光的干涉和衍射.ppt

1 第20章 Interference diffractionoflight 8 光的干涉和衍射 2 一 光的干涉 两束光 1 频率相同 2 光振动方向相同 3 相差恒定 则在空间相遇区域就会形成稳定的明 暗相间的条纹分布 这种现象称为光的干涉 其中 二 相干叠加和非相干叠加由波动理论知 光矢量平行 频率相同 振幅为E1和E2的两列光波在某处叠加后 合振动的振幅为 20 1光波的相干叠加 3 在波动光学中 光强定义为 即光强 1 非相干叠加对普通光源来说 由于原子发光是间歇的 随机的 独立的 在观察时间 内 相位差 不能保持恒定 变化次数极多 可取0 2 间的一切可能值 且机会均等 因此 4 于是非相干叠加时的光强为 I I1 I2 20 1 可见 在非相干叠加时 总光强等于两光源单独发出的光波在该处产生的光强之和 且光强是均匀分布的 2 相干叠加 可见 在相干叠加时 合成光强在空间形成强弱相间的稳定分布 这是相干叠加的重要特征 如果在观察时间 内 相位差 保持恒定 则合成光强为 20 2 5 如果I1 I2 则合成光强为 当 2k Imax 4I1 明纹 加强 2k 1 Imin 0 暗纹 减弱 20 2 6 三 光程和光程差 光的频率v由光源确定 光速由媒质确定 真空中 光速 c v 媒质中 光速 v n c n 由此可见 光经过不同媒质时 波长要发生变化 这对讨论光经过几种媒质后的相干叠加问题 是很不方便的 为此引入光程的概念 7 1 光程 设经时间t 光在折射率为n媒质中通过的几何路程为r 则nr称为光程 显然 光程nr n t ct 引入光程概念后 就能将光在媒质中通过的几何路程折算为真空中的路程来研究 这就避免了波长随媒质变化而带来的困难 光程的物理意义 光程等于在相同的时间内光在真空中通过的路程 n c n 8 2 光程差 两束光光程之差 n1r1 n2r2 r1 e1 n1e1 r2 e2 n2e2 9 3 两束光干涉的强弱取决于光程差 而不是几何路程之差 设相干光源s1和s2的初相相同 到达p点的干涉强弱取决于相差 真空中的波长 光程差 10 4 薄透镜不产生附加程差 从S发出的光线1 2到达S 点光程相等 11 四 获得相干光的方法 如前所述 普通光源发出的光是不相干的 利用普通光源获得相干光的基本原理是将一个光源的微小部分 视为点光源或线光源 发出的光设法分成两束 使这两束光在空间经不同路径再会聚 虽然这个光源的相位不断地变化 但任何相位的改变总是同时发生在这两列光波中 因此 在会聚点上 这两束光的相位差是恒定不变的 从而满足相干条件而成为相干光 对初相相同的两相干光源 有 光程差 12 真空 s在s1s2的中垂线上 于是光源s1和s2的初相相同 干涉的强弱取决于从s1和s2发出的两光线的光程差 r2 r1 20 2双缝干涉 一 双缝干涉实验 13 建立坐标系 将条纹位置用坐标x来表达最方便 r12 L2 x d 2 2 r22 L2 x d 2 2考虑到L d r1 r2 2L 于是明暗纹条件可写为 14 k 0 1 2 分别称为第一级 第二级暗纹等等 上式中的k为干涉条纹的级次 由上式求得条纹的坐标为 k 0 1 2 依次称为零级 第一级 第二级明纹等等 零级亮纹 中央亮纹 在x 0处 15 条纹特征 1 干涉条纹是平行双缝的直线条纹 中央为零级明纹 上下对称 明暗相间 均匀排列 2 相邻亮纹 或暗纹 间的距离为 16 3 如用白光作实验 则除了中央亮纹仍是白色的外 其余各级条纹形成从中央向外由紫到红排列的彩色条纹 