中南大学大学物理波动光学ppt课件

1、12 利用薄膜上、下两个表面对入射光的反射利用薄膜上、下两个表面对入射光的反射(或折射或折射)，可在反射方向，可在反射方向(或透射方向或透射方向)获得相获得相干光束。干光束。一、等倾干涉一、等倾干涉扩展光源照射下的薄膜干涉扩展光源照射下的薄膜干涉ABC1n1n2neia1a2a在一均匀透明介质在一均匀透明介质n1中中放入上下表面平行放入上下表面平行, ,厚度厚度为为e 的均匀介质的均匀介质 n2(n1)，用扩展光源照射薄膜，用扩展光源照射薄膜，其其反射和透射光如图所示反射和透射光如图所示8-3 分振幅干涉分振幅干涉3光线光线a2与光线与光线 a1的光程差为：的光程差为：2/)(12 ADnnB

2、CABABC1n1n2neia1a2a半波损失半波损失由折射定律和几何关系可得出：由折射定律和几何关系可得出：reACtan2 reBCABcos/ rninsinsin21 iACADsin 21222 )cossincos(rrren222 ren cos2222122 innesinD4 减弱加强,)(,sin210212212222122kkkkinne 干涉条件干涉条件薄膜薄膜aa1a2n1n2n3不论入射光的的入射角如何不论入射光的的入射角如何额外程差的确定额外程差的确定满足满足n1n3(或或n1 n2 n2n3(或或n1 n2 屏屏透镜玻璃8薄膜*S1S2S3单单色色光光源源en

3、1n2n1n2n1屏屏透镜玻璃9薄膜*S1S2S3单单色色光光源源en1n2n1n2n1屏屏透镜玻璃薄膜10*S1S2S3单单色色光光源源en1n2n1n2n1屏屏薄膜透镜玻璃11*S1S2S3单单色色光光源源en1n2n1n2n1屏屏薄膜透镜玻璃12*S1S2S3单单色色光光源源en1n2n1n2n1等倾干涉等倾干涉 条纹条纹屏屏薄膜透镜玻璃13iiii干涉成因：干涉成因：薄膜薄膜透镜透镜e扩展扩展光源光源“1”“2”“3”“4”光线光线“1”、“2”不是相干光！不是相干光！i屏屏干涉条纹的干涉级决定于入射光的入射角。干涉条纹的干涉级决定于入射光的入射角。14i ii i对于不同倾角的光入射

4、：对于不同倾角的光入射：可以看出：可以看出： 入射角入射角 越小，越小，光程差越大光程差越大,条纹越在中心，条纹越在中心，干涉级越大。干涉级越大。iii 2sin222122 inne2)12( k k=. 3 . 2 . 1 k. 3 . 2 . 1 . 0 k明纹明纹暗纹暗纹干涉公式：干涉公式：15i ii ir结论：结论：1）不同的入射角的光线）不同的入射角的光线 对应着不同干涉级对应着不同干涉级 的的 条纹，倾角相条纹，倾角相 同的光同的光 线产生相同干涉级条纹（等倾干涉）。线产生相同干涉级条纹（等倾干涉）。2）入射角越小，光程差越大；即越靠近中心，干涉）入射角越小，光程差越大；即越靠

5、近中心，干涉 级越高。级越高。 k1k讨论：讨论：1）若膜厚发生变化：）若膜厚发生变化：16i ii i2sin222122innek. 3 . 2 . 1k明纹明纹盯住某条明纹，盯住某条明纹， 不变，不变，条纹向里收缩条纹向里收缩e 减小，减小， 减小，减小，i当膜厚增加时：当膜厚增加时：盯住某条明纹，盯住某条明纹， 不变，不变，条纹向外扩条纹向外扩 e增加，增加， 增大，增大，i当膜厚减小时：当膜厚减小时：17薄膜厚度薄膜厚度 e 连续增加干涉条纹有何变化？连续增加干涉条纹有何变化？A、不变、不变B、条纹内缩、条纹内缩C、条纹外冒、条纹外冒膜的厚度膜的厚度e 一定时，越靠近中心处，一定时，

