页2.机械波源：振源3.区别独立的机械波源的相干容易实现,面独立的光
5、源一般不相干.第20页/共89页分波面法分振幅法pS*p薄膜S S*第21页/共89页二.杨氏双缝实验 1.实验装置第22页/共89页杨氏双缝干涉第23页/共89页Sdr0 第24页/共89页 2.干涉花样和特征a.各级亮条纹的光强相等,暗纹光强为0.b.相邻亮条纹或相邻暗条纹都是等间距的，且与干涉级j无关.第25页/共89页单色光的杨氏双缝干涉实验条纹返回退出第26页/共89页双光束干涉光强分布第27页/共89页 c.当一定波长的单色光入射时，间距y的大小与r0成正比，而与d成反比.e.当用白光作为光源时，除j=0的中央亮条纹中间为白色外，其余各级亮条纹都带有各种颜色。例1-1在杨氏实验装置
6、中，两小孔的间距为0.5mm，光屏离小孔的距离为50cm。当以折射率为1.60的透明薄片贴住小孔S2时，发现屏上的条纹移动了1cm，试确定该薄片的厚度。第28页/共89页三.菲涅尔双面镜：装置：两块平面反射镜有一极小的夹角q.第29页/共89页条纹间距：第30页/共89页四.劳埃德镜 装置：一块下面涂黑的平玻璃板。第31页/共89页第32页/共89页半波损失：/2 (光疏至光密,掠射,反射光相对入射光)光程差：条纹特点：处为暗纹，干涉条纹仅在一侧（无损则应为亮纹）第33页/共89页五.维纳驻波实验：光从光疏至光密,垂直入射时,反射光相对入射光也会产生“半波损失”。第34页/共89页入射光在光疏
7、介质(n1小)中前进,遇到光密介质(n2大)时,在掠射或正射时,在反射过程中产生半波损失.n1n2时不产生半波损失.折射光不会产生半波损失.第35页/共89页 1.4 干涉条纹的可见度 光波的时间相干性和空间相干性一、干涉条纹的可见度（对比度、反衬度）影响因素很多，主要是振幅比。第36页/共89页双光束干涉光强分布:第37页/共89页二、光源的非单色性对干涉条纹的影响 第38页/共89页当波长为（）的第j级与波长为的第（+1）级条纹重合时，。即：（j+1）=（+）j ，j=/第39页/共89页干涉条纹可见度为零时的干涉级:光源的单色性愈好,相干长度愈长,能观察到的干涉条纹级次愈高.第40页/共
8、89页 三、时间相干性 观察到干涉条纹时,最大光程差不能大于波列的长度L：第41页/共89页四、光源的线度对干涉条纹的影响第42页/共89页五、空间相干性横向相干性 光场的空间相干性:描述光场中在光的传播路径上空间横向两点在同一时刻光振动的关联程度.光的空间相干性与光源的线度有关。第43页/共89页1.5 菲涅耳公式第44页/共89页菲涅耳公式 第45页/共89页常见的分振幅干涉现象 1.6 分振幅薄膜干涉（一）等倾干涉第46页/共89页一.单色点光源引起的干涉1.实验装置第47页/共89页2.额外程差3.干涉现象 在不超过临界角的条件下,只要薄膜处在同一介质中(不论薄膜两边相同的介质是光琉还
9、是光密)，两束反射光必然有额外程差2.透镜不产生额外程差.第48页/共89页第49页/共89页-光程差与折射角i2关系第50页/共89页 第51页/共89页L fPo rB hn1n1n2 n1i1 i2A CDa2a1Si1i1i1 若不用透镜L1,点光源s1具有相同倾角 i1 的光线，在膜面上入射点的轨迹是一个圆，因此，典型装置之屏上的等倾条纹，是一系列同心圆环，圆环的的半径：r=f tg i1 f sin i1。垂直入射时，i1=0，r(i1=0)=0,对应条纹中心。第52页/共89页二、单色发光平面所引起的等倾干涉条纹第53页/共89页1.7分振幅薄膜干涉（二）等厚干涉 第54页/共8
10、9页1)h相同处,相同,对于劈形薄膜,可看到平行于尖劈棱的直线条纹，这种条纹叫做等厚干涉条纹。2)h愈大的点干涉级数j愈高。3)劈形薄膜处于同一种介质中时,零级暗条纹在尖劈的棱(h=0)处。第55页/共89页 当薄膜很薄时，只要光在薄膜面上的入射角不大，就可认为等厚干涉条纹定域于薄膜表面，一般薄膜干涉就是指的这种情况。第56页/共89页4)空气劈正入射方式，i1=0，n2=1明纹:暗纹:相邻条纹对应的厚度差:相邻条纹间距:第57页/共89页AB例:一折射率为n的厚度不均匀薄膜的干涉花样如图,问A,B两点处薄膜的厚度差是多少?第58页/共89页 例1-2 如图所示的是集成光学中的劈状薄膜光耦合器