光谱 17 4 讨论 r02 r01 r2 r1 r02 r01 18 例题20 1双缝间的距离d 0 25mm 双缝到屏幕的距离L 50cm 用波长4000 7000 的白光照射双缝 求第2级明纹彩色带 第2级光谱 的宽度 解所求第2级明纹彩色带 光谱 的宽度实际上是7000 的第2级亮纹和4000 的的第2级亮纹之间的距离d 明纹坐标为 代入 d 0 25mm L 500mm 2 7 10 4mm 1 4 10 4mm得 x 1 2mm 19 例题20 2将双缝用厚e 折射率分别为n1 1 4 n2 1 7的透明薄膜盖住 发现原中央明级处被第五级亮纹占据 如图20 5所示 所用波长 6000 问 原中央明级移到何处 膜厚e 解零级处 由s1和s2发出的两光线的光程差为零 由此推知 原中央明级向下移到原第五级亮纹处 现在 原中央处被第五级亮纹占据 这表明两光线到达中央处的光程差是5 5 10 5m n2 n1 e 20 二 洛埃镜 由于半波损失的存在 洛埃镜的明暗纹恰好与杨氏双缝相反 当光从光疏媒质射到光密媒质并在界面上反射时 反射光有半波损失 计算光程差时 另加 或减 2 计算位相差时 另加 或减 21 20 3薄膜干涉 在阳光照射下 肥皂膜或水面上的油膜上面呈现美丽的彩色图案 这些都是常见的薄膜干涉现象 一 薄膜干涉公式 在反射光中 ab两束平行光线产生的光程差 还须考虑光在薄膜上下表面的反射有无半波损失 有一个半波损失 反中就要另加 或减 2 反射光 透射光 22 当n2 n1 n3时 反射光有一个半波损失 反中就要另加 或减 2 透射光没有半波损失 而当n1 n2 n3或n1 n2 n3时 反射光没有半波损失 总的光程差就是 反 透射光有半波损失 等等 此外还可见 在反射光中观察和在透射光中观察 光程差总是相差 2 这就意味着反射光和透射光的明暗条纹恰好相反 这叫条纹互补 这是能量守恒的必然结果 23 综上所述 薄膜干涉的明 暗纹条件是 式中 n2 薄膜的折射率 n1 入射媒质的折射率 i是入射角 用入射角i来表示 P115 则得薄膜干涉公式 24 例题20 3一平板玻璃 n 1 50 上有一层透明油膜 n 1 25 要使波长 6000 的光垂直入射无反射 薄膜的最小膜厚e 解凡是求解薄膜问题应先求出两反射光线的光程差 对垂直入射 i 0 于是 半 2en2 无反射意味着反射光出现暗纹 所以 n2 1 25 薄膜的折射率 要e最小 k 0 k 0 1 2 1200 1 2 10 7m 25 例题20 4阳光垂直照射在空气中的肥皂膜上 膜厚e 3800 折射率n2 1 33 问 肥皂膜的正面和背面各呈什么颜色 解正面反射加强 有 在可见光范围内 7700 3900 的解为k 1 k 2 6739 红色k 3 4043 紫色k 4 26 背面透射加强 反射减弱 于是有 在可见光范围内 7700 3900 的解为k 1 k 2 5054 绿色k 3 27 例题20 5光线以i 30 入射到折射率n2 1 25的空气中的薄膜上 当波长 1 6400 时 反射最大 而当波长 2 4000 时 反射最小 求薄膜的最小厚度 解由于是空气中的薄膜 一定有半波损失 故 半 用 1时 用 2时 由上面两式得 28 6983 于是得 要膜厚最小 取k1 3 k2 4 4 2k1 1 5k2 1 6400 2 4000 29 二 增透膜与高反射膜 为了减少反射引起的光能损失 常在许多光学仪器 如照相机 摄像机等 的镜头上镀一层厚度均匀的透明薄膜 常用氟化镁MgF2 