理学大学物理PPT课件

1、电磁波谱 电 磁 波 谱可见光的范围:400 760nm15-1 光的相干性光的相干性一、光的电磁理论一、光的电磁理论光是频率在一定范光是频率在一定范围内，对人眼能产围内，对人眼能产生视觉的电磁波。生视觉的电磁波。第1页/共43页光矢量平面简谐电磁波 电磁波是电场强度电磁波是电场强度 与磁场强度与磁场强度 的矢量波的矢量波EHuEHOxyz 能够引起视觉的是能够引起视觉的是 矢量矢量。E 电磁波是横波， 和 互相垂直，且与波的传播方向垂直。EH001c 真空中电磁波的传播速度（光速）真空中电磁波的传播速度（光速）82.998 10 m/s第2页/共43页二、光的相干性二、光的相干性干涉现象是一

2、切波动所具有的共同特性。1) 频率相同频率相同2) 存在平行的光振动分量存在平行的光振动分量3) 在相遇点相位差恒定在相遇点相位差恒定 两列光的相干条件 14II 0I 两列光相干叠加时干涉加强与减弱的条件 2k 相位差 时，干涉加强1)2(k相位差 时，干涉减弱 第3页/共43页三、普通光源发光微观机制的特点原子能级及发光跃迁原子能级及发光跃迁基态基态激发态激发态nE跃迁跃迁自发辐射自发辐射普通光源的发光机制普通光源的发光机制自发辐射自发辐射hE P21s1010:108t 普通光源发光特点普通光源发光特点： 原子发光是原子发光是断续的断续的，每次发光形成一长度每次发光形成一长度有限的波列有

3、限的波列, 各原子各原子各次发光相互独立，各次发光相互独立，各波列各波列互不相干互不相干。第4页/共43页激光束干涉实验激光束干涉实验单色激光光源不同原子所单色激光光源不同原子所发的光具有相干性发的光具有相干性（频率、相位、振动方向、传播方向都相同）激光光源受激辐射hEE/12E2E1完全一样第5页/共43页 获取相干光的方法：获取相干光的方法：把光源上把光源上同一点同一点发出的光设法发出的光设法分成两部分，然后再使这两部分叠加起来。分成两部分，然后再使这两部分叠加起来。分波面干涉法分波面干涉法*光源光源1s2s杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉分振幅干涉法薄膜干涉薄膜干涉第6页/共43页cvvcn 介

4、质中的波长介质中的波长n真空真空补充：光程和光程差 设光的频率为 ，在真空中的速度为c，波长为 ，在折射率为n的介质中的速度为v，波长为 ，则n 分析：分析：光分别在真空和介质中光分别在真空和介质中传播相同的距离传播相同的距离D，相位变化？，相位变化？真空中：2D介质中：2D2nD 即在介质中光线经过即在介质中光线经过D距离所发生的相位改变，距离所发生的相位改变，等于真空中经过等于真空中经过nD所发所发生的相位改变。生的相位改变。 第7页/共43页 1、光程：、光程：光在某一介质中行进的几何路程光在某一介质中行进的几何路程 l与该介与该介质的折射率质的折射率 n 的乘积的乘积 n l 叫做叫做

5、光程光程。 光程的意义：光程的意义： 设光在介质设光在介质n中的传播速度为中的传播速度为v ，在此种介质中走，在此种介质中走过过 l 的路程所需的时间为的路程所需的时间为 l / v，在相同的时间内光在，在相同的时间内光在真空中传播走过的路程为：真空中传播走过的路程为：lcuclvnl 即介质中某一几何路程的光程，等于光在与走这段即介质中某一几何路程的光程，等于光在与走这段路程相同时间内在真空中走过的路程。路程相同时间内在真空中走过的路程。 光程是一个折合量，在相位改变相同的条件下，光程是一个折合量，在相位改变相同的条件下，把光在介质中传播的路程折合为光在真空中传播的把光在介质中传播的路程折合

