《光学干涉》PPT课件.ppt

光学 几何光学 波动光学 量子光学 第13章波动光学 研究光的干涉 光的衍射 光的偏振 13 1相干光 1 光矢量 光波是电磁波 对应电场强度和磁场强度的两个振动 可见光的范围 2 相干光 各次发光相互独立 所以 两个独立的光源 或同一光源 1 普通光源的发光机制 上的两部分发出的光相叠加时不能产生干涉现象 4 2 相干光的产生 分波阵面法 杨氏双缝 双镜 劳埃镜等 分振幅法 水面上的彩色油膜 彩色肥皂泡 劈尖干涉等 13 2杨氏双缝实验劳埃镜 13 2 1杨氏双缝实验 1801年 1 杨氏双缝实验装置及干涉条纹 实验装置 干涉条纹与缝平行 2 波程差的计算 明纹中心 暗纹中心 在此 明纹 加强 暗纹 减弱 主要决定于波程差 将上式代入相位差的明暗纹公式 得 k 0 1 2 明纹中心 k 0 1 2 暗纹中心 3 明暗纹条件 4 干涉条纹的特点 1 与双缝平行 以中央明纹 k 0的明纹 为对称 明暗相间的直条纹 2 条纹等间距 相邻明 或相邻暗 纹间距 缝间距越小 屏越远 干涉越显著 在D d不变时 条纹疏密与 正比 3 白光干涉条纹的特点 中央0级为白色亮纹 两侧为彩色 由蓝到红向外展开 5 光强分布曲线 例以单色光垂直照射到相距为0 15mm的双缝上 双缝与屏幕的垂直距离为0 90m 1 若第一级明条纹到同侧的第四级明条纹间的距离为8 0mm 求单色光的波长 2 若入射光的波长为589 3nm 求相邻两明条纹间的距离 解 1 根据杨氏双缝干涉明条纹的条件 k 0 1 2 得 2 根据杨氏双缝干涉条纹间距 代入 得 将数值 nm 13 2 2劳埃镜 半波损失 光从光疏介质入射到光密介质界面时 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 13 3 1光程和光程差 光在真空中的速度 光在介质中的速度 2 介质中的波长 13 3光程光程差 1 介质的折射率 相位差 物理意义 光在折射率为n的介质中传播几何路程r所产生的相位变化 相当于光在真空中传播几何路程nr所产生的相位变化 图中光程 4 相位差与光程差的关系 5 干涉加强条件 6 干涉减弱条件 表示光程差 13 3 2透镜不产生附加光程差 平行光通过透镜后各光线的光程相等 例1以单色光照射到相距为0 15mm的双缝上 双缝与屏幕的垂直距离为0 90m 1 从第一级明条纹到同侧的第四级明条纹间的距离为8 0mm 求单色光的波长 2 若入射光的波长为589 3nm 求相邻两明条纹间的距离 解 1 根据杨氏双缝干涉明条纹的条件 由此解得 得 2 根据杨氏双缝干涉条纹间距 将数值代入 得 例2在杨氏干涉实验中 光波波长 632 8nm 双缝间距为1 00mm 缝至屏幕的距离100cm 求 1 整个装置在空气中 屏幕上相邻暗条纹的间距 2 整个装置在水 n 1 33 中 屏幕上明条纹的宽度 3 装置在空气中 但其中一条狭缝用一厚度为 cm的透明薄片覆盖 结果原来的零级明 纹变为第7级明纹 薄膜的折射率n为多少 解 1 条纹间距 将d 1 00mm D 100cm 1000mm 632 8nm 代入上式 得 2 求整个装置在水 n 1 33 中 屏幕上明条纹的宽度 解 2 这时波长为 将数值代入 得 解 3 n 1 e 7 13 4薄膜干涉 油层上下反射光的干涉 肥皂薄膜的干涉图样 镜头表面的增透膜 P 1 薄膜干涉的光程差 作 1 反射光的光程差 加强 减弱 当薄膜是等厚时 则相同入射角的光对应同一条纹 等倾干涉 2 等倾干涉 加强 减弱 从能量的角度考虑 则有反射加强时 对应透射减弱 透射加强时 反射减弱 3 光线垂直膜表面入射 i 0 4 透射光的光程差 分析略 2 增透膜增反膜 利用薄膜干涉可以提高光学器件的透光率 最小厚度 通常在玻璃器件上镀MgF2 n 1 38 透射率98 7 求增透膜的最小厚度 薄膜干涉1 rm k 0 求增反膜的最小厚度 最小厚度 注意 增透或增反是针对特定的波长而言 通常在玻璃器件上镀多层ZnS n2 2 35 反射率为99 以上 此时 薄膜干涉2 rm 13 5 1劈尖 13 5劈尖牛顿环 劈尖干涉是等厚干涉 1 干涉条纹特点 1 条纹形状是与棱边平行 等间距 明暗相间的直条纹 2 相邻干涉条纹对应的薄膜厚度差 n为劈尖的折射率 3 条纹宽度 相邻明纹或相邻暗纹间距 角很小 sin tg 越小 l越大 条纹越稀 越大 l越小 条纹越密 当 大到某一值 条纹密不可分 无干涉 2 厚度变化对条纹的影响 3 劈尖干涉应用 测量细丝直径 微小夹角 热膨胀系数等 还可以检验工件的平整度 等倾干涉 rm 例1 如图求凹的深度或凸的高度 工件表面凸起 上凸高度为 例2在半导体器件生产中 为精确地测定硅片上的SiO2薄膜厚度 将薄膜一侧腐蚀成劈尖形状 如图所示 用波长为589 3nm的钠黄光从空气中垂直照射到SiO2薄膜的劈状部分 共看到6条暗条纹 且第6条暗条纹恰位于图中劈尖的最高点A处 求此SiO2薄膜的厚度 已知 SiO2和Si的折射率为n1 1 50和n2 3 42 解 在度为e处 薄膜上 下表面反射光的光程差为 第6条暗纹对应k 5 得膜厚为 或根据条纹间距是 2n 而整个劈尖共对应5 5个暗纹间距 所以膜后为 例3 求样品的热膨胀系数 热膨胀系数 的定义 13 5 2牛顿环 由一块平