n 1 38 用以增加透射 这个薄膜 就是增透膜 5500 5500 这是5500 的黄绿光透射增强 反射光加强的条件是 镀膜时常采用光学厚度 只有k 2 4100 紫色 在阳光下观察照相机镜头呈现紫色就是这个道理 30 与增透膜相反 在另一些光学系统中希望光学表面具有很高的反射率 如He Ne激光器要求反射99 这时可在元件表面多层镀膜以增强反射 这类薄膜称为增反膜或高反射膜 镀膜时 要适当选择每层膜的厚度 使反射加强 31 一 劈尖干涉 由于尖角 很小 空气膜很薄 故劈尖干涉仍可用薄膜公式求解 当光线垂直入射时 在反射光中观察 有 式中n2为空气膜的折射率 1 入射光波长 一定时 一条条纹 一个k 对应一个厚度 故称为等厚干涉 20 4薄膜的等厚干涉 劈尖 由两块平板玻璃组成 级次愈高 k愈大 对应的膜厚愈大 32 3 任意两相邻亮纹 或暗纹 所对应的空气膜厚度差为 2 干涉条纹是明暗相间的平行直线条纹 此时叠合处为一暗纹 20 7 33 4 设相邻两亮纹 或暗纹 间的距离为l 则有 lsin e 20 7 34 例题20 6制造半导体元件时 常常需要精确地测量硅片上的二氧化硅 SiO2 薄膜的厚度 这时可用化学方法把二氧化硅薄膜一部分腐蚀掉 使它成为劈尖状 见图20 11 已知SiO2和Si的折射率分别为n2 1 57和n3 3 42 所用波长为 6000 观察到劈尖上共出现8条暗纹 且第八条暗纹恰好出现在斜面的最高点 求SiO2薄膜的厚度 解由薄膜公式 得 k 0 1 2 此时尖顶处是亮纹还是暗纹 取k 7 得 35 例题20 7在检测某工件表面平整度时 在工件上放一标准平面玻璃 使其间形成一空气劈尖 并观察到弯曲的干涉条纹 如图20 12所示 试根据条纹弯曲方向 判断工件表面上纹路是凹还是凸 并求纹路深度H 解若工件表面是平的 等厚条纹应为平行于棱边的直线条纹 由于一条条纹对应一个厚度 由图20 12的纹路弯曲情况可知 工件表面的纹路是凹下去的 由图 H asin 因 lsin 2 所以纹路深度 36 例题20 8波长 的光垂直入射折射率为n2的劈尖薄膜 n1 n2 n2 n3 如图20 13所示 在反射光中观察 从尖顶算起 第二条明纹对应的薄厚是多少 解由薄膜公式 有 显然 取k 2 于是第二条明纹对应的薄厚为 37 二 牛顿环 在一块平玻璃B上放一曲率半径R很大的平凸透镜A 在A B之间形成一层很薄的劈形空气层 薄膜 设平行光垂直入射空气薄膜 在反射光中观察到一组以接触点o为中心的同心圆环 见图20 14 故称为牛顿环 式中n2为空气膜的折射率 38 因R2 r2 R e 2 r2 R2 2Re e2由于R e 上式中e2可略去 因此得 39 例题20 9将牛顿环由空气移入一透明液体中 发现第8明环半径由1 40cm变为1 21cm 求该液体的折射率 解由牛顿环的明环公式 得 空气中 液体中 40 例题20 10牛顿环装置由曲率半径 R1和R2 很大的两个透镜组成 设入射光波长为 求明暗环半径 解由薄膜公式 得 由图20 15知 明环半径 暗环半径 41 例题20 11平板玻璃和平凸透镜构成牛顿环 全部浸入n2 1 60的液体中 凸透镜可向上移动 如图所示 用波长 500nm的单色光垂直入射 从上往下观察 看到中心是一个暗斑 求凸透镜顶点距平板玻璃的距离是多少 解 k 0 1 2 中心处 e eo k 0 凸透镜顶点距平板玻璃的距离 78 1nm 42 M1和M2是两块平面反射镜 其中M2是固定的 M1可作微小移动 G1有一半透明的薄银层 