《光的干涉部分》PPT课件.ppt

Thereisnosuchthingasagreattalentwithoutgreatwill power Balzac没有伟大的意志力 便没有雄才大略 巴尔扎克 第十一章 波动光学 一光的干涉 1理解相干光的条件及获得相干光的方法 2掌握光程的概念以及光程差和相位差的关系 理解在什么情况下的反射光有相位跃变 3能分析杨氏双缝干涉条纹及薄膜等厚干涉条纹的位置 4了解迈克耳孙干涉仪的工作原理 教学基本要求 2理解用波带法来分析单缝的夫琅禾费衍射条纹分布规律的方法 会分析缝宽及波长对衍射条纹分布的影响 3理解光栅衍射公式 会确定光栅衍射谱线的位置 会分析光栅常数及波长对光栅衍射谱线分布的影响 4了解衍射对光学仪器分辨率的影响 5了解x射线的衍射现象和布拉格公式的物理意义 二光的衍射 1了解惠更斯 菲涅耳原理及它对光的衍射现象的定性解释 三光的偏振 理解自然光与偏振光的区别 理解布儒斯特定律和马吕斯定律 了解双折射现象 了解线偏振光的获得方法和检验方法 光学通常分为以下三个部分 几何光学 以光的直线传播规律为基础 主要研究各种成象光学仪器的理论 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 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 光是什么 近代物理认为 光既是一种波动 电磁波 又是一种粒子 光子 就是说 光具有波动和粒子二重特性 波粒二象性 引言 这里只介绍波动光学的内容 相干光 第一节 一光源 光矢量用矢量表示光矢量 它在引起人眼视觉和底片感光上起主要作用 光是一种电磁波 可见光是能引起人的视觉的电磁波 4000 紫 7600 红 单色光 具有单一频率的光波 二 单色光 复色光 波列 三 普通光源的发光机制 同一原子先后发的光彼此独立 是非相干光 不同原子同时发的光彼此独立 是非相干光 1 光是由光源中的原子或分子的运动状态发生变化时辐射出来的 3 各原子发光是随机的 无固定相位差 2 原子发光的时间很短 只有10 8秒 注意 各原子发光是随机的 无固定相位差 两普通光源发出的光是否相干光 两个频率相同的钠光灯不能产生干涉现象 既使是同一个单色光源的两部分发出的光 也不能产生干涉 无干涉现象 1 频率相同 2 振动方向一致 3 有恒定的相位差 四 相干光 五 获得相干光的方法 掌握 第二节 杨氏双缝干涉 杨氏在1801年首先用实验的方法研究了光的干涉现象 为光的波动理论确定了实验基础 一 杨氏双缝干涉装置 o S1 S2 P x 双缝 单缝 屏 干涉条纹 点光源 二 条纹分布规律 条纹位置 P I x r2 r1 S1 S2 d 波程差 掌握 减弱 加强 暗纹 加强 减弱条件 明纹 暗纹位置 1 明纹位置 k 0时 0 零级明纹位于屏幕中央 只有一条 其它各级明纹都有两条 且对称分布 2 暗纹位置 对称分布在屏幕中央两侧 3 条纹间距 相邻明纹与相邻暗纹的间距都相同 所以条纹明暗相间平行等距 4 条纹间距与各量之间的关系 1 在双缝干涉实验中 为使屏上的干涉条纹间距变大 可以采取的办法是 A 使屏靠近双缝 B 使两缝的间距变小 C 把两个缝的宽度稍微调窄 D 改用波长较小的单色光源 B 三双镜 四劳埃德镜 P M 问题 当屏移到位置时 在屏上的L点应该出现暗条纹还是明条纹 半波损失条件 1 光从折射率较小介质射向折射率较大介质 有半波损失 无半波损失 折射光都无半波损失 思考 掌握 解 1 2 解计算波程差 取 极大时 第三节 光程薄膜干涉 光在真空中的速度 光在介质中的速度 介质中的波长 相位差 表明 光在介质中传播时 其相位的变化不仅与光波传播的几何路程和光波在真空中的波长有关外 还与介质的折射率有关 2 光程差 光程差 1 光程 媒质折射率与光的几何路程之积 光程差与相位差关系 掌握 加强 减弱 3 用光程差表示的干涉加强 减弱条件 掌握 光程差计算练习 思考 二 透镜不引起附加的光程差 有半波损失 无半波损失 熟练掌握 注意 指反射光 L 设 