6、越靠近中心处，i 越小，越小，越小，光程差越大，条纹级次越高。越小，光程差越大，条纹级次越高。膜的厚度膜的厚度e 增大时，条纹外冒，中心处明暗交替。增大时，条纹外冒，中心处明暗交替。膜的厚度膜的厚度e 减小时，条纹内缩，中心处明暗交替。减小时，条纹内缩，中心处明暗交替。明纹条件明纹条件： kren 2cos22问题问题:182）如光源由不同频率组成，则将出现彩色条纹。）如光源由不同频率组成，则将出现彩色条纹。若白光入射：若白光入射：由红到紫的彩色条纹。由红到紫的彩色条纹。2sin222122innek. 3 . 2 . 1k明纹明纹ke.一定，一定，大，大，大，大，inn22122sin大大i

7、小，条纹靠中心小，条纹靠中心3）等倾干涉定域在无限远，只能通过透镜或将）等倾干涉定域在无限远，只能通过透镜或将 眼调到聚焦无限远才能看到眼调到聚焦无限远才能看到.19iiii薄膜薄膜透镜透镜屏屏e扩展扩展光源光源“1”“2”“3”“4”4）扩展）扩展 光源成为观察等倾干涉条纹的有利条件。光源成为观察等倾干涉条纹的有利条件。“1”、“2”、“3”“4”光线之间虽光线之间虽非相干光，但非相干光，但在同一倾角下，在同一倾角下，加强则同时加加强则同时加强。减弱则都强。减弱则都减弱减弱20 扩展光源的作用扩展光源的作用 不同点光源发出的相同倾角的光线在屏幕上产生的干涉条纹重合。非相干叠加的结不同点光源发

8、出的相同倾角的光线在屏幕上产生的干涉条纹重合。非相干叠加的结果，明纹的光强增加，条纹更加清晰。果，明纹的光强增加，条纹更加清晰。 问题：问题：不同点光源产生的干涉条纹的叠加是不同点光源产生的干涉条纹的叠加是A、相干叠加、相干叠加B、非相干叠加、非相干叠加21二、增透膜和增反膜二、增透膜和增反膜增透膜增透膜- 利用薄膜上、下表面反射光的光程差符合相消干涉条件来减少反射，从而使透射增利用薄膜上、下表面反射光的光程差符合相消干涉条件来减少反射，从而使透射增强。强。增反膜增反膜- 利用薄膜上、下表面反射光的光程差满足相长干涉，因此反射光因干涉而加强。利用薄膜上、下表面反射光的光程差满足相长干涉，因此反

9、射光因干涉而加强。22问：若反射光相消干涉的条件中问：若反射光相消干涉的条件中取取 k=1，膜的厚度为多少？此增，膜的厚度为多少？此增透膜在可见光范围内有没有增反？透膜在可见光范围内有没有增反？例例 已知用波长已知用波长 ，照相机镜头，照相机镜头n3=1.5，其，其上涂一层上涂一层 n2=1.38的氟化镁增透膜，光线垂直入射。的氟化镁增透膜，光线垂直入射。nm550 21222/)( kdn解：因为解：因为 ，所以反射光，所以反射光经历两次半波损失。反射光相干相经历两次半波损失。反射光相干相消的条件是：消的条件是：321nnn11n5 . 13n38. 12nd代入代入k 和和 n2 求得：求

10、得：mnd792109822381410550343 . 23此膜对反射光相干相长的条件：此膜对反射光相干相长的条件： kdn 22nmk85511 nmk541222. nmk27533 可见光波长范围可见光波长范围 400700nm波长波长412.5nm的可见光有增反。的可见光有增反。问：若反射光相消干涉的条件中问：若反射光相消干涉的条件中取取 k=1，膜的厚度为多少？此增，膜的厚度为多少？此增透膜在可见光范围内有没有增反？透膜在可见光范围内有没有增反？11n5 . 13n38. 12nd2425厚度为厚度为e 处，两相干光的光程差为处，两相干光的光程差为2222122 innesin1、