起分光作用 G2起补偿作用 M1 是M1对G1形成的虚像 M2和M1 间形成一空气薄膜 当M1 M2严格垂直时 M1 和M2之间形成等厚空气膜 可观察到等倾条纹的圆形条纹 当M1 M2不严格垂直时 M1 和M2之间形成空气劈尖 这时可观察到等厚干涉的直线条纹 20 5迈克耳逊干涉仪时间相干性 一 迈克耳逊干涉仪 43 20 10 迈克耳逊干涉仪有着广泛的用途 如精密测量长度 测媒质的折射率 检查光学元件的质量和测定光谱精细结构等 每当M1移动 2 光线1 2的光程差就改变一个 视场中就会看见一条条纹移过 如果看见N条条纹移过 则反射镜M1移动的距离是 44 例题20 12把厚度为e 折射率为n 1 40的透明薄膜插入迈克耳逊干涉仪的一臂 一条光路 中 1 求光线1 2光程差和位相差的改变量 2 若插入薄膜的过程中 观察到7条条纹移过 所用波长 5890 求薄膜的厚度e 解 1 2 n 1 e 2 能否用下式求解 51538 应由 2 n 1 e 7 得 45 二 时间相干性 前面讲到 由于原子发光的间歇性和随机性 不同原子发出的光是不相干的 同一个原子不同时刻发出的光也是不相干的 要得到相干光 只有将一个原子一次发出的光 一个波列 分为两束再使其相聚 显然 要产生相干 两束光的光程差就必须小于一个波列长度 x 相干长度 46 问 为什么窗玻璃在阳光下看不见干涉条纹 7900 3900 6000 算得相干长度 x 9 10 7m 9 10 4mm显然 光线在窗玻璃上下反射后的光程差已远超过上述数值 故看不见干涉条纹 He Ne激光 6328 10 7 相干长度 x 40km可见 激光的相干性很好 20 6偏振光的干涉和应用 自学 47 20 7单缝的夫琅和费衍射 光在传播路径中遇到障碍物时 能绕过障碍物边缘而进入几何阴影传播 并且产生强弱不均的光强分布 这种现象称为光的衍射 一 光的衍射现象 48 二 惠更斯 菲涅耳原理 惠更斯原理 媒质中波所传到的各点都可看作是发射子波的波源 其后任一时刻 这些子波的包迹就决定新的波阵面 菲涅耳指出 波阵面上各点发出的子波在空间相遇时会产生干涉 子波相干叠加 这就是惠更斯 菲涅耳原理 P点的合振动 49 衍射的分类 干涉和衍射的主要区别是什么 干涉是有限多条光线的相干叠加 衍射是无限多条光线的相干叠加 50 三 单缝的夫琅和费衍射 平行于主轴的光线都会聚于o点 且没有光程差 故它们相互干涉加强 在o点处形成一平行于缝的明条纹 称为中央明纹 对衍射角 两边缘光线A B的光程差是 设平行单色光垂直入射 当衍射角 0时 BC bsin 51 菲涅耳半波带法 相邻波带上对应点发出的平行光线会聚时的光程差都是 2 因而总是相干相消 由此得出结论 两个相邻波带所发出的光线会聚于屏幕上时全部相干相消 如果单缝被分成偶数个波带 相邻波带成对相干相消 结果是单缝上发出的光线全部相干相消 屏幕上对应点出现暗纹 如果单缝被分成奇数个波带 相邻波带相干相消的结果 还剩下一个波带的作用 于是屏幕上对应点出现亮纹 这样 BC是 2的几倍 单缝相应就被分成等宽的几个窄带 这个窄带称为菲涅耳半波带 作一系列相距 2且垂直于BC的平面 52 综上所述 单缝衍射明暗纹的中心位置是 注意 1 k 1 2 明暗 3 4 波带数 53 中央明纹又亮又宽 约为其它明纹宽度的2倍 中央两旁 明纹的亮度随着级次的增大迅速减小 这是由于k越大 分成的波带数越多 而未被抵消的波带面积越小的缘故 1 光强分布 54 2 中央亮纹宽度 中央亮纹范围 中央两旁两个第一级暗纹间的区域 