光的相干性课件

光的干涉光的干涉光的干涉第十七章interferenceoflightchapter17光的干涉光的干涉光的干涉第十七章interference

可见光是一种可被人眼所感觉的电磁波（波长390nm--760nm），是人类以及各种生物生存不可缺少的最普通的要素，但对它的规律和本性的认识经历了漫长的过程。牛顿根据日常生活中光的直线特点，提出了光是一种粒子的观点；但是，在一百来年后的1801年，英国的托马斯－杨等人通过实验发现了光具有波的特点――能产生干涉、衍射等现象。于是，人们又慢慢接收了光是一种波的观点。光学的发展可见光是一种可被人眼所感觉的电磁波（波长390nm-

到了1900年，德国的普朗克、爱因斯坦分别在解释黑体幅射、光电效应等实验时发现，光同时具有波动性与粒子性――波粒二象性。这是我们目前对光的本质的认识。本篇关于光的波动规律的讲解，基本上还是近200年前托马斯·杨和菲涅耳的理论，当然还有许多应用实例是现代化的。现代的许多高新技术中的精密测量与控制就应用了光的干涉和衍射的原理，激光的发明更使“古老的”光学焕发了青春。到了1900年，德国的普朗克、爱因斯坦分别在解释§17-1相干光一、光的相干性颜色：红~

紫

广义：电磁波狭义：可见光，电磁波中的狭窄波段1.光§17-1相干光一、光的相干性颜色：红~632.8656.3486.1589.3546.1常用的单色光源及波长氦氖激光钠灯汞灯氢灯632.8656.3486.1589.3546.1常用的单色光矢量：光振动：光强：相对光强：光波：交变电磁场在空间传播光矢量：光振动：光强：相对光强：光波：交变电磁场在空间传播2.光波与机械波相干性比较相同：(2)光强分布：干涉项(1)相干条件振动方向相同频率相同相位差恒定相长相消相长相消(3)2.光波与机械波相干性比较相同：(2)光强分布：干涉项(1不同：机械波源与光波波源特征不同容易满足相干条件难以满足相干条件一般光源的发光机制：被激发到较高能级的原子跃迁到低能级时，辐射出能量。例：氢原子光谱巴耳末系（可见光）一个原子，一次跃迁，发出一个光波波列3…542频率一定振动方向一定初相一定不同：机械波源与光波波源特征不同容易满足相干条件难以满足相干持续时间有限:波列长度有限:断续、脉冲式非严格单色波不同原子发出的波列单色光的波列波列的叠加单色光波：频率恒定的一列无限长正弦（或余弦）光波。持续时间有限:波列长度有限:断续、脉冲式非严格单色波不同原子

所以原子发射的光，其波列长度是有限的，光谱线都有一定宽度，通常说的单色钠光灯发出的黄色光不是严格的单色光。氦-氖激光器发出的光也不是严格的单色光。波列越长，谱线宽度越窄，光的单色性越好。所以原子发射的光，其波列长度是有限的，光谱线都有一定不同原子发光、或同一原子各次发光频率振动方向初相具有随机性难以满足相干条件均匀分布，非相干叠加两普通光源或同一光源的不同部分是不相干的0不同原子发光、或同一原子各次发光频率振动方向初相具有随机性难发展状况：(1)激光：产生机理不同，具有相干性普通光源：自发辐射完全相同激光：受激辐射频率相位偏振态传播方向(2)快速光电接收器件——皮秒技术可以观察到十分短暂的干涉，甚至两个独立光源的干涉。发展状况：(1)激光：产生机理不同，具有相干性普通光源：自3.从普通光源获得相干光思路：将同一点光源、某一时刻发出的光分成两束，再引导其相遇叠加(1)分波阵面法将同一波面上两不同部分作为相干光源(2)分振幅法（分振幅~分能量）将透明薄膜两个面的反射（透射）光作为相干光源①②③⑤④3.从普通光源获得相干光思路：将同一点光源、某一时刻发出的光在分别讨论两种方法以前，先建立一个重要概念4.光程、光程差相干光源相干光源相干光在相遇点P

叠加的合振动强度取决于两分振动的相位差如何简化？在分别讨论两种方法以前，先建立一个重要概念4.光程、光程差相思路：设法将光在介质中传播的距离折合成光在真空中的距离，折合原则：在引起光波相位改变上等效。结论：光在折射率为n的介质中前进x距离引起的相位改变与在真空中前进nx距离引起的相位改变相同.介质中x距离内波数：真空中同样波数占据的距离介质折射率l¢x真空介质？思路：设法将光在介质中传播的距离折合成光在真空中的距离，折合定义：等效真空程S1S2r1r2n1n2P光程差：等效真空程之差光程差引起的相位差：统一为：光程差真空中波长当相长~