6、为光在真空中传播的相应路程。相应路程。光程第8页/共43页2、光程差、光程差 相位差与光程差的关系：相位差与光程差的关系：22 21 1n rn r11222rnrn一列光波如经两种媒质，则光程为一列光波如经两种媒质，则光程为SPrdnnnddrn)(说明,0,1, 2,kk 干涉干涉加强：加强： 干涉干涉减弱：减弱：(21),0,1,2,2kk 第9页/共43页一、杨氏双缝实验实验现象实验现象2SS1S15-2 杨氏双缝干涉 明条纹明条纹明条纹明条纹明条纹明条纹明条纹明条纹明条纹明条纹第10页/共43页21sinrrdxB1r2rtanxD由由图图可可知知：:sintan当当 很很小小时时2

7、1tanrrdxdD由由S1、S2发出的光波到发出的光波到B点的光程差为：点的光程差为：OS1S2SdD理论分析理论分析第11页/共43页1、在、在B点发生干涉加强的条件为点发生干涉加强的条件为210, 1, 2,rrkk 2、在、在B点发生干涉减弱的条件为点发生干涉减弱的条件为21(21)1, 2, 3,2rrkk B点处出现明条纹。点处出现明条纹。k = 0的明纹称为中央明纹，的明纹称为中央明纹，k = 1，2，3，对应明纹为第一级，第二级，第三对应明纹为第一级，第二级，第三级，级，明纹。明纹。 B点处出现暗条纹。点处出现暗条纹。k = 1，2，对应暗纹为对应暗纹为第一级，第二级，第一级，

8、第二级，暗纹。暗纹。0, 1, 2,Dxkkd (21)1, 2, 3,2Dxkkd xdD第12页/共43页4、相邻两明纹、相邻两明纹(或暗纹或暗纹)中心间的距离为：中心间的距离为：Dxd 3、波程差为其它值的点，光强介于最明与最暗之间。、波程差为其它值的点，光强介于最明与最暗之间。因此上述两条纹分别是明纹中心和暗纹中心。因此上述两条纹分别是明纹中心和暗纹中心。 1) 干涉条纹是等距分布的，且各级明、暗条纹对称干涉条纹是等距分布的，且各级明、暗条纹对称分布在中央明纹两侧。分布在中央明纹两侧。Dxkd 2) 当当D、 一定时，一定时， x与与d成反比，成反比，d 越小，条纹分越小，条纹分辨越清

9、。辨越清。说明 3) 当当D 、d 一定时，一定时， x与与 成正比，波长大的相邻成正比，波长大的相邻条纹间距大，波长小的相邻条纹间距小。条纹间距大，波长小的相邻条纹间距小。第13页/共43页 、 D一定时条纹间距 x与 d 的关系第14页/共43页d、 D一定时， x随 的变化第15页/共43页 用白光做光源时，除中央明纹是白光外，其它各级用白光做光源时，除中央明纹是白光外，其它各级条纹是彩色的，紫在内红在外；不同级次的条纹可能条纹是彩色的，紫在内红在外；不同级次的条纹可能发生重叠。发生重叠。第16页/共43页三、劳埃德镜1sPM2sdDPL在在L处为一暗纹处为一暗纹结论：结论： 当光波由光

10、疏介质当光波由光疏介质(折射率较小折射率较小)射向光密介质射向光密介质(折射折射率较大率较大)时，被光密介质反射的光在反射点有相位时，被光密介质反射的光在反射点有相位 的的跃变，这一跃变相当于反射光与入射光这间跃变，这一跃变相当于反射光与入射光这间附加了半附加了半个波长的波程差个波长的波程差，故称作，故称作半波损失半波损失。第17页/共43页 例1 如图双缝，已知入射光波长为 ，将折射率为 n 的劈尖缓慢插入光线 2 中，在劈尖移动过程中，问 1）干涉条纹间距是否变化？ 2）条纹如何移动？S1s2s1r2roS1s2s1r2roe1r2roneerr)(21 解：解：1）条纹条纹间距不变。间距

