《光的干涉》PPT课件

大学物理,光学,OPTICS,光的干涉(InterferenceofLight),两光波在空间相遇形成稳定的强弱分布,称为干涉,目录,6.1光的发光机制6.1.1光源的发光机制相干光6.1.2光程与光程差6.2分波阵面干涉6.2.1杨氏双缝干涉6.2.2劳埃德镜与半波损失的验证6.3分振幅干涉6.3.1等倾干涉6.3.2等厚干涉6.3.3牛顿环6.3.4迈克尔孙干涉仪,第六章波动光学(WaveOptics),6.4光的衍射6.4.1光的衍射现象6.4.2惠更斯-菲涅耳原理6.4.3菲涅耳衍射夫琅和费衍射6.5夫琅和费的单缝衍射6.5.1夫琅和费单缝衍射的实验装置6.5.2用菲涅耳半波带分析夫琅和费单缝衍射图样6.5.3单缝衍射的条纹分布6.6夫琅和费的圆孔衍射光学仪器的分辨本领6.6.1夫琅和费的圆孔衍射6.6.2光学仪器的分辨本领6.7光栅衍射6.7.1光栅6.7.2光栅衍射条纹特点6.7.3光栅光谱6.7.4光栅的分辨本领,6.8晶体对X射线的衍射6.8.1X射线的衍射实验6.8.2布拉格公式6.9光的偏振性6.9.1自然光线偏振光部分偏振光6.9.2偏振片起偏马吕斯定律6.9.3反射和折射起偏布儒斯特定律6.9.4双折射起偏6.9.5偏振棱镜波片6.10偏振光的干涉6.10.1椭圆偏振光圆偏振光6.10.2偏振光的干涉,第一丝光线照临大地，新的一天开始了！,万物通过光进入我们的生活，没有光就没有光明！太阳的能量就是通过光波送到地球！五光十色，缤纷的世界，光是主角！光通信技术！激光的发明，一场新技术革命！通过光，人类知道遥远的星空发生的事件！通过光，人类知道微观世界发生的事件！.,人类获取信息的主要途径：83%来自视觉，11%来自听觉，3.5%来自嗅觉，1.5%来自触觉，1%来自味觉。,研究对象：,光的本性、光现象、光与物质的相互作用。,光学发展经历了四个阶段一、几何光学时期(17-18世纪)以光的直线传播规律为基础，研究各种成像光学仪器的理论。二、波动光学(19世纪初)光的电磁性质和传播规律，特别是干涉、衍射、偏振的理论与应用三、量子光学时期(19世纪末-20世纪初)以光的量子理论为基础,研究光与物质的相互作用,光的波粒二象性、光子四、现代光学时期(20世纪60年代末)激光、全息摄影、光导纤维、光学计算机、傅里叶光学、红外技术、遥感、遥测等,1704年，牛顿在光学中主张光是粒子流，但光的粒子流无法解释牛顿环。,1678年，惠更斯论光主张光是一种波，传播光的介质是“以太”。,1637年，笛卡儿在屈光学中提出光的折射定律。,1800年，托马斯杨设计了杨氏双缝实验，证明了光的干涉现象。,1815年，菲涅耳完善了惠更斯理论，提出了子波相干的思想。,1900年，普朗克提出量子假说。1905年爱因斯坦提出了光量子假设，光又一次被认为是粒子流。,1923年，德布罗意提出光和实物粒子都具有波粒二象性。,光的波动说无法解释光电效应，但粒子说可以解释。它的思想是爱因斯坦光量子理论的起源。,可见光七彩颜色,光的单色性,660,610,570,540,480,460,430,6.1光源的发光机制(Theluminousprincipleoflightsource),光源的发光是大量的分子或原子进行的一种微观过程,6.1.1光源的发光机制相干光,21=(E2E1)/h,普通光源发光特点:1)自发辐射(spontaneousradiation);2)每一次发光持续时间很短(t10-8s),独立(不同原子同时发出的光不相干),独立(同一原子先后发出的光不相干),激光光源发光特点:1)受激辐射(stimulatedradiation);2)每一次发光持续时间较长,普通光源发出的两束光在空间相遇很难产生相干叠加,这样的光称为非相干光(noncoherentlight)。,激光光源发出的两束光在空间相遇能产生相干叠加,这样的光称为相干光(coherentlight)。,怎样获得相干光?,P,s*,分波面法,分振幅法,P,薄膜,s*,将光源同一点、同一时刻发出的同一列光波“一分为二”。,6.1.2光程(opticalpath)光程差(opticalpathdifference),两光波在空间某点P相遇,讨论相遇点的光强分布。,设01、02分别为s1、s2光源的初相;A1、A2分别为s1、s2在P点的振幅,1和2为两波在r1和r2两段路程上介质中的波长,则两波在P点的振动为,由波的叠加原理可知在相遇点P合振动的振幅平方为,光强分布为:,其中为两波在真空中的波长,令n2r2n1r1,定义:光在媒质中通过的路程(r)与媒质折射率(n)的乘积(nr)称为光程(opticalpath),n2r2n1r1称为光程差(opticalpathdifference),光强分布与相位差有关,真空中：,介质中：,介质中波长,真空中波长,这表明，光在介质中传播路程r和在真空中传播路程nr引起的相位差相同。