11、2两束反射光来自同一束入两束反射光来自同一束入射光，它们可以产生干涉。射光，它们可以产生干涉。e A反射光反射光2反射光反射光1单色平行光单色平行光 1n2n1ni三、等厚干涉三、等厚干涉262222122 innesin垂直入射垂直入射i=0222 en干涉条件干涉条件 暗条纹明条纹210212321222,)(,kkkken 膜上厚度相同的位置有相同的光程差对应同一级条纹，故称为薄膜等厚干涉。膜上厚度相同的位置有相同的光程差对应同一级条纹，故称为薄膜等厚干涉。 271. 1. 劈尖干涉（劈形膜）劈尖干涉（劈形膜）夹角很小的两个平面所构成夹角很小的两个平面所构成的薄膜的薄膜rad 10105

12、4 ： 空气劈尖空气劈尖(wedge film ） 1n2n1n实心劈尖实心劈尖棱边棱边楔角楔角平行单色光垂直照射实心劈尖上，劈尖上厚度相同的地方，两相干光的光程差相同，平行单色光垂直照射实心劈尖上，劈尖上厚度相同的地方，两相干光的光程差相同，对应一定对应一定k值的明或暗条纹。值的明或暗条纹。棱边处，棱边处，e=0, = /2，出现暗条纹，出现暗条纹有有“半波损失半波损失”28 问题讨论问题讨论 问题问题1 用单色平行光垂直照射如图的介用单色平行光垂直照射如图的介 质劈形膜，劈棱处为明纹还是暗纹？质劈形膜，劈棱处为明纹还是暗纹？A、明纹B、暗纹 C、不能判断，视 的值而定 2930 (当 或

13、时) 或 当 或 时）若 为明条纹 为暗条纹31设每一干涉条纹对应的薄膜厚度分别为：设每一干涉条纹对应的薄膜厚度分别为：keeee321. 如条纹间距离为如条纹间距离为lkkeel1sin(1)由明纹公式：由明纹公式：)1(2221knekknek222212neekk(2)sin22nl 32实心劈尖任意相邻明条纹对应的厚度差：实心劈尖任意相邻明条纹对应的厚度差：)2/(21neekk sinsin212neelkk hlke1 ke任意相邻明条纹任意相邻明条纹(或暗条纹或暗条纹)之间的距离之间的距离 l 为：为：在入射单色光一定时，劈尖的楔角在入射单色光一定时，劈尖的楔角 愈小，则愈小，则

14、l愈大，干涉条纹愈大，干涉条纹愈疏；愈疏； 愈大，则愈大，则l愈小，干涉条纹愈密。愈小，干涉条纹愈密。当用白光照射时，将看到由劈尖边缘逐渐分开的彩当用白光照射时，将看到由劈尖边缘逐渐分开的彩色直条纹。色直条纹。33薄膜厚度增加时，条纹下移，薄膜厚度增加时，条纹下移，厚度减小时条纹上移。厚度减小时条纹上移。 薄膜的薄膜的 增加时，条纹下移，增加时，条纹下移， 减小时减小时条纹上移。条纹上移。 暗条纹明条纹210212321222,)(,kkkken 342）牛顿环）牛顿环A-曲率半径很大的凸透镜曲率半径很大的凸透镜装置：装置：B-平面光学玻璃平面光学玻璃AB干涉图样：干涉图样：半反半反射镜射镜显

15、显微微镜镜r随着随着r的增加而变密！的增加而变密！352、牛顿环、牛顿环Newton ring (等厚干涉特例等厚干涉特例)eoRr 暗条纹明条纹21021232122,)(,kkkke 空气薄层中，任一厚度空气薄层中，任一厚度e处上下表面反射光的干涉条件：处上下表面反射光的干涉条件：362222Re2)(eeRRr eR 略去略去e2Rre22 各级明、暗干涉条纹的半径：各级明、暗干涉条纹的半径：明明条条纹纹3 , 2 , 12)12( kRkrK 暗暗条条纹纹2 , 1 , 0 kkRr e=0,两反射光的光程差两反射光的光程差 = /2，为暗斑。，为暗斑。eoRr37 条纹形状：干涉条纹

