《波动光学干涉》PPT课件.ppt

第7章波动光学 20世纪60年代激光问世后 光学有了飞速的发展 形成了非线性光学等现代光学 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 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 波动光学 以光的电磁波本性为基础 研究传播规律 特别是干涉 衍射 偏振的理论和应用 7 1光的干涉 当两列 或几列 满足一定条件的光波在某区域同时传播时 空间某些点的光振动始终加强 某些点的光振动始终减弱 在空间形成一幅稳定的光强分布图样 称为光的干涉现象 相干条件 2 频率相同 3 有恒定的位相差 1 振动方向相同 满足相干条件的光源就称为相干光源 E1 E2 自发辐射跃迁 波列长L tc 7 1 1相干光的获得 1 普通光源与激光光源 光源的最基本的发光单元是分子 原子 1 普通光源 发光时间t 10 8s 普通光源每个原子发光是间隙式的 普通光源不是相干光源 发光频率 光的振动方向 光波的初位相以及光波的传播方向等都可能不同 它们何时发光完全是不确定的 普通光源各个原子的发光是完全独立的 互不相关 2 激光光源 激光光源是相干光源 受激辐射跃迁 例如 氦氖激光器 红宝石激光器 半导体激光器等等 完全一样的光子 频率 相位 振动方向 传播方向都相同 2 光的单色性 实际原子发光 是一个有限长的波列 不是严格的余弦函数 只能说是准单色光 在某个中心频率 波长 附近有一定频率 波长 范围的光 衡量单色性好坏的物理量是谱线宽度 理想的单色光 具有恒定单一频率的简谐光波 它是无限伸展的 例 普通单色光 10 3 10 1nm激光 10 9 10 6nm 造成谱线宽度的主要原因 1 自然增宽 由能级自然宽度形成 2 多普勒增宽 分子 原子的热运动引起 3 碰撞增宽 碰撞也可增加原子能级宽度 由于谱线频率的展宽 一般波列的长度只有几厘米或几毫米 原子处在各激发态有一定的寿命 存在不确定关系 3 相干光的获得 将光源上同一原子同一次发的光分成两部分 再使它们叠加 英国科学家ThomasYoung 1773 1829 7 1 2杨氏双缝干涉 1杨氏双缝干涉 1 条纹 中心 的位置 亮纹条件 在 较小的情况下 k称为亮纹的级次 亮纹位置 暗纹条件 暗纹位置 相邻两亮纹 或暗纹 之间的距离都是 2 条纹间距 白光入射时 0级亮纹为白色 其余级亮纹构成彩带 第二级亮纹就会出现重叠 为什么 干涉级次越高重叠越容易发生 2 复色光源的干涉条纹 相位差在分析光的叠加时十分重要 为便于计算光通过不同媒质时的相位差 引入光程概念 7 1 3光程光程差 真空中波长 媒质中光从a到b相位改变 光通过媒质时频率 不变 但波长要改变 设为 从相位看 媒质中距离d包含的波长数与真空中距离nd包含的波长数相同 即二者产生相同的相差 nd 在折射率为n的媒质中 光走距离d的等效真空路程 称为光程 例 设两束光经历的光程分别为 1和 2 这两束光的光程差 写作 如果两相干波源同相位 则这两束光在相遇点引起的两个振动的相位差为 在光学中常用到透镜 3 透镜近轴光线的等光程性 实验告诉我们 物点到像点各光线之间的光程差为零 薄膜干涉是分振幅干涉 等厚条纹 同一条纹相应膜的同一厚度 日常见到的薄膜干涉例子 肥皂泡 雨天地上的油膜 昆虫翅膀上的彩色 膜为何要薄 薄膜干涉有两种条纹 等倾条纹 同一条纹相应入射光的同一倾角 光的相干长度所限 7 1 4薄膜干涉 1增透膜增反膜 增透膜 膜上下两表面的反射光满足干涉减弱条件 如 MgF2薄膜 平行光垂直入射时 增透条件为 增反膜 膜上下两表面的反射光满足干涉加强条件 MgF2薄膜的增反条件为 2 劈尖 劈尖 夹角很小的两个平面所构成的薄膜 劈尖干涉在膜表面附近形成明 暗相间的条纹 A 通常让光线几乎垂直入射 设单色平行光线在A点处入射 膜厚为e 反射光1 单色平行光垂直入射 e n n n A 反射光2 设n n 一个厚度e 对应着一个光程差 对应着一个条纹 等厚条纹 亮纹 暗纹 设相邻两条亮纹对应的厚度差为 e 有 在此问题中 棱边处是亮纹还是暗纹 答 暗纹 亮纹与暗纹等间距地相间排列 把劈尖上表面向上缓慢平移 有何现象 劈尖角不变 条纹间距不变 劈尖上总条纹数不变 把劈尖角逐渐增大 有何现象 劈尖角变大 条纹间距变小 劈尖上总条纹数变多 劈尖上表面向上缓慢平移时等光程差处向劈棱处移动 条纹向劈棱处移动 劈尖角增大时等光程差处向劈棱处移动 条纹向劈棱处挤 2 检测表面质量 请问 此待测工件表面上 有一条凹纹还是一条凸纹 应用举例 1 测光波的波长 3 测微小直径 厚度 或镀膜厚度 平凸透镜与平晶间形成空气劈尖 e可用r R表示 3 牛顿环 对空气劈尖 光程差 n 1 1 代入 2 得 第k级暗环半径为 暗环 中心是暗点 k 0 所以条纹间距 内疏外密 实用的观测公式 暗纹 牛顿环装置还能观测透射光的干涉条纹 它们与反射光的干涉条纹正好亮暗互补 为什么 由 或测入射光的波长 可据上式测透镜球面的半径R 可用牛顿环检验透镜 的球面 表面质量 若球面不规则 仪器结构示意图 若M1 与M2平行 等倾条纹 若M1 与M2有小夹角 等厚条纹 M 1 2 2 1 1 半透半反膜 补偿板 反射镜 反射镜 光源 观测装置 4迈克尔逊干涉仪 例 等厚条纹时 反射镜平移 则干涉条纹移动 若干涉条纹移过N条 则反射镜平移距离为 显微镜测量可以精确