《光学1干涉》PPT课件.ppt

前言 光学研究对象 光的现象 光的本性和光与物质相互作用 人类对光的研究已有3000余年的历史 20世纪60年代激光问世后 光学有了飞速的发展 形成了现代光学 几何光学 以光的直线传播规律为基础研究各种光学仪器的理论 波动光学 研究光的电磁性质和传播规律 特别是干涉 衍射 偏振的理论和应用 波动光学和量子光学 统称为物理光学 量子光学 以光的量子理论为基础 研究光与物质相互作用的规律 第十二章光学 12 2光源单色光相干光12 3双缝干涉12 4光程与光程差12 5薄膜干涉12 7光的衍射现象惠更斯 菲涅耳原理12 8单缝的夫琅禾费衍射12 9圆孔的夫琅禾费衍射光学仪器的分辨本领12 10光栅衍射12 12光的偏振状态12 13起偏和检偏马吕斯定律12 14反射和折射时光的偏振 一 光源 光源 发光的物体 类型 普通光源 自发辐射 激光光源 受激辐射 热 辐射 光源 白炽灯 弧光灯 太阳 非热辐射光源 冷光源 气体放电管 日光灯 萤火虫 原子发光 原子光波列 激发态寿命10 11 10 8s 自发辐射 一定频率 振动方向 长度有限的光波列 原子的发光模型 原子光波列 普通光源发光 大量原子和分子持续 随机地发射的光波列 两个特点 间歇性 随机性 二 单色光 单色光 或 普通单色光源 激光 三 相干光 两同频单色光的叠加 光波中的电场矢量称为光矢量 非相干叠加 对于普通光源发出的光 如果 即两个光源发出的光之间具有确定的相位差 则把这两个光源称为相干光源 它们所发出的就是相干光 相干叠加 平均光强 相干条件 振动方向相同 频率相同 具有确定的相位差 当两束相干光在空间任一点相遇时 它们之间的相位差 随空间位置不同而连续变化 从而在不同位置上出现光强的强弱分布 这种现象就是光的干涉现象 干涉相长 明 k 0 1 2 3 干涉相消 暗 k 0 1 2 3 若 干涉的光强分布 P S 分振幅法 P 薄膜 S 两束相干光在P点相干叠加 分波面法 四 相干光的获得方法 两个独立的普通光源很难满足相干条件 第十二章光学 12 2光源单色光相干光12 3双缝干涉12 4光程与光程差12 5薄膜干涉12 7光的衍射现象惠更斯 菲涅耳原理12 8单缝的夫琅禾费衍射12 9圆孔的夫琅禾费衍射光学仪器的分辨本领12 10光栅衍射12 12光的偏振状态12 13起偏和检偏马吕斯定律12 14反射和折射时光的偏振 一 杨氏双缝实验 一般要求 D d D x 托马斯 杨 二 干涉明暗条纹的位置 波程差 明纹 暗纹 k 0 1 2 条纹间距 1 平行的明暗相间条纹 3 中间级次低 4 条纹特点 2 条纹等间距 明纹 暗纹 k 0 1 2 条纹间距 单色光入射时双缝干涉的条纹 形状 明暗相间的直条纹 平行于缝 分布 条纹均匀分布 可由此测 级次 中间条纹级次低 某条纹级次 该条纹相应的之值 白光入射时双缝干涉的条纹 白光入射 0级明纹为白色 可用来定0级位置 其余明纹为彩色条纹 x 三 洛埃德镜实验 S1 实光源 S2 虚光源 MN 平面反射镜 阴影部分出现干涉 接触点 暗条纹 反射光存在半波损失 半波损失 光从光疏媒质到光密媒质的分界面上反射时 在垂直入射 i 0 或掠入射 i 90 的情况下 反射光的相位与入射光的相位有 的突变 例1杨氏双缝的间距为0 2mm 距离屏幕为1m 1 若第一到第四明纹距离为7 5mm 求入射光波长 2 若入射光的波长为600nm 求相邻两明纹的间距 解 第十二章光学 12 2光源单色光相干光12 3双缝干涉12 4光程与光程差12 5薄膜干涉12 7光的衍射现象惠更斯 菲涅耳原理12 8单缝的夫琅禾费衍射12 9圆孔的夫琅禾费衍射光学仪器的分辨本领12 10光栅衍射12 12光的偏振状态12 13起偏和检偏马吕斯定律12 14反射和折射时光的偏振 一 光程 单色光 在真空中的波长 在介质 折射率为n 中的波长 光程 nx 将光在介质中通过的路程折算到同一时间内在真空中所通过的相应路程 二 光程差 相位差和光程差的关系 光程差 例 两相干波源S1 S2产生相干波叠加 例 在S2P间插入折射率为n 厚度为d的媒质 求 光由S1 S2到P的相位差 解 练习题 P204 12 11 三 物像之间的等光程性 光路中插入薄透镜不会产生附加的光程差 四 反射光的相位突变和附加光程差 半波损失 光从光疏媒质到光密媒质的分界面上反射时 反射光有 相位突变 相当于一个附加光程差 在薄膜上下表面反射的两束光发生附加光程差 2的条件 n1n3或n1 