大学物理光的干涉.ppt

光学概述 一 光的机械微粒学说 17世纪 18世纪末 代表 牛顿 对立面 惠更斯 波动说 分歧的焦点 光在水中的速度 1850年佛科 Foucauld 测定 微粒说开始瓦解 二 光的机械波动说 19世纪初 后半世纪 二 光的机械波动说 19世纪初 后半世纪 英国人托马斯 杨 T Young 和法国人菲涅尔 A T Fresnel 通过干涉 衍射 偏振等实验证明了光的波动性及光的横波性 性质 弹性机械波 在机械以太中传播 三 光的电磁说 19世纪的后半期 19世纪后半期Maxwell建立电磁理论 提出了光的电磁性 1887年赫兹用实验证实 性质 电磁波在电磁以太中传播 四 光的量子说 20世纪初 电磁波动说在解释 热幅射实验 及 光电效应 等实验遇到困难 1900年普朗克提出了 热幅射量子理论 爱因斯坦提出了光子理论 将光看成一束粒子流与电磁波动说相抗衡二者各自统治着自已的领域 1924年法国人德布罗意 De Broglie 大胆提出了 物质波 的概念 尔后薛定谔 海森伯等人创建了量子力学 又将二者统一起来 光是一个复杂的客体 它的本性只能通过它的表现来确定 它的某些方面象波而另一方面象微粒 波粒二象性 但它既不是经典的波 也不是经典的微粒 也不是二者的混合体 山重水复疑无路 柳暗花明又一村 分类 1 几何光学 研究光的直线传播及光学仪器的制造 2 波动光学 研究光的波动性 3 量子光学 研究光与物质的相互作用 从20世纪50年代起 出现了 相干光学 纤维光学 全息光学与全息技术 它是既年轻又古老的科学 也是现代技术的基础光学的发展仍可用 方兴未艾 前途无量 来形容 复习波的干涉 1 相干条件同频率 同振动方向 相位差恒定2 相长与相消干涉条件 第14章光的干涉 14 1相干光及其获得14 2光程光程差14 3分割波面法产生的光的干涉14 4分割振幅法产生的光的干涉14 5迈克尔逊干涉仪 14 6干涉条纹的可见度时间相干性与空间相干性 14 1相干光及其获得 一 光矢量 光强度二 光源 热光源的特点三 光波的叠加 相干叠加与非相干叠加 四 相干光 同频率 同振动方向 相位差恒定 五 相干光的获得1 分波阵面法2 分振幅法 14 2光程光程差 一 问题的提出二 光程三 干涉加强与干涉减弱的条件 四 透镜的等光程性 在光路中引入透镜不产生附加的光程差 14 3分割波面法产生的光的干涉 一 杨氏双缝干涉明暗纹位置 二 菲涅尔双面镜 三 洛埃镜实验 干涉条纹的间距 例1 双缝干涉中 双缝间距d 0 5mm 双缝至屏的距离为D 25cm 若光源是由波长 为400nm和600nm的两种单色光组成 则 1 干涉条纹间距分别为多少 2 距中央明纹多远处两种光线的亮纹第一次重合 各为第几级 解 1 2 第一次重合 例2 双缝干涉中 入射光波长为 双缝至屏的距离为D 在一缝后放一厚为b的透明薄膜 此时中央明纹处仍为明纹 求该明纹的干涉级 解 O 例3 在杨氏双缝实验中 当作如下调节时 观察屏上的干涉条纹将如何变化并说明理由 1 2a不变 D减小 2 单色光源S变成复色缝光源 3 用一云母片盖住任一个缝 4 整个双缝实验装置放入水中 复习 14 1 2 3预习 14 4作业 练习十二 例3 在杨氏双缝实验中 当作如下调节时 观察屏上的干涉条纹将如何变化并说明理由 1 2a不变 D减小 2 单色光源S变成复色缝光源 3 用一云母片盖住任一个缝 4 整个双缝实验装置放入水中 第14章光的干涉 14 1相干光及其获得14 2光程光程差14 3分割波面法产生的光的干涉14 4分割振幅法产生的光的干涉14 5迈克尔逊干涉仪 14 6干涉条纹的可见度时间相干性与空间相干性 