即 bsin 很小 有sin 中央亮纹半角宽度 中央亮纹的线宽度 20 12 55 例题20 13波长为 的单色光垂直入射到一狭缝上 若第一级暗纹对应的衍射角为30 求狭缝的缝宽及对应此衍射角狭缝的波阵面可分为几个半波带 解由单缝的暗纹条件 k 1 30 算得 b 2 半 波带数 半 波带数 2 若不知某处是明纹还是暗纹 则计算波带数的方法是 2k 2 56 例题20 14平行单色光垂直入射在缝宽b 0 15mm的单缝上 缝后透镜焦距f 400mm 在焦平面上的屏幕上测得中央明纹两侧的两条第三级暗纹间的距离是d 8mm 求 1 入射光的波长 2 中央明纹的线宽度 3 第二级暗纹到透镜焦点的距离 解 1 第三级暗纹位置 bsin 3 5000 57 第二级暗纹到焦点的距离 2 67mm 2 中央明纹的线宽度 b 0 15mm f 400mm 5000 2 67mm 3 第二级暗纹到透镜焦点的距离 第二级暗纹位置 bsin 2 58 例题20 15一单缝缝宽b 0 6mm 缝后凸透镜的焦距f 40cm 单色平行光垂直照射时 距中心o点x 1 mm的P点处恰为一明纹中心 求入射光的波长及对应P点单缝被划分为几个半波带 解由单缝衍射明纹公式 在可见光波波长范围 取k 3 6000 相应单缝被划分为7个半波带 k 4 4667 相应单缝被划分为9个半波带 59 20 8光栅衍射 大量等宽 等间距的平行狭缝的集合 光栅 实用的光栅每厘米有成千上万条狭缝 b 透光缝宽度 a 不透光部分宽度 d a b 光栅常数 光栅分为透射光栅反射光栅 一 光栅 60 每条狭缝有衍射 缝间光线还有干涉 可以证明 屏上合成光强 单缝衍射光强 缝间干涉光强 设平行光线垂直入射 二 透射光栅 对于缝间干涉 两相邻狭缝光线的光程差 k 主极大 亮纹 k 0 1 2 dsin 上式称为光栅方程 61 dsin k 主极大 亮纹 k 0 1 2 1 光栅方程的物理意义 光栅方程是衍射光栅合成光强出现亮纹 主极大 的必要条件 屏上合成光强 单缝衍射光强 缝间干涉光强 62 缝数愈多 亮纹愈细 63 光栅衍射的光强分布具有下述特点 亮纹又亮又细 中间隔着较宽的暗区 即在黑暗的背景上显现明亮细窄的谱线 这些谱线的亮度受到单缝衍射因子的调制 2 谱线的缺级dsin k 光栅 亮纹 k 0 1 2 bsin k 单缝 暗纹 k 1 2 则缺的级次为 20 14 64 例 1 a b d a b 2b 则k 2k 2 4 6 级缺 2 a 2b d a b 3b 则k 3k 3 6 9 级缺 三 光栅光谱如果用白光照射光栅 由光栅方程dsin k 亮纹 k 0 1 2 可知 同一级谱线中 不同波长的谱线出现在不同的 角处 中央零级除外 由中央向外按波长由短到长的次序分开排列 形成颜色的光带 光栅光谱 这就是光栅的色散特性 20 14 65 如果不同的波长 1 2同时满足 dsin k1 1 k2 2这表明 1的k1级和 2的k2级同时出现在一个 角处 即 1和 2的两条谱线发生了重叠 从而造成光谱级的重叠 在可见光范围内 第二 三级光谱一定会发生重叠 级次愈高 重叠愈复杂 如 dsin 3 4000 2 6000 四 光谱级的重叠 66 例题20 16波长 6000 的单色平行光垂直照射光栅 发现两相邻的主极大分别出现在sin 1 0 2和sin 2 0 3处 而第4级缺级 求 1 光栅常数d 2 最小缝宽b 3 屏上实际呈现的全部级别和亮纹条数 解 1 dsin 1 k dsin 2 k 1 于是求得光栅常数 