11、。它由沉积在玻璃衬底上的Ta2O5薄膜构成，薄膜劈形端从a到b厚度逐渐减小到零。能量由薄膜耦合到衬底中。为了检测薄膜的厚度，以波长为632.8nm的氦氖激光垂直投射，观察到薄膜劈形端共展现15条暗纹，而且a处对应一条暗纹。Ta2O5对632.8nm激光的折射率为2.20，试问Ta2O5薄膜的厚度为多少?第59页/共89页例1.3 现有两块折射率分别为1.45和1.62的玻璃板，使其一端相接触，形成夹角a=6 的尖劈。将波长为 550 nm 的单色光垂直投射在劈上，并在上方观察劈的干涉条纹。（1）试求条纹间距；（2）若将整个劈浸入折射率为 1.52 的杉木油中，则条纹的间距变成多少？（3）定性说
12、明当劈浸入油中后，干涉条纹将如何变化？第60页/共89页竖直放置的肥皂膜的薄层色二、薄层色第61页/共89页1-8 迈克尔逊干涉仪1.实验装置 第62页/共89页第63页/共89页迈克耳孙干涉仪的等倾干涉花样光程差：2.等倾干涉 当M2垂直于M1，则M1和M2平行,“膜”厚度均匀。第64页/共89页3.等厚干涉 M2不垂直于M1，则M1和M2不平行-空气劈.因而出现近似直线形的等厚干涉条纹，它们平行于空气薄膜尖劈的棱。白光入射时,d0=0处为白亮纹,其余条纹为彩色.第65页/共89页其折射率 ，若将补偿板G2由原来与水平方向成45位置转至竖直的位置，设入射光的波长为632.8 nm。试求在视场
13、中，将会观察到多少条亮条纹移过?例1-4 一迈克耳孙干涉仪中补偿板G2的厚度d=2mm，第66页/共89页 4.迈氏干涉仪的应用 迈克耳孙干涉仪的主要优点是它光路的两臂分的很开，便于在光路中安置被测量的样品.而且两束相干光的光程差可由移动一个反射镜来改变，调节十分容易，测量结果可以精确到与波长相比拟。所以应用广泛。它可用于精密测定样品长度和媒质折射率，研究光谱的精密结构等。现在迈克耳孙干涉仪的各种变型很多，它们在光学仪器制造工作中常用于对平板、棱镜、反射镜、透镜等各种元件作质量检测。第67页/共89页应用一 1892年，迈克耳孙用他的干涉仪最先以光的波长测定了国际标准米尺的长度。用镉蒸汽在放电
14、管中发出的红色谱线来量度米尺的长度，在温度为15,压强为1atm的干燥空气中，测得1m=1553，163.5倍红色镉光波长，或：红色镉光波长0=643.8472（nm）第68页/共89页应用二：测空气折射率使小气室的气压变化P，从而使气体折射率改变n，（因而光经小气室的光程变化2D n），引起干涉条纹“吞”或“吐”N条。则有:2Dn=N n=N /2D 理论证明，在温度和湿度一定的条件下，当气压不太大时，气体折射率的变化量n与气压的变化量P成正比：(n-1)/P=n/P常数 n=1+(N /2D)(P/P)SG1G2AM2M1气压表打气皮囊D第69页/共89页1.9法布里-珀罗干涉仪 多光束干
15、涉一.双光束干涉的特征干涉条纹不细锐第70页/共89页Charles Fabry(1867-1945)Alfred Perot(1863-1925)第71页/共89页二.多光束干涉 法布里-珀罗干涉仪1.实验装置第72页/共89页法布里珀罗标准具 第73页/共89页2.原理(1)多光束干涉光强分布镀银面的反射率:A0为入射光第一次射到前表面G时的振幅，A为反射光的振幅.第74页/共89页相邻两透射光的光程差均为:相邻两透射光的相位差均为:第75页/共89页多光束干涉光强分布:I=第76页/共89页(2)条纹可见度与反射率的关系当相邻两光束的光程差:干涉相长:当干涉相消:第77页/共89页相对光
16、强与j j和r r的关系:(3)光 谱第78页/共89页F-P干涉仪的光谱 第79页/共89页双光束干涉与多光束干涉光强分布的比较双光束干涉光强分布多光束干涉光强分布第80页/共89页法布里-珀罗干涉仪的干涉条纹:迈克尔逊干涉仪的干涉条纹:第81页/共89页(4)r-1时的讨论多光束干涉光强分布（N束等振幅A0、相邻相位差为j的光）：第82页/共89页多光束干涉光强分布第83页/共89页一、牛顿环 1.装置：平板BB、平凸透镜 AOA 平板S分束镜 M显微镜0平凸透镜.1.10 光的干涉应用举例 牛顿环 第84页/共89页2.干涉花样反射光中亮环的半径:反射光中暗环的半径:讨论:1)外球比内环级次高;2)中心为暗点(实际为暗斑).3.透射光的牛顿环透射光的牛顿环光强与反射光的牛顿环互补.第85页/共89页例 将曲率半径为1m的薄凸透镜紧贴在平板玻璃上，并用钠光（589.3nm）垂直入射，从反射光中观察牛顿环，然后在球面和平面之间的空气隙内充满n=1.461的液体，试求充满液体前后第5暗环的半径之比，以及充液后第5暗环的半径等于多少？第86页/共89页二.检查光学原件的表面第87页/共89页三、镀膜光学元件 增透膜，反射膜33.8%，冷光膜、干涉滤光片。第88页/共89页感谢您的观看！第89页/共89页