14 1相干光及其获得 一 光矢量 光强度二 光源 热光源的特点三 光波的叠加 相干叠加与非相干叠加 四 相干光 同频率 同振动方向 相位差恒定 五 相干光的获得1 分波阵面法2 分振幅法 14 2光程光程差 一 问题的提出二 光程三 干涉加强与干涉减弱的条件 四 透镜的等光程性 在光路中引入透镜不产生附加的光程差 14 3分割波面法产生的光的干涉 一 杨氏双缝干涉 二 菲涅尔双面镜 三 洛埃镜实验 明暗纹位置 干涉条纹的间距 14 4分割振幅法产生的光的干涉 薄膜干涉 14 4分割振幅法产生的光的干涉 一 薄膜干涉 最典型 讨论 1 i恒定 则 等倾干涉 等厚干涉 2 e恒定 则 问题 k能取0吗 14 4分割振幅法产生的光的干涉 一 薄膜干涉 最典型 二 等厚干涉 1 劈尖干涉 设每一干涉条纹对应的薄膜厚度分别为 明纹 暗纹 1 1 劈尖干涉 如条纹间距离为 由明纹公式 4 5 4 式 3 式 代入 2 A 劈尖的等厚干涉条纹是等间距的 结论 B 劈尖的棱角越小 条纹间距越宽 劈尖干涉的应用 被检体 被检体 1 检查平面与直角 被检体 被检体 标准角规 标准角规 2 测量微小厚度和微小厚度变化 1 检查平面与直角 用测微显微镜测出L l 即可得到d 纸 n2 1 2 测量微小厚度和微小厚度变化 薄膜厚度增加时 条纹下移 厚度减小时条纹上移 薄膜的增加时 条纹下移 减小时条纹上移 显然 从视场中移动了m个条纹 薄膜厚度改变了 2 测量微小厚度和微小厚度变化 14 4分割振幅法产生的光的干涉 一 薄膜干涉 最典型 二 等厚干涉 1 劈尖干涉 条纹为平行于棱边明暗相间等间隔的直条纹 棱边处 e 0 为暗纹 2 增透与增反 问题 组合透镜中 反射光能损失20 左右解决办法 在透镜表面镀膜 增反 增透 减反 可由此波长推出要镀膜的厚度 思考 计算光程差时 什么情况下要加上 3 牛顿环 A 曲率半径很大的凸透镜 1 装置 B 平面光学玻璃 A B 干涉图样 半反射镜 显微镜 r 随着r的增加而变密 2 定量分析 垂直入射时的干涉条件 明纹 1 暗纹 2 中 n2 1 明纹 1 暗纹 2 明环 暗环 代入 1 2 式 3 讨论 r 0的地方 是零级暗纹 条纹不是等间距的 越外越小 白光入射时将出现由紫到红的彩色条纹 3 讨论 r 0的地方 是零级暗纹 条纹不是等间距的 越外越小 中间填充介质 仍有一条光线有半波损失 4 应用 1 测量光波长 2 检查平面玻璃是否平坦 凹透镜的曲率是否付合要求 例1 牛顿环的R 4 5m 第k级暗环半径 第k 5级暗环半径 求 入射光波长及 条纹级数k 例2 将平面玻璃片覆在平凹柱面透镜的凹面上 1 若单色平行光垂直照射 从反射光中观察现象 试说明干涉条纹的形状及其分布情况 2 当照射光波长 时 平凹透镜中央 A处是暗的 然后连续改变照射光波波长直到波长变为 时 A处又重新变暗 求A处平面玻璃片和柱面之间空气隙的高度 复习 14 4预习 14 5 6作业 练习十三 第14章光的干涉 14 1相干光及其获得14 2光程光程差14 3分割波面法产生的光的干涉14 4分割振幅法产生的光的干涉14 5迈克尔逊干涉仪 14 6干涉条纹的可见度时间相干性与空间相干性 相干光的获得 1 分波阵面法杨氏双缝干涉2 分振幅法 等厚干涉 1 劈尖干涉 条纹为平行于棱边明暗相间等间隔的直条纹 棱边处 e 0 为暗纹 2 增透与增反 增反 增透 减反 3 牛顿环 白光入射时将出现由紫到红的彩色条纹 r 0的地方 是零级暗纹 条纹不是等间距的 越外越小 中间填充介质 仍有一条光线有半波损失 4 应用 1 测量光波长 2 检查平面玻璃是否平坦 凹透镜的曲率是否付合要求 