光的干涉精品课件

1、光的干涉第1页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一可见光在电磁波谱中只占很小的一部分，波长在 390760 nm 的狭窄范围以内,频率：7.51014 4.11014 Hz 。1.1 波动的独立性、叠加性和相干性1. 电磁波的传播速度和折射率 第2页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一电磁波波谱第3页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一 光速就是电磁波的传播速度。第4页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一光波中的振动矢量通常指的是电场强度 对人的眼睛或感光仪器起作用的是电场强度 电磁波是横波第5页，共89页，202

2、2年，5月20日，17点46分，星期一2. 光的强度能流密度：单位时间内通过与波的传播方向垂直的单位面积的能量，或表示为通过单位面积的功率。波动光学中光的强度定义:这里I应理解为相对强度，其值与所处媒质的折射率有关.光度学上, 光强定义为能流密度; 用人眼或仪器观察时, 光强指光照度.第6页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一3. 机械波的独立性和叠加性1) 波动的独立性 从几个振源发出的波相遇于同一区域时，只要振动不十分强烈，那就可以各自保持自己的特性（频率、振幅和振动方向等），按照自己原来的传播方向继续前进，彼此不受影响。这就是波动的独立性。2) 波的叠加性 第7页，共

3、89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一3) 波的干涉 如果两波频率相等，在观察时间内波动不中断，而且在相遇处振动方向几乎沿着同一直线，那么，它们叠加后产生的合振动可能在有些地方加强，有些地方减弱。这一强度按空间周期性变化的现象称为干涉。 第8页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一4. 干涉现象是波动的特性第9页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一5. 相干叠加与不相干叠加1) 相干光源相干光源:能引起干涉现象的光源。2) 振动方向相同、频率相同的简谐振动的叠加第10页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一a) 相干叠加在观

4、察时间内 第11页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一 - 干涉相长 -干涉相消第12页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一若A1=A2, 则b) 非相干叠加 第13页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一 3）相干条件：频率相同 ，振动方向相同，相位差恒定。 产生相干光的两种方法:1) 分波阵面法: 杨氏实验,洛埃镜, 菲涅耳双镜等; pS *p2) 分振幅法: 等倾干涉; 等厚干涉等. (迈氏干涉仪）薄膜S *第14页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一1.2 由单色波叠加所形成的干涉图样一、相位差和光程差： 第

5、15页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一二、干涉图样的形成干涉相长(亮纹, 亮点): 干涉相消(暗纹, 暗点): 第16页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一杨氏双孔实验的空间光强分布第17页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一1.3 分波面双光束干涉一、 光源和机械波源的区别 1.第18页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一普通光源：自发辐射独立（同一原子不同时刻发的光）独立 （不同原子同一时刻发的光） = (E2-E1)/hE1E2自发辐射跃迁波列波列长 L = t c发光时间t 10-8s原子发光：方向不定

6、的振动 瞬息万变的初相位此起彼伏的间歇振动第19页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一激光光源：受激辐射E1E2 = (E2-E1)/h可以实现光放大;单色性好;相干性好。例如:氦氖激光器; 红宝石激光器; 半导体激光器等等。完全一样（频率, 相位,振动方向,传播方向都相同）第20页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一2. 机械波源：振源3. 区别独立的机械波源的相干容易实现, 面独立的光源一般不相干.第21页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一分波面法分振幅法pS *p薄膜S *第22页，共89页，2022年，5月20日，17点46

7、分，星期一二 . 杨氏双缝实验 1. 实验装置第23页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一杨氏双缝干涉第24页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一Sdr0 第25页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一 2. 干涉花样和特征a. 各级亮条纹的光强相等, 暗纹光强为0.b. 相邻亮条纹或相邻暗条纹都是等间距的，且与干涉级j无关.第26页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一单色光的杨氏双缝干涉实验条纹返回退出第27页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一双光束干涉光强分布第28页，共89页，2022年，

