波动光学-干涉.ppt

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1、 第一章第一章 光的干涉光的干涉 第二章第二章 光的衍射光的衍射 第三章第三章 光的偏振光的偏振波波 动动 光光 学学1.1.光学的发展光学的发展l几何光学几何光学波动光学波动光学量子光学量子光学引引 言言l线性光学线性光学非线性光学非线性光学2.2.波动光学对光的描述波动光学对光的描述l光是电磁波光是电磁波l单色光：单色光：频率恒定的一列无限长频率恒定的一列无限长E矢量矢量 的简谐光波。的简谐光波。l与物质相互作用（感光、生理作用）与物质相互作用（感光、生理作用）的主要是的主要是E矢量矢量-光矢量。光矢量。E矢量的振动矢量的振动 称为光振动。称为光振动。第一章第一章 光的干涉光的干涉（Int

2、erference of Interference of lightlight）1 1 光源的发光特性光源的发光特性一一.光光源源光源的最基本发光单元是分子、原子光源的最基本发光单元是分子、原子 =(E2-E1)/hE1E2能级跃迁辐射能级跃迁辐射波列波列波列长波列长 L=c 10-8秒秒1.1.普通光源：普通光源：自发辐射自发辐射互相独立互相独立互相独立互相独立同一原子先后发的光同一原子先后发的光不同原子发的光不同原子发的光互相独立：互相独立：前后发光间隔，频率前后发光间隔，频率,位位相相,振动方向振动方向,传传 播方向播方向2.2.激光光源：激光光源：受激辐射受激辐射频率频率,位相位相,振

3、动振动方向方向,传播方向传播方向完全一样！完全一样！=(E2-E1)/hE2E1 二二.光的相干性光的相干性 1.1.两列光波的叠加两列光波的叠加(只讨论电振动只讨论电振动)P:1 2 E0E10E20p12r1r2l非相干光源非相干光源（普通光源）（普通光源）I I=I I 1 1 +I I 2 2 非非相相干干叠叠加加(光光强强叠叠加加)干涉项干涉项p12r1r2干涉项的时间平均值为零干涉项的时间平均值为零不恒定不恒定l完全完全相干光源相干光源（如激光光源）（如激光光源）相长干涉（明）相长干涉（明）(k k=0,1,2,30,1,2,3)相消干涉（暗）相消干涉（暗）(k k=0,1,2,3

4、0,1,2,3)决定于决定于P P点的位置点的位置恒定恒定Io 2-2 4-4 4I1衬比度差衬比度差 (V V 1)，D d D d (d d 10 10-4-4m,D m,D m m)波程差：波程差：相位差：相位差：明纹明纹 暗纹暗纹 条纹间距条纹间距(1)(1)一系列平行的明暗相间的条纹；一系列平行的明暗相间的条纹；(3)(3)中间级次低；中间级次低；明纹明纹:k k ，k k=1,2,3=1,2,3(整数级整数级)暗纹暗纹:(2(2k k+1)/2 (+1)/2 (半整数级半整数级)(4)(4)条纹特点条纹特点：(2)(2)不太大时条纹等间距；不太大时条纹等间距；某条纹级次某条纹级次

5、=该条纹相应的该条纹相应的 (r r2 2-r-r1 1)/)/二二 .光强公式光强公式若若 I I1 1=I I2 2 =I I0 0 ,则则光强曲线光强曲线I0 2-2 4-4 k012-1-24I0 x0 x1x2x-2x-1sin 0 /d-/d-2 /d2 /d3 3 其他分波面干涉实验其他分波面干涉实验(自学自学)4 4 空间相干性空间相干性一一.空间相干性的概念空间相干性的概念光源宽度对干涉条纹衬比度的影响光源宽度对干涉条纹衬比度的影响设光源宽度为设光源宽度为b bBDI非非相相干干叠叠加加+1L0N0M0Lb/2d/2LMNS1S2xI合成光强合成光强0N x+1L0M0L-1