明相消~

暗定义：等效真空程S1S2r1r2n1n2P光程差：等效真空程若当明暗常见情况：(1)真空中加入厚d

的介质、增加（n-1）d光程(2)光由光疏介质射到光密介质界面上反射时附加折射率n较小n较大（半波损失）(3)薄透镜不引起附加光程（物点与象点间各光线等光程）若当明暗常见情况：(1)真空中加入厚d的介质、增加（nThomasYoung1773--1829英国医生、科学家托马斯.杨1801年用双缝干涉实验证明了光的波动性，并首先测出太阳光的平均波长：该实验对光的波动说的复苏起到关键作用，在物理学史上占重要地位。“尽管我仰慕牛顿的大名，但我并不因此非得认为他是百无一失的。我……遗憾地看到他也会弄错，而他的权威也许有时甚至阻碍了科学的进步。”§17.2杨氏双缝干涉实验ThomasYoung英国医生、科学家托马斯.杨1801年(1)分波阵面法将同一波面上两不同部分作为相干光源(2)分振幅法（分振幅~分能量）将透明薄膜两个面的反射（透射）光作为相干光源①②③⑤④(1)分波阵面法将同一波面上两不同部分作为相干光源(2)分当同一束光的两部分从不同的路径，精确地或者非常接近地沿同一方向进入人眼，则在光线的路程差是某一长度的整数倍处，光将最强，而在干涉区之间的中间带则最弱，这一长度对于不同颜色的光是不同的。原稿中的插图和论述装置（原理图）：单缝双缝屏当同一束光的两部分从不同的路径，精确地或者非常接近地沿同一方线光源线光源k=2101光束实验结果（1）当平行光垂直照射双缝时，屏幕中央为明纹，向两侧分布明暗相间的条纹；（2）单色光条纹间距x。（3）对于复色光，明条纹有色散，内侧紫，外侧红k=2101光束实验结果明暗纹条件屏单缝双缝d明暗明暗k取值与条纹级次一致明暗纹条件屏单缝双缝d明暗明暗k取值与条纹级次一致

条纹特点**k=+1k=-2k=+2k=0k=-1k=+1k=-2k=+2k=-1……I因为人眼分辨本领有限。光强太小处～暗。思考：为什么暗纹看上去也有宽度？条纹宽度：相邻两明（暗）纹中心间距。条纹特点**k=+1k=-2k=+2k=0k=条纹形态：平行于缝的等亮度、等间距、明暗相间条纹条纹亮度：条纹宽度：条纹变化：双缝间距越小，条纹越宽屏幕距双缝越远，条纹越宽632.8nm的氦氖激光器产生的干涉条纹589.3nm的钠黄光产生的干涉条纹条纹形态：平行于缝的等亮度、等间距、明暗相间条纹条纹亮度：条S*白光照射双缝:零级明纹：白色其余明纹：彩色光谱高级次重叠。练习：用白光光源进行双缝干涉实验，求清晰可辩光谱的级次最先重叠：未重叠的清晰光谱只有一级。S*白光照射双缝:零级明纹：白色其余明纹：彩色光谱高级次重叠

在杨氏做完双缝实验不久，曾有人持反对态度，认为该实验中的干涉图样也许是由于光经过狭缝边时发生的复杂变化而引起的。时隔几年之后，法国物理学家菲涅耳进行了著名的“菲涅耳双面镜”实验，也发现了干涉现象，再次令人信服地证明了光的波动性。在杨氏做完双缝实验不久，曾有人持反对态度，认菲涅耳(A.J.Fresnel)双镜实验

菲涅耳具有高超的实验技巧和才能，面对许多物理学家倾向于不相信波动说而以微粒说来解释有关现象，菲涅耳设计了一个新的实验（著名的“菲涅耳双面镜”实验），避开了衍射，而由反射光束产生出干涉现象。光源S的象S1和S2为相干光源。菲涅耳(A.J.Fresnel)双镜实验菲涅耳具有

菲涅耳双棱镜光源S0的象S1和S2为相干光源。菲涅耳双棱镜光源S0的象S1和S2为相干光源。S'洛埃镜注:

光源S和其象S′构成相干光源。干涉条纹只存在于镜上方。当屏移到镜边缘时，屏与镜接触处出现暗条纹－－－证明光在镜子表面反射时有相位突变π。S'洛埃镜注:三.光的空间相干性思考：能否通过增加单缝光源宽度来提高干涉条纹亮度?若单缝宽b:等效于许多平行线光源，彼此干涉条纹错开，条纹清晰度下降直至消失考虑将缝光源垂直于轴上、下移动对干涉条纹的影响。屏单缝双缝SS1S2S’条纹将向下平移如图：三.光的空间相干性思考：能否通过增加单缝光源宽度来提高干涉由几何关系可得b

的极限宽度：xI*描述光源线宽度对干涉条纹的影响。*反映扩展光源不同部分发光的独立性。由几何关系可得b的极限宽度：xI*描述光源线宽度对干涉条纹练习：在双缝干涉实验中，用折射率n＝1.58的玻璃膜覆盖一条缝，屏上第7条明纹移动到原来中央明纹处，入射光波长550nm，求玻璃膜厚度。解：条纹下移，玻璃膜附加光程差为练习：在双缝干涉实验中，用折射率n＝1.58的玻璃膜覆盖一条

例2以单色光照射到相距为0.2mm的双缝上，双缝与屏幕的垂直距离为1m.