11、不变。O点为零级明纹位置零级明纹位置下移21rr 210rr 2）无劈尖时2()rene有劈尖时1r第18页/共43页 例2 在双缝实验中，入射光的波长为550nm，用一厚 e =2.85104cm的透明薄片盖着S1缝，结果中央明纹移到原来第三条明纹处，求透明薄片的折射率。解：解：加透明薄片后，加透明薄片后，光路的光程为光路的光程为 enrneer) 1(11 P点是中央明纹，两点是中央明纹，两光路的光程差应等于光路的光程差应等于0 0) 1(12enrrenrr) 1(12不加透明薄片时，在不加透明薄片时，在P点处有：点处有：312 rr由以上两式可得：由以上两式可得：13en58. 1是云

12、母片。是云母片。S1S2SdDOP1r2r第19页/共43页P1n1n2n1M2MeLE2AC1B2115-3 薄膜干涉 薄膜薄膜 油膜、肥皂膜、透明的电介质薄板、夹在两油膜、肥皂膜、透明的电介质薄板、夹在两块玻璃板之间的空气薄层或其它流体薄层。块玻璃板之间的空气薄层或其它流体薄层。1n ADcosACCBersinADABi2 tansineri21sinsinnirn212nn iDrr一、薄膜干涉一、薄膜干涉2()nACCB1、2光的光程差：i212sin2sincoscos2n erneirr2221 sincos2enrr22cos2n er第20页/共43页222212sin2e

13、nni22cos2n er222222sin2e nnr2,1, 2,2kk(21),0,1,2kk干涉加强干涉加强干涉减弱干涉减弱反反射光的光程差射光的光程差干涉条件为：干涉条件为： 当光线垂直入射时当光线垂直入射时 222ne0i1n1n2ne第21页/共43页讨论讨论(1) 透射光的光程差222212sine nni 透射光和反射光干涉透射光和反射光干涉具有互具有互 补补 性，符合性，符合能量守恒定律。能量守恒定律。(2) 透镜不引起附加的光程差透镜不引起附加的光程差FABo焦平面FAB焦平面P1n1n2n1M2MeL12nn iDB21E2ArrC1第22页/共43页半波损失半波损失S

14、MDTL二、等厚干涉二、等厚干涉劈尖干涉和牛顿环劈尖干涉和牛顿环劈尖角 1n1nne1、劈形膜、劈形膜 劈尖干涉劈尖干涉2ne2, 2 , 1,kk明纹明纹, 1 , 0,2) 12(kk暗纹暗纹第23页/共43页讨 论2）在棱边处：）在棱边处：20e 为暗纹1()2 2ekn22nek1）相邻明纹（暗纹）间的厚度差）相邻明纹（暗纹）间的厚度差 e12iieeen 3）相邻明纹（暗纹）中心间距离）相邻明纹（暗纹）中心间距离l l e明纹暗纹sin2ln2 sinlnn2(明纹明纹)第24页/共43页劈尖干涉条纹的特点：劈尖干涉条纹的特点：(1) 是一组平行于棱边、明暗相间、等间距的直条纹。是一

15、组平行于棱边、明暗相间、等间距的直条纹。 (2) 劈尖角劈尖角 越大，越大， 条纹间距越小；当条纹间距越小；当 大到一定程度大到一定程度时，条纹过密而分辨不清，因此一般要求时，条纹过密而分辨不清，因此一般要求 角很小。角很小。 讨论题：讨论题：在下列三种情况下，干涉条纹将发生怎样在下列三种情况下，干涉条纹将发生怎样的变化？的变化？间距不变间距不变间距不变间距不变变密变密第25页/共43页2）测膜厚）测膜厚Sie1n2n2SiO1）干涉膨胀仪）干涉膨胀仪0ll2Nl 第26页/共43页工件表面纹工件表面纹路是凹的路是凹的3）检验光学元件表面的平整度）检验光学元件表面的平整度4）测细丝的直径）测细

16、丝的直径2Ldn l1nn1nLd1nsin2lndlL第27页/共43页 例例1 折射率为折射率为n=1.60的两块平面玻璃板之间形成一的两块平面玻璃板之间形成一空气劈尖，用波长空气劈尖，用波长 =600nm的单色光垂直照射，产生的单色光垂直照射，产生等厚干涉条纹，若在劈尖内充满等厚干涉条纹，若在劈尖内充满n=1.40的液体，相邻的液体，相邻明纹间距缩小明纹间距缩小 l = 0.5mm，求劈尖角，求劈尖角 。 解：解：设空气劈尖时相邻明纹间距为设空气劈尖时相邻明纹间距为l1，液体劈尖时，液体劈尖时相邻明纹间距为相邻明纹间距为l2，由间距公式，由间距公式2211nlnnl2222)11 (2n

