一、光的干涉

0 一 光的干涉 1光源的发光特性 2双缝干涉 3光程和光程差 4劈尖的干涉牛顿环 5薄膜的干涉 6迈克耳逊干涉仪 Interferenceoflight 1 1光源的发光特性 一 光源 lightsource 发射光波的物体 E2 E1 h E1 E2 能级跃迁辐射 波列长L c 光致发光 利用光激发发光 荧光 磷光 化学发光 利用化学反应发光 激光光源 受激辐射原子发射的光波是一段频率一定 振动方向一定 有限长的光波 称为波列 热光源 利用热能发光 白炽灯 电致发光 利用电能发光 二极管 上页 下页 退出 返回 2 1 普通光源 处于激发态的原子 或分子 的自发辐射 独立 不同原子发的光 独立 同一原子先后发的光 2 激光光源 受激辐射 E2 E1 h 完全一样 频率 位相 振动方向 传播方向 独立指 前后发光间隔 频率 对非单色光源 相位关系 振动方向 传播方向 上页 下页 退出 返回 3 当复色光通过三棱镜时 由于不同频率的光在玻璃中的传播速度各不相同 折射率也不同 因此复色光中不同频率的光将按不同的折射角分开 形成光谱 这种现象称为色散 单色光的获得 复色光狭缝分析复色光滤光钠光光源 二 光的单色性具有单一频率的光波称为单色光 由各种不同频率复合的光称为复色光 上页 下页 退出 返回 4 三 光的相干性 1 两列光波的叠加 1 频率相同 2 有恒定的相位差 3 振动方向相同 相干条件 1 加强条件p点两振动同相时加强 相长干涉 2m m 0 1 2 2 减弱条件p点两振动反相时减弱 相消干涉 2m 1 m 0 1 2 上页 下页 退出 返回 5 2 普通光源获得相干光的途径 分波阵面法 同一光源发出的光分成两部分 分振幅法 光射到两种介质的分界面上时 一部分反射 一部分透射 上页 下页 退出 返回 杨氏双缝实验菲涅耳双镜实验洛埃镜实验 薄膜的干涉劈尖的干涉牛顿环 6 2双缝干涉 一 杨氏双缝干涉 p r1 r2 上页 下页 退出 返回 紫 黄 红 白 d D d d 10 4m D m 7 上页 下页 退出 返回 波程差 1 波程差 8 相位差 2 明纹 3 暗纹 波程差 4 条纹间距 上页 下页 退出 返回 9 1 一系列平行的明暗相间的条纹 3 中间级次低 4 5 条纹特点 2 x不太大时条纹等间距 上页 下页 退出 返回 10 例1 在杨氏双缝干涉实验中 设两缝间距离d 0 02cm 屏与缝之间距离D 100cm 试求 1 以波长为5890 10 10m的单色光照射 第10级明条纹离开中央明条纹的距离 2 第10级干涉明条纹的宽度 3 以白色光照射时 屏幕上出现彩色干涉条纹 求第2级光谱的宽度 上页 下页 退出 返回 11 解 如图 两相干光的光程差 则任一级明条纹离开中央明纹的距离 1 明条纹的光程差满足 取k 10 上页 下页 退出 返回 12 2 第10级明条纹的宽度 则为第9级和第10级暗条纹之间的距离 由暗条纹公式可知 任一级暗条纹离开中央明条纹的距离 上页 下页 退出 返回 13 3 因为白色光是由许多波长不同的单色光组成的复色光 各单色光干涉条纹离开中央明条纹的距离各不相同 x与波长成正比 则 所以在同一级干涉光谱中 紫色光比红色光靠近中央明条纹 离开中央明条纹的排列次序为紫 蓝 青 绿 黄 橙 红 第2级谱线宽度取k 2 有 上页 下页 退出 返回 第2级谱线宽度 14 7 洛埃德镜实验 6 菲涅耳双镜实验 上页 下页 退出 返回 15 3光程和光程差 一 光程 光程差 n 媒质中波长 光程 L nd 真空中波长 上页 下页 退出 返回 媒质中 真空中 16 光程差 相位差和光程差的关系 上页 下页 退出 返回 17 上页 下页 退出 返回 例3 例1中 1 若把此双缝实验装置放到水中进行 则屏幕上干涉条纹如何变化 解 在水中时光程差为 所以明条纹位置和宽度分别为 所以x 变小 干涉条纹将变密 18 