(1)从第一级明纹到同侧的第四级明纹间的距离为7.5mm，求单色光的波长；

(2)若入射光的波长为600nm,中央明纹中心距离最邻近的暗纹中心的距离是多少？例2以单色光照射到相距为0.2mm的双缝上，双缝与屏解(1)(2)

已知求(1)

(2)

解(1)(2)已知求(1)(2)§17.3薄膜干涉一.光的相干性二.杨氏实验（分波面两束光的干涉）三.光的空间相干性四.分振幅两束光的干涉1.一般性讨论①②③⑤④介质薄膜光波入射光(1)

反射光(2)、(3)相干光

透射光(4)、(5)相干光相遇§17.3薄膜干涉一.光的相干性四.分振幅两束光的干涉1由几何关系、折射定律(教材P130)涉及反射，考虑有无半波损失(2)有(3)无(2)无(3)有①②③⑤④由几何关系、折射定律(教材P130)涉及反射，考虑有无半波损①②③⑤④考虑半波损失：(4)无(5)无(4)无(5)两次明暗条纹条件：明k=1、2、3...暗k=0、1、2...①②③⑤④考虑半波损失：(4)无(5)无(4)无(5讨论：设：讨论：设：讨论：同一入射角i

对应同一干涉条纹不同入射角对应不同条纹干涉条纹为一组同心圆环（内疏外密）*等倾干涉讨论：同一入射角i对应同一干涉条纹不同入射角对应不同条纹干薄膜同一厚度处对应同一干涉条纹薄膜不同厚度处对应不同干涉条纹条纹形状与薄膜等厚线相同等厚干涉2.薄膜等厚干涉的典型装置思路：装置－光程差公式－明暗条纹条件－条纹特点－条纹变化－应用（1）劈尖（2）牛顿环薄膜同一厚度处对应同一干涉条纹薄膜不同厚度处对应不同干涉条纹（1）劈尖

装置：两光学平板玻璃一端接触，另一端垫一薄纸或细丝单色、平行光垂直入射

明暗条纹条件明暗（1）劈尖装置：两光学平板玻璃一端接触，另一端条纹宽度：两相邻暗纹间距或两相邻明纹中心间距。ILL相邻明（暗）纹对应薄膜厚度差：

条纹特点形态(与薄膜等厚线相同)：平行于棱边，明、暗相间条纹棱边处:e=0,θLekek+1en条纹宽度：两相邻暗纹间距或两相邻明纹中心间距。ILL相邻明（条纹变密白光入射出现彩条空气劈尖充水条纹变密条纹变化：由此解释肥皂泡、油膜表面的不规则彩色条纹。θLekek+1en条纹变密白光入射出现彩条空气劈尖充水条纹变密条纹变化：由此解2）轻压劈尖上表面，条纹如何变化？思考：1）劈尖上表面平行上移，条纹如何变化？条纹宽度不变条纹左移（向棱边方向移）条纹变宽条纹右移（远离棱边方向移）2）轻压劈尖上表面，条纹如何变化？思考：1）劈尖上表

应用举例测量微小长度例：测量钢球直径用波长为589.3nm的钠黄光垂直照射长L=20mm的空气劈尖，测得条纹间距为求：钢球直径d。有解：由应用举例测量微小长度例：测量钢球直径求：钢球直径d。有两规端面平行由间距相同：长度差：1）两组条纹间距相同，求长度差。例.

标准块规待测块规两规端面平行由间距相同：长度差：1）两组条纹间距相同，求长度无干涉条纹轻压平板玻璃无干涉条纹轻压平板玻璃例：劈尖底面有一凹槽，条纹形状如何？

应用举例检测光学平面的平整度

由于同一条纹下的空气薄膜厚度相同，当待测平面上出现沟槽时条纹向左弯曲。例：劈尖底面有一凹槽，条纹形状如何？应用举例检测光学（2）牛顿环思考：比照劈尖的情况，得出牛顿环干涉条纹的特点装置：平板玻璃上放置曲率半径很大的平凸透镜明暗纹条件：单色平行光垂直入射明暗（2）牛顿环思考：装置：平板玻璃上放置曲率半径很大的平凸透条纹特点：条纹为以接触点为中心的明暗相间的同心圆环中心:为暗斑条纹的形状取决于膜等厚线的形状：等价于由角度逐渐增大的劈尖围成：条纹内疏外密条纹特点：条纹为以接触点为中心的明暗相间的同心圆环中心:为暗明暗条纹内疏外密白光照射出现彩环得明暗纹半径：略去明暗条纹内疏外密白光照射出现彩环得明暗纹半径：略去