17、l)11 (2nlrad1072. 14第28页/共43页 例例2 制造半导体元件时，常需精确测定硅片上镀有制造半导体元件时，常需精确测定硅片上镀有二氧化硅薄膜的厚度，可用化学方法把薄膜的一部分二氧化硅薄膜的厚度，可用化学方法把薄膜的一部分腐蚀成劈尖形，用波长腐蚀成劈尖形，用波长 =589.3nm的单色光从空气垂的单色光从空气垂直照射，二氧化硅的折射率直照射，二氧化硅的折射率 n=1.5，硅的折射率为，硅的折射率为 3.42，若观察到如图所示的，若观察到如图所示的7条明纹。问二氧化硅膜的条明纹。问二氧化硅膜的厚度厚度d =?2SiOSid 解：上下两面都有半波损失，互相抵消，光程差为：ne2,

18、 2, 1, 0kk 棱边处棱边处 e=0 , 对应于对应于 k=0 , 所以厚度为所以厚度为 d 处的明纹处的明纹对应于对应于 k=6 , 故二氧化硅膜的厚度为故二氧化硅膜的厚度为:nd26m101786. 15 . 12103 .5896610第29页/共43页2、牛顿环、牛顿环 曲率半径很大的平凸透镜放在平玻璃板上，在其之间曲率半径很大的平凸透镜放在平玻璃板上，在其之间形成环状劈形空气层，用单色光垂直照射在平凸透镜上形成环状劈形空气层，用单色光垂直照射在平凸透镜上可以观察到一组明暗相间的同心圆环，称为可以观察到一组明暗相间的同心圆环，称为牛顿环牛顿环。第30页/共43页 牛顿环干涉图样显

19、微镜显微镜SL M半透半透半反镜半反镜T第31页/共43页厚度为厚度为e处空气层上下表面反射光程差为：处空气层上下表面反射光程差为：2222nee当当 e = 0 时，时， = /2，中心暗斑。，中心暗斑。Re), 2 , 1(kk明纹明纹), 1 , 0()21(kk暗纹2222()2rRR eeR e20Ree2reRRkr)21( kRr 暗环半径明环半径R)2(r第32页/共43页1）牛顿环属于等厚干涉，但条纹间距不等，为什么？2）将牛顿环置于n 1 的液体中，条纹如何变？讨论), 2 , 1 , 0(k暗环半径明环半径), 3 , 2 , 1(kRkr)21( kRr nn条纹变密集

20、条纹变密集3）牛顿环的应用：牛顿环的应用：测量平凸透镜的曲率半径、测量平凸透镜的曲率半径、测量光波波长等测量光波波长等2121rrkk、暗暗环环的的半半径径为为、设设第第RkrRkr222121)(122122kkrrR第33页/共43页 例题例题 用氦氖激光器发出的波长为用氦氖激光器发出的波长为633nm的单色光做的单色光做牛顿环实验，测得第牛顿环实验，测得第 k 个暗环的半径为个暗环的半径为5.63mm，第，第 k+5 暗环的半径为暗环的半径为7.96mm，求平凸透镜的曲率半径，求平凸透镜的曲率半径R。解：解：kRrkRkrk)5(52255kkrrR22510.0m5kkrrR第34页/共43页 增透膜 在透镜表面镀一层厚度均匀的透明介质膜，使其上、下表面对某种色光的反射光产生相消干涉，其结果是减少了该光的反射，增加了它的透射。照相机镜头眼镜三、增反膜和增透膜第35页/共43页激光器谐振腔宇航服 增反膜 利用薄膜干涉原理，使薄膜上、下表面对某种色光的反射光发生相长干涉，其结果是增加了该光的反射，减少了它的透射。第36页/共43页玻璃玻璃3ne1n2n氟化镁为增透膜氟化镁为增透膜 例题例题 照相机的镜头是折射率为照相机的镜头是折射率为1