我们称nr为介质中与路程r相应的光程。,为方便计算光经过不同介质时引起的相差，引入光程的概念。,当01=02时,光程差与相位差之间关系:,薄透镜的等光程性(记住),焦平面,透镜成象均为亮点表明各条光线在会聚点相位相同,也就是各条光线光程相等。,s,s,重要结论:透镜可以改变光线的传播方向,但对物、象间各光线不会引起附加的光程差。,6.2分波阵面的干涉(Theinterferenceofdividingwavefront),1.实验装置(1801年),托马斯杨(ThomasYoung)1773-1829,英国物理学家,6.2.1杨氏双缝干涉(Youngdouble-slitinterference),ThomasYong(17731829),英国医生兼物理学家，光的波动说的奠基人之一。主要成就有：,(1)1793年发现了眼睛晶状体的聚焦作用；,(2)1801年的杨氏双缝干涉实验，首次引入“干涉”概念论证了光的波动说，并解释了牛顿环的成因及薄膜的彩色；,(4)第一个测定了7种颜色光的波长；从生理角度说明了人眼的色盲现象，提出了三原色理论。,(3)1817年提出光是横波。,(5)对声学、弹性力学、考古学都颇有研究。,2.干涉条纹分析,两光波在P点处的光强:,设01、02分别为s1、s2相干光的初相;A1、A2分别为s1、s2在P点的振幅。假设A0A1A2,0102,图中:相邻实线与虚线的相位差为,P点处的相位差:,为真空中的波长,k称为级数。,P点处的光程差为,1)干涉条纹的光程差分布,当很小时(n1,r,A,B,D,1,2,f,i,P,i,o,E,L,1、2二束光的光程差为:,为附加光程差=/2or0,由周围的介质折射率决定。,1)点光源照射时干涉条纹的分布,k=1,2,3,.明,k=0,1,.喑,入射角:i,折射角:r,倾角i相同,也相同,而相同的点构成同一级干涉条纹,故称为等倾条纹(equalinclinationfringes)。,L,f,P,i,r,A,C,2,1,S,i,i,i,1,1,2,P,B,o,i,P,i,2)面光源照明时干涉条纹的分布,s1、s2、s3发出的光只要入射角i相同,都将会聚在同一个圆环上。,s1,s2,s3,分振幅干涉,使用面光源时,每个点光源产生的一组同心圆条纹彼此互相重叠。,等倾条纹照相,2)薄膜厚度变化,条纹有何变化?,e增加时,条纹向外移,条纹从中央“冒”出,思考:移动一个条纹,薄膜厚度e改变多少?,设观察中心处(i=0),k和k+1级对应厚度为ek和ek1,空气膜:,1)i越大越小所以越向外,条纹级次k越小;中心处级次最大。,e减少时,条纹向里移,条纹从中央“缩”进,介质膜:,讨论:,3.透射光的干涉,1光束:ACD2光束:ACBE,各级明纹为彩色条纹;对同级而言,红色在内紫色在外。,n1,n2,e保持不变时,k相同,越大,i越小,3)白色光入射:,1、2两束光的光程差:,讨论:透射光也是一组明暗相间的圆形等倾条纹对应某入射角i:反射光明暗条纹与透射光的互补,4.应用:镀增透(反)膜,k=1,2,.明,k=0,1,2,.喑,例4:黄光=600nm垂直照射在平行平面肥皂膜上(n2=1.33)如反射光恰好是第一级明纹,求肥皂膜的厚度e?黄光在肥皂膜内的波长。,解:1)垂直入射i=0,n1=1,n2=1.33,k=1,2),例5:有一层折射率为1.30的薄油膜,当观察方向与膜面法线方向夹角成30时可看到从膜面反射来的光波长为5000问1)油膜最薄厚度为多少?2)如从膜面法线方向观察反射光波长为多少?,解:1),k=1,2,.明,最薄厚度,取k=1;i=30,2)i=0,k=1,=1041.6,5416,例6:透镜(n3=1.5)表面涂有增透膜(MgF2:n2=1.38)为了让人眼最敏感的黄绿光=550nm尽可能透过,镀的膜厚度为多少?,解一:反射光相消,k=0,1,2,.暗i=0,k=0,1,2,.,(有二次半波损失),k=1,2,.,k=1,2,.,解二:透射光加强,(有一次半波损失),增透膜:,能减少反射光强度而增加透射光强度的薄膜，称为增透膜。,增反膜:,能增加反射光强度而减少透射光强度的薄膜，称为增透膜。