10 6 10 6m 2 因第4级缺级 由缺级公式 4 取k 1 因要b最小 求得 b d 4 1 5 6m 67 由光栅方程 dsin k 最大k对应 90 于是kmax d 10缺级 d 6 10 6mb 1 5 10 6m 屏上实际呈现 0 1 2 3 5 6 7 9共8级 15条亮纹 10在无穷远处 看不见 3 屏上实际呈现的全部级别和亮纹条数 68 例题20 17一光栅每厘米有200条狭缝 透光缝缝宽b 2 5 10 5m 所用透镜焦距f 1m 波长 6000 的光垂直入射 求 1 单缝衍射的中央明纹宽度 x 2 在此中央明纹宽度内共有几个主极大 0 048m 2 d 10 2 200 5 10 5m 故所求的主极大是 3个 k 0 1 dsin k k 0 1 2 bsin 缺级 解 1 由中央明纹宽度公式 69 例题20 18用白光 4000 7000 垂直照射一光栅常数为d 1 2 10 5m的光栅 所用透镜焦距f 0 6m 求第2级光谱与第3级光谱的重叠范围 先求重叠的波长范围 再求重叠区域的宽度 由公式 dsin k1 1 k2 2第2级光谱被第3级光谱重叠的波长范围 6000 7000 第3级光谱被第2级光谱重叠的波长范围 4000 4667 解 70 因 很小 所以x f tg sin 代入上面两式得d x1 f 3 1 d x2 f 2 2重叠区域的宽度 x x2 x1 f 2 2 3 1 d 10mm x 4000 的第3级与7000 的第2级谱线间的距离 dsin 1 3 1 1 4000 dsin 2 2 2 2 7000 重叠区域的宽度 71 例题20 19用每毫米有300条刻痕的衍射光栅来检验仅含有属于红和兰的两种准单色成分的光谱 已知红光波长在0 63 0 76 m范围内 兰光波长在0 43 0 49 m范围内 当光垂直入射时 发现在22 46 角度处 红兰两谱线同时出现 求 1 在22 46 角度处 同时出现的红兰两谱线的级次和波长 2 如果还有的话 在什么角度还会出现这种复合光谱 解 1 dsin22 46 1 38 m k 对红光 k 2 r 0 69 m对兰光 k 3 b 0 46 m 72 2 如果还有的话 在什么角度还会出现这种复合光谱 dsin kr r kb b 这种复合光谱 r 0 69 m b 0 46 m dsin22 46 1 38 m k 对红光 k 2 r 0 69 m对兰光 k 3 b 0 46 m 3kr 2kb 第一次重迭 kr 2 kb 3第二次重迭 kr 4 kb 6没有第三次重迭 因为若 90 对红光 kmax d 0 69 4 8 取kmax 4对兰光 kmax d 0 46 7 2 取kmax 7 73 d 3 33 m r 0 69 m b 0 46 m第一次重迭 kr 2 kb 3第二次重迭 kr 4 kb 6 dsin 4 r算得 55 9 即在衍射角 55 9 处 红光 的第4级 和兰光 的第6级 将发生第二次重迭 74 例题20 20一光栅的光栅常数d 2 1 10 6m 透光缝宽b 0 7 10 6 用波长 5000 的光 以i 30 的入射角照射 求能看见几级 几条谱线 当 90 时 k 2 1 2 当 90 时 k 6 3 6 缺级 能看见 0 1 2 4 5共5级 7条谱线 d sin30 sin k k 0 1 2 解光线斜入射时 光栅方程应写为 75 20 9光学仪器的分辨本领 一 小圆孔的夫琅和费衍射 爱里斑的半角宽度 76 二 光学成像仪器的分辨本领