n2 n3 注意 反射光发生在光疏介质到光密介质时的半波损失 n2 n1 n3 n1 n2 n3 或n1n3 或n1 n2 n3 n2 n1 n3 n1 n2 n3 反射光无半波损失 2 1 2 1 反射光有半波损失 第十二章光学 12 2光源单色光相干光12 3双缝干涉12 4光程与光程差12 5薄膜干涉12 7光的衍射现象惠更斯 菲涅耳原理12 8单缝的夫琅禾费衍射12 9圆孔的夫琅禾费衍射光学仪器的分辨本领12 10光栅衍射12 12光的偏振状态12 13起偏和检偏马吕斯定律12 14反射和折射时光的偏振 薄膜干涉有两种条纹 一般情况下薄膜干涉的分析比较复杂 因 L和d i两因素有关 通常只研究两个极端情形 只有d在变或只有i在变 分别对应两种条纹 等厚条纹 对应仅d变的情况 等倾条纹 对应仅i变的情况 一 等倾干涉条纹 光经薄膜上下两表面反射后相互叠加所形成的干涉现象 称为薄膜干涉 振幅分割法 可分成等倾干涉和等厚干涉两类 点光源照射到表面平整 厚度均匀的薄膜上产生的干涉条纹 称等倾干涉条纹 对于两反射光 半波损失 明纹 暗纹 1 由于薄膜厚度均匀 光程差由入射角确定 对于同一级条纹具有相同的倾角 因此称为等倾干涉条纹 3 是否要考虑半波损失看具体情况而定 讨论 2 对于透射光 与反射光的干涉条纹形成互补 等倾干涉条纹的实验装置 条纹特点 形状 同心圆环 条纹间隔分布 内疏外密 条纹级次分布 d一定时 膜厚变化时 条纹的移动 k一定时 中央级次高 边缘级次低 条纹由中央冒出 二 增透膜和高反射膜 若n n0 增透膜的最小厚度 利用薄膜干涉使反射光减小 这样的薄膜称为增透膜 高反射膜 HLHLH 反射镜表面交替镀上光学厚度均为 4的高折射率ZnS膜和低折射率的MgF2膜 形成多层高反射膜 例如用白光垂直入射到空气中厚为320nm的肥皂膜上 其折射率n1 1 33 问肥皂膜呈现什么色彩 解 黄光 取k 1 2 3代入上式 分别得 红外 紫外 例平面单色光垂直照射在厚度均匀的油膜上 油膜覆盖在玻璃板上 所用光源波长可以连续变化 观察到500nm与700nm波长的光在反射中消失 油膜的折射率为1 30 玻璃折射率为1 50 求油膜的厚度 解 三 等厚干涉条纹 平行光照射到表面平整 厚度不均匀的薄膜上产生的干涉条纹 薄膜厚度d相同之处对应于同一级条纹 因此称为等厚干涉条纹 光线垂直入射时 明纹 暗纹 1 劈尖膜 平行光垂直入射 薄膜上下表面之间夹角极小 明纹 暗纹 条纹特点 形状 平行于劈尖棱边的直条纹 条纹等间距分布 相邻条纹所对应的厚度差 条纹级次分布 厚度越大 级次越高 劈尖处为0级暗纹 半波损失 相邻条纹间距 劈尖膜干涉的应用 测量微小直径 厚度 表面平整度 平行度等 测波长 折射率 薄膜厚度 条纹数 测量薄膜厚度D 例2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金属丝与劈间顶点间的距离L 28 880mm 30条明纹间得距离为4 295mm 求金属丝的直径D 解 相邻两条明纹间的间距 例3利用空气劈尖的等厚干涉条纹可以检测工件表面存在的极小的加工纹路 在经过精密加工的工件表面上放一光学平面玻璃 使其间形成空气劈形膜 用单色光照射玻璃表面 并在显微镜下观察到干涉条纹 如图所示 试根据干涉条纹的弯曲方向 判断工件表面是凹的还是凸的 并证明凹凸深度可用下式求得 观察到的干涉条纹弯向空气膜的左端 可判断工件表面是下凹的 如图所示 解 由图中相似直角三角形 2 牛顿环 平行光垂直入射球面透镜与平玻璃表面之间的空气膜 由几何关系 形状 同心圆环 由等厚条纹 几何结构决定 条纹间隔分布 内疏外密 条纹级次分布 条纹特点 圆心处为0级暗纹 半径越大 级次越高 与等倾干涉条纹不同 若压紧透镜 牛顿环的条纹向外扩张 牛顿环的应用 检验透镜表面质量 波长或球面透镜半径 测量第k m和第k级暗条纹半径 解 联立求解 例4用钠灯 5893 观察牛顿环 看到第k条暗环的半径为r 4mm 第k 5条暗环半径r 6mm 求所用平凸透镜的曲率半径R 例5已知标准平凸透镜R1 102 3cm 入射光 5839 测得第4条暗环 k 4 的半径r4 2 25cm 求待测凹面镜的半径R2 解 迈克尔孙干涉仪 S M2 M1 迈克尔逊干涉仪 1880年 1 结构 2 原理 半透半反膜 补偿板 补偿板 半透半反膜 条纹的移动也可由其他原因引起 如介质膜的插入或移去 此时引起的条纹移动数目 由此可测定介质膜的厚度d或折射率n 可测定光谱的精