,如：现代化大楼的窗户玻璃,(1)常常显蓝色；,(2)楼外的人看不清楼内部，而楼内的人员却可以看清楼外的情况,玻璃外表面有一层膜（对于射向大楼的蓝光是增反膜）,因为：,6.3.2等厚干涉(interferenceofequalthickness),上表面附近,1.观察劈尖等厚干涉条纹装置,2.干涉条纹分析,k=1,2,3,.明纹中心,k=0,1,2,.暗纹中心,=/2or0,由周围的介质折射率决定。,在正入射(即垂直入射)时,i=0,3)相邻明(暗)纹对应的厚度之差e,e=ek+1ek(1),2nek+1+=(k+1)(2),2nek+=k(3),由上面三式解得:,2)棱边:e=0,=/2是暗纹;=0是明纹,1)劈尖上厚度e相等处，上下表面反射光的光程差相等,这些相等的点构成同一级干涉条纹,故称为等厚条纹(equalthicknessfringes)。,讨论:,4)相邻明(暗)纹之间距离L:,a)L与k无关,所以是等宽等间距明暗相间平行条纹,b)相同,大则L小(条纹密),2)变大(小)条纹如何变?,1)上玻璃片向上(下)平移,条纹如何变化?,思考:,干涉条纹的移动,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.,3.应用,测折射率:已知、,测L可得n,测细小直径、厚度、微小变化:,1)精确测量:,测波长:已知、n,测L可得,待测样品受热膨胀,条纹向右移;,如移过N个条纹,样品伸长多少?,2)检验光学玻璃质量,待测工件表面有什么缺陷?,待测工件上表面中间有一条凸起线;,最多凸了多少?,解:,(1),(2),的钠光垂直照射玻璃劈,测得相邻暗纹之间距离为L=0.25cm求劈角,例7:测微小角度:玻璃劈,折射率n=1.52,=5893,n=1.52,解:,硅,k=0,1,2,.明纹,取k=4,二次半波损失,所以光程差中无/2,底边(e=0)为明纹.,思考:如n1n2n3如何求解?如n1n3如何求解?,例8:硅(半导体元件),表面有一层氧化硅(n2=1.5),测其厚度e,削成斜面,用钠光灯(=5893)垂直照射看到5个条纹,求:e=?,e=0.78m,解:1),设第k条明纹对应的空气厚度为ek,例9:两平板玻璃之间形成一个=10-4rad的空气劈尖,若用=600nm的单色光垂直照射。求:1)第15条明纹距劈尖棱边的距离;2)若劈尖充以液体(n=1.28)后,第15条明纹移动了多少?,2),第15条明纹向棱边方向移动(为什么?),设第15条明纹距棱边的距离为L15,所对应的液体厚度为e15,因空气中第15条明纹对应的光程差等于液体中第15条明纹对应的光程差,有,6.3.3牛顿环(Newtonrings),1.观察牛顿环装置,R平凸透镜曲率半径,o平凸透镜与平晶的接触点,e,相当于劈尖干涉,e,2.干涉条纹分析,空气劈:,k=1,2,3,.明纹中心,k=0,1,2,.暗纹中心,3.牛顿环干涉条纹的分布特点,e=r2/2R代入明(喑)纹式中化简得:,k=1,2,3,.明纹中心,k=0,1,2,.暗纹中心,1)中心接触点:e=0,=/2是暗纹;,2)明暗纹位置(环半径),牛顿环是同心圆环,条纹从里向外逐渐变密,中心干涉级次最低。,4.应用:,实用的观测公式:,测透镜球面半径R:已知,测出m,rk+m,rk,可得R,测:已知R,测出m,rk+m,rk,可得,检测透镜球表面质量,若条纹如图,说明待测透镜球B表面不规则,曲率半径有误差,k=0,1,2,.喑纹,一圈暗条纹表示曲率半径有/2误差。,解:(1),第k条明环半径为,有8条明环,最中间为平移前的第5条,例10:如图为观察牛顿环的装置,平凸透镜的半径为R=1m的球面;用波长=500nm的单色光垂直照射。求(1)在牛顿环半径rm=2mm范围内能见多少明环?(2)若将平凸透镜向上平移e0=1m最靠近中心o处的明环是平移前的第几条明环?,(2)向上平移后,光程差改变2ne0,而光程差改变时,明条纹往里“缩进”一条,共“缩进”条纹:,6.3.4迈克尔逊干涉仪(Michelsoninterferometer),1.迈克尔逊干涉仪构造,G1:分光板,G2:补偿板,M1:平面镜(可动),M2:平面镜(不动),1,2,Michelson干涉仪产生的背景:寻找以太(ether),2.Michelson干涉仪的干涉条纹分析,若用面光源,须加一透镜L在焦平面E上可见到干涉条纹。,若条纹从中央冒出来(或缩进去)N个条纹时,M1平移的距离为,虚空气膜,M1平移,则干涉条纹移动,若M1平移d时,干涉条纹移过N条,则:,虚空气劈尖,迈克耳孙在工作,迈克耳孙（Albert.Abrahan.Michelson）,因创造精密光学仪器，用以进行光谱学和度量学的研究，并精确测出光速，获1907