6、N=D/d/d二二.极限宽度极限宽度当光源当光源宽度宽度b b增大到某个增大到某个宽度宽度b b0 0时，干涉条时，干涉条设设BBd d和和b b(一级明纹一级明纹)纹刚好消失，纹刚好消失，b b0 0称为称为光源的极限宽度。光源的极限宽度。do DB+1L r2r1 r1 r2 单色光源单色光源b0/2xLx/2 (B B b b0 0,d ,d)光源的极限宽度光源的极限宽度时，才能观察到干涉条纹。时，才能观察到干涉条纹。do DB+1L r2r1 r1 r2 单色光源单色光源b0/2xLx/2 三三.相干间隔和相干孔径角相干间隔和相干孔径角1.1.相干间隔相干间隔若若 b b 和和 B B

7、一定，则要得到干涉条纹，必须一定，则要得到干涉条纹，必须相干间隔相干间隔d0越大，光场的空间相干性越好。越大，光场的空间相干性越好。2.2.相干孔径角相干孔径角S1S2b 0d0B相干孔径角相干孔径角 0 0 越大空间相干性越大空间相干性越好好。激光光源可以不受以上限制激光光源可以不受以上限制在在0 0 范范围围内内的的光光场场中中，正正对对光光源源的的平平面面上的任意两点的光振动是相干的。上的任意两点的光振动是相干的。四四.应用举例应用举例1.1.测遥远星体的测遥远星体的角直径：角直径：bdB 星体星体bdB 星体星体考虑到衍射的影响，有考虑到衍射的影响，有M1M2M3M4屏屏测星干涉仪测星

8、干涉仪2.2.屏屏上上条条纹纹消消失失时时，反反射射镜镜M M1 1M M4 4间间的的距距离离就就是是d d0 0，测猎户座星测猎户座星 nmnm测得测得得得使使d d=d d0 0则条纹消失则条纹消失一一.光的非单色性光的非单色性1.1.理想的单色光理想的单色光 、2.2.准单色光、谱线宽度准单色光、谱线宽度 准准单单色色光光：在在某某个个中中心心波波长长（频频率率）附附近有一定近有一定波长（频率）范围波长（频率）范围的光。的光。谱线宽度：谱线宽度：0 oII0I0/2 谱线宽度谱线宽度(1)(1)自然宽度自然宽度 Ei+1 Ei+1Ei Ei5 5 时间相干性时间相干性 造成谱线宽度的原

9、因造成谱线宽度的原因(2)(2)多普勒增宽多普勒增宽(3)(3)碰撞增宽碰撞增宽二二.非单色性对干涉条纹的影响非单色性对干涉条纹的影响0123456012345Ix -(/2)+(/2)合成光强合成光强干涉的最大级次干涉的最大级次三三.相干长度与相干时间相干长度与相干时间1.1.相干长度相干长度 两列波能发生干涉的最大波程差两列波能发生干涉的最大波程差 ：中心波长中心波长SS1S2c1c2b1b2a1a2 pS1S2Sc1c2b1b2a1a2p注注:等代表波列等代表波列只只有有同同一一波波列列分分成成的的两两部部分分经经不不同同的的光光程程再再相遇时才能发生干涉。相遇时才能发生干涉。波波列列长

10、长度度就就是是相干长度相干长度光通过相干长度所需时间光通过相干长度所需时间2.2.相干时间相干时间6 6 光程光程一一.光程、光程差光程、光程差 真空中真空中dab 媒媒 质质中中abndn n媒质媒质 n n媒质中波长媒质中波长光程光程 :L L=ndnd 真空中波长真空中波长n1n2nmd1d2dm 光程差光程差 ：=L L2 2-L-L1 1 例例 S1S2r1r2dnpP P:二二.使用透镜不会产生附加光程差使用透镜不会产生附加光程差S acbS物物点点到到象象点点各各光光线线之之间间的的光程差为零光程差为零相位差和光程差的关系：相位差和光程差的关系：光光程程 L L =(n ni i