8、5月20日，17点46分，星期一 c. 当一定波长的单色光入射时，间距y的大小与r0成正比，而与d成反比. e. 当用白光作为光源时，除j=0的中央亮条纹中间为白色外，其余各级亮条纹都带有各种颜色。 例1-1在杨氏实验装置中，两小孔的间距为0.5mm，光屏离小孔的距离为50cm。当以折射率为1.60的透明薄片贴住小孔S2时，发现屏上的条纹移动了1cm，试确定该薄片的厚度。 第29页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一三. 菲涅尔双面镜： 装置：两块平面反射镜有一极小的夹角q.第30页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一条纹间距： 第31页，共89页，20

9、22年，5月20日，17点46分，星期一四.劳埃德镜 装置：一块下面涂黑的平玻璃板。第32页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一第33页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一半波损失：l/2 (光疏至光密, 掠射, 反射光相对入射光)光程差：条纹特点：处为暗纹，干涉条纹仅在一侧（无损则应为亮纹）第34页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一五. 维纳驻波实验：光从光疏至光密,垂直入射时,反射光相对入射光也会产生 “半波损失” 。 第35页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一入射光在光疏介质(n1小)中前进, 遇到光密介

10、质(n2大)时, 在掠射或正射时,在反射过程中产生半波损失. n1n2时不产生半波损失. 折射光不会产生半波损失.第36页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一 1.4 干涉条纹的可见度 光波的时间相干性和空间相干性一、干涉条纹的可见度（对比度、反衬度） 影响因素很多，主要是振幅比。第37页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一双光束干涉光强分布:第38页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一二、 光源的非单色性对干涉条纹的影响 第39页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一当波长为（）的第j级与波长为的第（+1）级条纹重

11、合时，。 即：（j+1）=（+）j ， j = /第40页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一干涉条纹可见度为零时的干涉级: 光源的单色性愈好, 相干长度愈长, 能观察到的干涉条纹级次愈高.第41页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一 三、 时间相干性 观察到干涉条纹时,最大光程差不能大于波列的长度L： 第42页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一四、光源的线度对干涉条纹的影响第43页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一五、空间相干性横向相干性 光场的空间相干性: 描述光场中在光的传播路径上空间横向两点在同一时刻光

12、振动的关联程度.光的空间相干性与光源的线度有关。第44页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一1.5 菲涅耳公式第45页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一菲涅耳公式第46页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一常见的分振幅干涉现象 1.6 分振幅薄膜干涉（一）等倾干涉第47页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一单色点光源引起的干涉1.实验装置第48页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一2. 额外程差3. 干涉现象 在不超过临界角的条件下, 只要薄膜处在同一介质中(不论薄膜两边相同的介质是光琉还是光

13、密)，两束反射光必然有额外程差2. 透镜不产生额外程差.第49页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一第50页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一-光程差与折射角i2关系第51页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一 第52页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一L fPo rB hn1n1n2 n1i1 i2A CDa2a1Si1i1i1 若不用透镜L1,点光源s1具有相同倾角 i1 的光线，在膜面上入射点的轨迹是一个圆，因此，典型装置之屏上的等倾条纹，是一系列同心圆环，圆环的的半径：r = f tg i1 f sin

14、 i1。垂直入射时，i1=0，r(i1=0)=0, 对应条纹中心。第53页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一二、单色发光平面所引起的等倾干涉条纹第54页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一1.7分振幅薄膜干涉（二）等厚干涉 第55页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一1) h相同处, 相同, 对于劈形薄膜, 可看到平行于尖劈棱的直线条纹，这种条纹叫做等厚干涉条纹。2) h愈大的点干涉级数j愈高。3) 劈形薄膜处于同一种介质中时, 零级暗条纹在尖劈的棱(h=0)处。第56页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一 当薄

15、膜很薄时，只要光在薄膜面上的入射角不大，就可认为等厚干涉条纹定域于薄膜表面，一般薄膜干涉就是指的这种情况。 第57页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一4) 空气劈正入射方式， i1=0，n2=1明纹: 暗纹: 相邻条纹对应的厚度差: 相邻条纹间距: 第58页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一AB例: 一折射率为n的厚度不均匀薄膜的干涉花样如图, 问A,B两点处薄膜的厚度差是多少?第59页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一 例1-2 如图所示的是集成光学中的劈状薄膜光耦合器。它由沉积在玻璃衬底上的Ta2O5薄膜构成，薄膜劈形端从a