解 设空气折射率为n1 由r1 r2发出的光到达P点时光程差为 光程差的改变量 每移动一个条纹 光程差改变一个波长 有 未放云母片 放入云母片 上页 下页 退出 返回 2 在r1光路中放上厚为l 0 2cm 折射率为n的很薄的透明云母片 观察到屏幕上条纹移过20条 则云母片折射率为多少 空气折射率 19 二 使用透镜不会产生附加光程差 物点到象点各光线之间的光程差为零 上页 下页 退出 返回 20 光从光疏媒质射到光密媒质界面反射时 反射光有量值为 的相位突变 即在反射过程中损失了半个波长 这种现象称半波损失 理论和实验表明 如果两束光都是从光疏到光密界面反射 即n1n2 n3的情况 则两束反射光之间无附加的相位差 如果一束光从光疏到光密界面反射 而另一束光从光密到光疏界面反射 即n1n3或n1 n2 n3的情形 则两束反射光之间有附加的相位差 或者说有附加光程差 对于折射光 则任何情况下都不会有相位突变 21 4薄膜的干涉 等倾条纹 2 1 一 光束1 2的光程差 上页 下页 退出 返回 得 22 二 明纹 三 暗纹 上页 下页 退出 返回 倾角i相同的光线对应同一条干涉条纹 等倾条纹 23 L f P o r环 i S i i i 上页 下页 退出 返回 四 等倾条纹 1形状 一系列同心圆环 3条纹级次分布 e一定 5波长对条纹的影响 4膜厚变化时 条纹的移动 2条纹间隔分布 内疏外密 24 例4 用入射光 500nm的光照射在厚度均匀的透明塑料薄膜上 若在反射角为60 的位置上看到明条纹 此明条纹为第10级明纹 已知薄膜的折射率n 1 33 1 试问这是等厚干涉还是等倾干涉 有哪两条光线产生干涉 2 求此薄膜的厚度e 3 此厚度能看到的最高级次 解 1 因为厚度均匀 而对应不同入射角i 得到不同干涉条纹 同一倾角有同一条干涉条纹 所以是等倾干涉 当光线照射到薄膜上时 在膜的上表面有反射光线 在膜的下表面有反射光线 此两条光线为相干光而产生干涉 形成等倾干涉条纹 即为明暗相间的同心圆 上页 下页 退出 返回 25 因为其中 光线在反射时有半波损失 而光线 无半波损失 所以有附加光程差 n2为膜的折射率 n1为空气的折射率 取为1 2 此两束光线的光程差 对明条纹 当i 60 时 看到第10级明条纹取k 10 上页 下页 退出 返回 26 3 看到明条纹的最高级次 由上式可知在等倾干涉中i减少k增大 当i 0时 k为最大值 即能看到最高级次为第13级明纹 上页 下页 退出 返回 27 5薄膜的干涉 等厚条纹 一 劈尖 劈形膜 夹角很小的两个平面所构成的薄膜 上页 下页 退出 返回 28 e n n n A 反射光2 反射光1 入射光 单色平行光垂直入射 设n n A 1 2的光程差 光程差可简化为图示情况计算 实际应用中 大都是平行光垂直入射到劈尖上 考虑到劈尖夹角极小 反射光1 2在膜面的 上页 下页 退出 返回 29 条纹间距 又 上页 下页 退出 返回 明纹 暗纹 同一厚度e对应同一级条纹 等厚条纹 光程差 30 两式相减 代入数值 上页 下页 退出 返回 例5 已知 求 解 31 二 牛顿环 光程差 1 k 1 2 2 明环 k 0 1 2 暗环 上页 下页 退出 返回 32 第k个明环半径 第k个暗环半径 k 1 2 k 0 1 2 上页 下页 退出 返回 k 0时 r 0 所以中央是暗斑 牛顿环干涉条纹是一系列明暗相间的同心圆环 33 34 牛顿环干涉是一系列明暗相间的 内疏外密的同心圆环 35 三 等厚条纹的应用 1 劈尖的应用 测波长 已知 n 测L可得 测折射率 已知 测L可得n 测细小直径 厚度 微小变化 测表面不平度 上页 下页 退出 返回 36 2 牛顿环的应用 测透镜球面的半径R 已知 测m rk m rk 可得R 测波长 已知R 测出m rk m rk 可得 检验透镜球表面质量 上页 下页 退出 返回 暗环半径 明环亦