例1 牛顿环的R 4 5m 第k级暗环半径 第k 5级暗环半径 求 入射光波长及 条纹级数k 例2 将平面玻璃片覆在平凹柱面透镜的凹面上 1 若单色平行光垂直照射 从反射光中观察现象 试说明干涉条纹的形状及其分布情况 2 当照射光波长 时 平凹透镜中央 A处是暗的 然后连续改变照射光波波长直到波长变为 时 A处又重新变暗 求A处平面玻璃片和柱面之间空气隙的高度 例3 在一洁净的玻璃片上放一滴油 当油滴展开成油膜时 在 600nm的单色光垂直照射下 从反射光中观察到油膜所形成的干涉条纹 若n油 1 2 n玻 1 5 求 1 当油膜中的最高点与玻璃上表面相距H 1200nm时 试描述所观察到的条纹特征 2 油膜扩展时 条纹如何变化 14 5迈克尔逊干涉仪 一 构造及光路图 透镜 半涂银镜 补偿透镜 反射镜 眼或望远镜 M1 M2 G1 G2 L E M 1 光源 二 干涉原理 当M2移动半个波长时 光程差改变一个波长 视场中将看到一条条纹移过 当视场中看到N条条纹移过时 M2平移的距离为 三 应用 测量微小长度的变化 测量光波波长 测折射率n另外 根据迈克尔逊干涉仪原理发展出了多种适合不同要求的光学干涉仪 如 显微干涉仪 测定表面光洁度 法布里 珀罗干涉仪 测定光谱线波长 气体检测干涉仪测矿井瓦斯或潜水艇中CO2含量还有泰曼干涉仪 马赫 曾德尔干涉仪等 历史上迈克尔逊曾用此干涉仪测定红隔线的波长 150C 1atm的干燥空气中 1927年国际会议规定 1983年国际17届计量会议规定 1960年国际会议规定 例 迈克尔逊干涉仪两臂中分别加入20cm长的玻璃管 一个抽成真空 一个充以一个大气压的氩气 今以汞光线 546nm 入射干涉仪 如将氩气抽出 发现干涉仪中条纹移动了205条 求氩气的折射率 E M1 M2 G1 G2 L 解 复习 第十四章预习 15 1 2作业 练习十四 14 6时间相干性和空间相干性 TemporalCoherenceandSpatialCoherence 一 干涉条纹的可见度 1 单色光入射时 只能在中央条纹附近看到有限的为数不多的几条干涉条纹 2 单缝或双缝宽度增大时 干涉条纹变得模糊起来 为什么 2 可见度 1 光的干涉除满足同频率 同振动方向 相位差恒定以外 还要满足 光程差 L 相干长度 光源线度 2 光的时间相干性是考虑光波纵向传播的相干性问题 光的空间相干性是考虑光的横向传播的相干性问题 二 时间相干性 指由原子一次发光所持续的时间来确定的光的相干性问题 1 两波列的光程差为零 可产生相干叠加 2 两波列的光程差较小 小于波列长度 能参与产生相干叠加的波列长度减小 干涉条纹变模糊了 P 若是明纹 则明纹不亮 若是暗纹 暗纹不暗 原因 3 两波列的光程差较大 大于波列长度 波列不能在P点叠加产生干涉 干涉条纹消失了 原因 P 此乃高干涉级条纹看不清或消失的原因之一 结论 产生光的干涉还须加一附加条件 4 相干时间与谱线宽度有如下关系 谱线宽度 可见 光的单色性越好 光的相干长度就越长 光的时间相干性也就越好 几种物质的波长 线宽及波列长度 三 空间相干性 光源总是有一定的线度的 当光源线度不大时 从S和S 发出的光产生的干涉条纹叠加后 仍能分辩清楚明暗条纹 S S 当光源线度b较大时 从S和S 发出的光产生的干涉条纹叠加后 干涉条纹对比度降低 明暗条纹变得模糊 S S 当光源线度b增大到某一限度时 干涉条纹消失S和S 发出的光的光程差之差为 2 S S 可见 为了产生清晰的干涉条纹 光源的线度受到一定限制 空间相干反比公式 称为 相干范围孔径角 也即越大 在垂直于光传播的的平面内 任取两点作相干光源的空间范围越大 或空间相干性越好