16、是以平凸透镜与平面玻璃板条纹形状：干涉条纹是以平凸透镜与平面玻璃板的接触点为圆心，明暗相间的同心圆环，中心为暗的接触点为圆心，明暗相间的同心圆环，中心为暗点点(实际上由于磨损、尘埃等因素的影响，中央常模实际上由于磨损、尘埃等因素的影响，中央常模糊不清糊不清)。随着牛顿环半径的增大，条纹变得越来越密。即随着牛顿环半径的增大，条纹变得越来越密。即条纹不等间距，内疏外密。条纹不等间距，内疏外密。kkrr 1Rkk) 1(kkR )1( 38 问题问题1 在折射率相同的平凸透镜与平面玻璃板间充以某种透明液体。从反射光方在折射率相同的平凸透镜与平面玻璃板间充以某种透明液体。从反射光方向观察，干涉条纹将是

17、：向观察，干涉条纹将是：A、中心为暗点，条纹变密、中心为暗点，条纹变密B、中心为亮点，条纹变密、中心为亮点，条纹变密 C、中心为暗点，条纹变稀、中心为暗点，条纹变稀D、中心为亮点，条纹变稀、中心为亮点，条纹变稀E、中心的亮暗与液体及玻璃的折射率有关，条纹变密、中心的亮暗与液体及玻璃的折射率有关，条纹变密F、中心的亮暗与液体及玻璃的折射率有关，条纹变稀、中心的亮暗与液体及玻璃的折射率有关，条纹变稀选择选择A：正确！：正确！3940 问题问题2 如图，用单色平行光垂直照射在观察牛顿环的装置上，当平凸透镜垂直向上缓慢平如图，用单色平行光垂直照射在观察牛顿环的装置上，当平凸透镜垂直向上缓慢平移而远离平

18、板玻璃时，干涉条纹将：移而远离平板玻璃时，干涉条纹将：A、静止不动、静止不动B、向中心收缩、向中心收缩C、向外冒出、向外冒出D、中心恒为暗点，条纹变密、中心恒为暗点，条纹变密41选择选择B：正确！：正确！ 分析：判断干涉条纹的移动和变化，可跟踪某一级干涉条纹，例如第分析：判断干涉条纹的移动和变化，可跟踪某一级干涉条纹，例如第k 级暗级暗纹，其对应的空气膜厚度为纹，其对应的空气膜厚度为 。当平凸透镜向上缓慢平移时，平凸透镜下。当平凸透镜向上缓慢平移时，平凸透镜下表面附近对应空气膜厚度为表面附近对应空气膜厚度为 的点向中心移动，因此干涉条纹向中心收缩，的点向中心移动，因此干涉条纹向中心收缩，中心处

19、由暗变亮，再变暗，中心处由暗变亮，再变暗， 如此反复。如此反复。 keke42RrCMNdo例例 已知：用紫光照射，借助于低倍测量已知：用紫光照射，借助于低倍测量显微镜测得由中心往外数第显微镜测得由中心往外数第 k 级明环级明环的半径的半径 , k 级往上数级往上数第第16 个明环半径个明环半径 ，平凸透镜的曲率半径平凸透镜的曲率半径R=2.50mmrk31003 .mrk3161005 .2116216 Rkrk)( 求：紫光的波长？求：紫光的波长？解：根据明环半径公式：解：根据明环半径公式：212 Rkrk)( Rrrkk162216 m7222210045021610031005 .).().( 43 测细小直径、厚度、微小变化测细小直径、厚度、微小变化h h待测块待测块规规标准块标准块规规平晶平晶 测表面不平度测表面不平度等厚条纹等厚条纹待测工件待测工件平晶平晶 检验透镜球表面质量检验透镜球表面质量标准验规标准验规待测透镜待测透镜暗纹暗纹 44四、迈克耳逊干涉仪四、迈克耳逊干涉仪M 122 11 S半透半反膜半透半反膜光束光束22和和11发生干涉发生干涉若若M 1、M2平行平行 等倾条纹等倾条纹G1-半涂银镜半涂银镜G2-补偿透镜补偿透镜M1、