16、到b厚度逐渐减小到零。能量由薄膜耦合到衬底中。为了检测薄膜的厚度，以波长为632.8nm的氦氖激光垂直投射，观察到薄膜劈形端共展现15条暗纹，而且a处对应一条暗纹。Ta2O5对632.8nm激光的折射率为2.20，试问Ta2O5薄膜的厚度为多少? 第60页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一例1.3 现有两块折射率分别为1.45和1.62的玻璃板，使其一端相接触，形成夹角a=6 的尖劈。将波长为 550 nm 的单色光垂直投射在劈上，并在上方观察劈的干涉条纹。 （1）试求条纹间距； （2）若将整个劈浸入折射率为 1.52 的杉木油中，则条纹的间距变成多少？ （3）定性说明当

17、劈浸入油中后，干涉条纹将如何变化？第61页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一竖直放置的肥皂膜的薄层色二、薄层色第62页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一1-8 迈克尔逊干涉仪1. 实验装置 第63页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一第64页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一迈克耳孙干涉仪的等倾干涉花样光程差： 2. 等倾干涉 当M2垂直于M1，则M1和M2平行, “膜”厚度均匀。第65页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一3. 等厚干涉 M2不垂直于M1，则M1和M2不平行-空气劈. 因

18、而出现近似直线形的等厚干涉条纹，它们平行于空气薄膜尖劈的棱。 白光入射时, d0= 0处为白亮纹, 其余条纹为彩色.第66页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一其折射率 ，若将补偿板G2由原来与水平方向成45位置转至竖直的位置，设入射光的波长为632.8 nm。试求在视场中，将会观察到多少条亮条纹移过?例1-4 一迈克耳孙干涉仪中补偿板G2的厚度d=2mm，第67页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一 4.迈氏干涉仪的应用 迈克耳孙干涉仪的主要优点是它光路的两臂分的很开，便于在光路中安置被测量的样品.而且两束相干光的光程差可由移动一个反射镜来改变，调节十

19、分容易，测量结果可以精确到与波长相比拟。所以应用广泛。 它可用于精密测定样品长度和媒质折射率，研究光谱的精密结构等。现在迈克耳孙干涉仪的各种变型很多，它们在光学仪器制造工作中常用于对平板、棱镜、反射镜、透镜等各种元件作质量检测。第68页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一应用一 1892年，迈克耳孙用他的干涉仪最先以光的波长测定了国际标准米尺的长度。用镉蒸汽在放电管中发出的红色谱线来量度米尺的长度，在温度为15,压强为1atm的干燥空气中，测得1m=1553，163.5倍红色镉光波长，或：红色镉光波长0=643.8472（nm） 第69页，共89页，2022年，5月20日，

20、17点46分，星期一应用二：测空气折射率使小气室的气压变化P ，从而使气体折射率改变n ，（因而光经小气室的光程变化2D n ），引起干涉条纹“吞”或“吐” N条。则有: 2Dn= N n=N /2D 理论证明，在温度和湿度一定的条件下，当气压不太大时，气体折射率的变化量n与气压的变化量P成正比： (n-1)/P= n/P常数 n=1+ (N /2D)(P/P) SG1G2AM2M1气压表打气皮囊D第70页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一1.9法布里-珀罗干涉仪 多光束干涉一.双光束干涉的特征干涉条纹不细锐第71页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一

21、Charles Fabry (1867-1945) Alfred Perot (1863-1925) 第72页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一二.多光束干涉 法布里-珀罗干涉仪1.实验装置第73页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一法布里珀罗标准具 第74页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一2. 原理 (1)多光束干涉光强分布镀银面的反射率: A0为入射光第一次射到前表面G时的振幅，A为反射光的振幅. 第75页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一相邻两透射光的光程差均为:相邻两透射光的相位差均为:第76页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一多光束干涉光强分布:I=第77页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一(2)条纹可见度与反射率的关系当相邻两光束的光程差: 干涉相长: 当干涉相消: 第78页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一相对光强与j和r的关系:(3) 光 谱第79页，共89页，2022年，5月20日，17点46分，星期一F-P干涉仪的光谱 第80页，共89页，2022年，5月20