11、 d di i )7 7 薄膜干涉薄膜干涉 (一一)等厚条纹等厚条纹一一.劈尖（劈形膜）劈尖（劈形膜）夹角很小的两个平面所构成的薄膜夹角很小的两个平面所构成的薄膜 e n n n A反射光反射光2反射光反射光1单色平行光单色平行光(设设n n )S121 1、2 2两两束束反反射射光光来来自自同同一一 束束入入射射光光，它它们们可可以产生干涉以产生干涉 。e n n nA反射光反射光2反射光反射光1入入射射光光(单单色色平平行光垂直入射行光垂直入射)(设设n n )A:1A:1、2 2的光程差的光程差明纹：明纹：暗纹：暗纹：同一厚度同一厚度e e对应同一级条纹对应同一级条纹等厚条纹等厚条纹光程

12、差可光程差可简化为简化为图示情况计算。图示情况计算。实际应用中实际应用中,大都是平行光大都是平行光垂直入射垂直入射到劈尖上。到劈尖上。考考虑虑到到劈劈尖尖夹夹角角极极小小,反反射射光光1、2在在膜膜面面的的 L eekek+1明纹明纹暗纹暗纹条纹间距条纹间距又又 二二.牛顿环牛顿环 .S分束镜分束镜M显微镜显微镜o erR平晶平晶平凸透镜平凸透镜 暗环暗环 o 牛顿环牛顿环装置简图装置简图平凸透镜平凸透镜平晶平晶光程差：光程差：(1)(1)(k k=0,0,1,1,2,2,)(2)第第k k个个暗环半径暗环半径暗环：暗环：三三.等厚条纹的应用等厚条纹的应用1.1.劈劈尖尖的的应应用用 测波长：

13、测波长：已知已知、n n，测，测L L可得可得 测折射率：测折射率：已知已知、，测测L L可得可得n n 测细小直径、厚度、微小变化测细小直径、厚度、微小变化h h待待测测块块规规标标准准块块规规平晶平晶 测表面不平度测表面不平度等厚条纹等厚条纹待测工件待测工件平晶平晶2.2.牛顿环的应用牛顿环的应用 测透镜球面的半径测透镜球面的半径R R：已知已知,测测 m m、r rk+mk+m、r rk k，可可得得R R。测波长测波长：已知已知R R，测出测出m m 、r rk+mk+m、r rk k，可可得得。检验透镜球表面质量检验透镜球表面质量标准验规标准验规待测透镜待测透镜暗纹暗纹 8 8 薄膜

14、干涉（二）薄膜干涉（二）等倾条纹等倾条纹一一.点光源照明时的干涉条纹分析点光源照明时的干涉条纹分析L fPo r环环B en n n n i rA CD21Siii光束光束1 1、2 2的光程差：的光程差：得得 或或明纹明纹暗纹暗纹倾角倾角i i相同的光线对应同一条干涉条纹相同的光线对应同一条干涉条纹 等倾条纹。等倾条纹。形形 状状:条纹特点条纹特点:一系列同心圆环一系列同心圆环r r环环=f f tgtg i i 条纹间隔分布条纹间隔分布:内疏外密内疏外密 条纹级次分布条纹级次分布:e e一定时一定时，波波长长对对条条纹纹的的影影响响:膜厚变化时膜厚变化时,条纹的移动：条纹的移动：二二.面光

15、源照明时，干涉条纹的分析面光源照明时，干涉条纹的分析iPifor环环en n n n 面光源面光源只只要要入入射射角角i i相相同同，都都将将汇汇聚聚在在同同一一个个干干涉涉环上（非相干叠加）环上（非相干叠加）三三.应用：应用：增透增透(射射)膜和增反射膜膜和增反射膜 （自学书（自学书P130P130例例2 2）9 9 迈克耳逊干涉仪迈克耳逊干涉仪一一.仪器结构、光路仪器结构、光路二二 .工作原理工作原理光束光束22和和11发生干涉发生干涉 若若M M 1 1、M M2 2平行平行 等倾条纹等倾条纹 若若M M 1 1、M M2 2有小夹角有小夹角 等厚条纹等厚条纹十字叉丝十字叉丝等厚条纹等厚条纹若若M M1 1平平移移 d d时时，干干涉涉条条移移过过N N条条，则有则有：三三.应用：应用：微小位移测量微小位移测量测折射率测折射率M 122 11 S半透半反膜半透半反膜M2M1G1G2E