反射光的光程差为 由 折射定律 注意 条件 反射光的光程差 光程差仅由薄膜厚度决定 增反膜 增透膜 垂直照射 根据具体情况而定 透射光4 5的光程差 注意 透射光和反射光干涉具有互补性 符合能量守恒定律 垂直照射 增透膜 增反膜 四 镀膜技术 在光学器件中 由于表面上的反射与透射 在器件表面镀膜 来改变反射与透射光的比例 例如 较高级的照相机的镜头由6个透镜组成 如不采取有效措施 反射造成的光能损失可达45 90 为增强透光 要镀增透膜 或减反膜 复杂的光学镜头采用增透膜可使光通量增加10倍 掌握 1 增透膜 光学镜头为减少反射光 通常要镀增透膜 增透膜是使膜上下两表面的反射光满足减弱条件 依具体情况定 例 为增强照相机镜头的透射光 往往在镜头 n3 1 52 上镀一层MgF2薄膜 n2 1 38 使对人眼和感光底片最敏感的黄绿光 555nm反射最小 假设光垂直照射镜头 求 MgF2薄膜的最小厚度 解 减弱 k 0 膜最薄 通常k取1 在该厚度下蓝紫光反射加强 所以我们看到镜头表面为蓝紫色 2 增反膜 减少透光量 增加反射光 使膜上下两表面的反射光满足加强条件 例如 激光器谐振腔反射镜采用优质增反膜介质薄膜层已达15层 其反射率99 9 解 1 绿色 2 透射光的光程差 红光 紫光 Fearnotthatthelifeshallcometoanend butratherfearthatitshallneverhaveabeginning J H Newman不要害怕你的生活将要结束 应该担心你的生活永远不会真正开始 纽曼 第四节 等厚干涉劈尖 牛顿环 劈尖角 一劈尖 明纹 暗纹 2 光程差 1 实验装置 1 相邻明纹 暗纹 间的厚度差 K级明纹 K 1级明纹 结论 相邻明纹 暗纹 间对应的厚度差为光在劈形膜中的波长的二分之一 掌握 2 相邻明 暗 纹间距 3 测量微小物体的厚度 每一条纹对应劈尖内的一个厚度 当此厚度位置改变时 对应的条纹随之移动 4 干涉条纹的移动 解 1 检验光学元件表面的平整度 2 测细丝的直径 劈尖干涉的应用 例2 测量钢球直径 用波长为589 3nm的钠黄光垂直照射长L 20mm的空气劈尖 测得条纹间距为 求 钢球直径d 解 二牛顿环 由一块平板玻璃和一平凸透镜组成 光程差 n1 n2 n3 光程差 暗纹 1 光程差 加强 减弱 2 牛顿环半径 明环 暗环 掌握 3 牛顿环应用 测量未知单色平行光的波长 用读数显微镜测量第k级和第m级暗环半径rk rm 检测光学镜头表面曲率是否合格 将玻璃验规盖于待测镜头上 两者间形成空气薄层 因而在验规的凹表面上出现牛顿环 当某处光圈偏离圆形时 则该处有不规则起伏 总结 1 干涉条纹为光程差相同的点的轨迹 即厚度相等的点的轨迹 2 半波损失需具体问题具体分析 讨论 1 不同材料组成的牛顿环 2 由不同曲面 凸面组成的牛顿环 例 在牛顿环装置中 透镜与玻璃平板间充以液体时 第10个暗环的直径由1 40cm变为1 27cm 求该液体的折射率 解 由暗环公式 空气中 介质中 第五节 迈克尔逊干涉仪 美国物理学家 1852年12月19日出生于普鲁士斯特雷诺 现属波兰 后随父母移居美国 毕业于美国海军学院 曾任芝加哥大学教授 美国科学促进协会主席 美国科学院院长 还被选为法国科学院院士和伦敦皇家学会会员 1931年5月9日在帕萨迪纳逝世 迈克耳逊主要从事光学和光谱学方面的研究 他以毕生精力从事光速的精密测量 一直是光速测定的国际中心人物 他发明了一种用以测定微小长度 折射率和光波波长的迈克耳孙干涉仪 在研究光谱线方面起着重要的作用 迈克尔逊 由于创制了精密的光学仪器和利用这些仪器所完成的光谱学和基本度量学研究 迈克耳逊于1907年获诺贝尔物理学奖金 1887年他与美国物理学家E W 莫雷合作 进行了著名的迈克耳逊 莫雷实验 这是一个最重大的否定性实验 它动摇了经典物理学的基础 他研制出高分辨率的光谱学仪器 经改进的衍射光栅和测距仪 迈克耳逊首倡用光波波长作为长度基准 提出在天文学中利用干涉效应的可能性 并且用自己设计的星体干涉仪测量了恒星参宿四的直径 单色光源 反射