《光学干涉》课件.ppt

1、光学,几何光学,波动光学,量子光学,第13章 波动光学,研究光的干涉、光的衍射、光的偏振,13.1 相干光,1. 光矢量,光波是电磁波，对应电场强度 和磁场强度 的两个振动。,可见光的范围,2. 相干光,各次发光相互独立，所以，两个独立的光源，或同一光源,1）普通光源的发光机制,上的两部分发出的光相叠加时不能产生干涉现象。,4,2）相干光的产生,分波阵面法,杨氏双缝、双镜、劳埃镜等,分振幅法,水面上的彩色油膜、彩色肥皂泡、劈尖干涉等,132 杨氏双缝实验 劳埃镜,13.2.1 杨氏双缝实验 （1801年）,1. 杨氏双缝实验装置及干涉条纹,实验装置,干涉条纹与缝平行,2. 波程差的计算,明纹中

2、心,暗纹中心,在此，,明纹(加强)、暗纹(减弱)主要决定于波程差,将上式代入相位差的明暗纹公式，得,k=0,1,2, 明纹中心,k=0,1,2, 暗纹中心,3. 明暗纹条件,4. 干涉条纹的特点,1）与双缝平行、以中央明纹（k=0 的明纹）为对称、明暗相间的直条纹；,2） 条纹等间距，相邻明（或相邻暗）纹间距,缝间距越小，屏越远，干涉越显著。,在D、d 不变时， 条纹疏密与正比,3) 白光干涉条纹的特点：,中央 0 级为白色亮纹，两侧为彩色，由蓝到红向外展开,5. 光强分布曲线,例 以单色光垂直照射到相距为0.15mm的双缝上, 双缝与屏幕的垂直距离为0.90m。（1）若第一级明条纹到同侧的第

3、四级明条纹间的距离为8.0mm，求单色光的波长；（2）若入射光的波长为589.3nm，求相邻两明条纹间的距离。,解 （1）根据杨氏双缝干涉明条纹的条件,k=0,1,2, ,得,（2）根据杨氏双缝干涉条纹间距,代入，得,，将数值,nm,13.2.2 劳埃镜,半波损失 ：光从光疏介质入射到光密介质界面时，反射光的相位较之入射光的相位跃变了 ，相当于反射光与入射光之间附加了半个波长的波程差，称为半波损失.,13.3.1 光程和光程差,光在真空中的速度,光在介质中的速度,2.介质中的波长,13.3 光程 光程差,1. 介质的折射率,相位差,物理意义：光在折射率为n的介质中传播几何路程r所产生的相位变化

4、，相当于光在真空中传播几何路程nr所产生的相位变化。,图中光程,4. 相位差与光程差的关系,5. 干涉加强条件,6. 干涉减弱条件,表示光程差,13.3.2 透镜不产生附加光程差,平行光通过透镜后各光线的光程相等,例1 以单色光照射到相距为0.15mm的双缝上, 双缝与屏幕的垂直距离为0.90m。（1）从第一级明条纹到同侧的第四级明条纹间的距离为8.0mm，求单色光的波长；（2）若入射光的波长为589.3nm，求相邻两明条纹间的距离。,解 （1）根据杨氏双缝干涉明条纹的条件,由此解得,得,（2）根据杨氏双缝干涉条纹间距,将数值代入，得,例2 在杨氏干涉实验中，光波波长=632.8nm，双缝间距

5、为1.00mm，缝至屏幕的距离100cm，求(1)整个装置在空气中，屏幕上相邻暗条纹的间距；(2)整个装置在水(n=1.33)中，屏幕上明条纹的宽度；(3) 装置在空气中，但其中一条狭缝用一厚度为,cm的透明薄片覆盖，结果原来的零级明,纹变为第7级明纹，薄膜的折射率n为多少？,解 (1) 条纹间距,将d=1.00mm，D=100cm=1000 mm，=632.8nm,代入上式，得,(2) 求整个装置在水(n=1.33)中，屏幕上明条纹的宽度；,解（2） 这时波长为 ，将数值代入，得,解（3）,(n - 1)e = 7,13.4 薄膜干涉,油层上下反射光的干涉,肥皂薄膜的干涉图样,镜头表面的增透

6、膜,P,1. 薄膜干涉的光程差,，作,1) 反射光的光程差,加强,减弱,当薄膜是等厚时,则相同入射角的光对应同一条纹等倾干涉。,2）等倾干涉,加强,减弱,从能量的角度考虑，则有反射加强时，对应透射减弱。透射加强时，反射减弱。,3）光线垂直膜表面入射( i = 0 ),4）透射光的光程差（分析略）,2. 增透膜 增反膜,利用薄膜干涉可以提高光学器件的透光率 .,最小厚度：,通常在玻璃器件上镀MgF2（n=1.38),透射率98.7%,求增透膜的最小厚度,薄膜干涉1.rm,k=0,求增反膜的最小厚度,最小厚度：,注意：增透或增反是针对特定的波长而言,通常在玻璃器件上镀多层ZnS（n2=2.35）,

7、反射率为99以上.此时，,薄膜干涉2.rm,13.5.1 劈 尖,13.5 劈尖 牛顿环,劈尖干涉是等厚干涉,1. 干涉条纹特点：,1）条纹形状是与棱边平行、等间距、明暗相间的直条纹。,2） 相邻干涉条纹对应的薄膜厚度差,(n为劈尖的折射率),3） 条纹宽度(相邻明纹或相邻暗纹间距),角很小,sintg, 越小， l 越大， 条纹越稀； 越大， l 越小， 条纹越密。 当大到某一值，条纹密不可分，无干涉。,2. 厚度变化对条纹的影响,3. 劈尖干涉应用 ：,测量细丝直径、微小夹角、热膨胀系数等，还可以检验工件的平整度。等倾干涉.rm,例1,如图求凹的深度或凸的高度。,工件表面凸起,上凸高度为,例2 在半导体器件生产中，为精确地测定硅片上的SiO2薄膜厚度，将薄膜一侧腐蚀成劈尖形状，如图所示。用波长为589.3nm的钠黄光从空气中垂直照射到SiO2薄膜的劈状部分，共看到6条暗条纹，且第6条暗条纹恰位于图中劈尖的最高点A处，求此SiO2薄膜的厚度（已知：SiO2和Si 的折射率为n1 = 1.50和n2 = 3.42）。,解,在度为e处，薄膜上、下表面反射光的光程差为,第6条暗纹对应k=5，得膜厚为,或根据条纹间距是/2n，而整个劈尖共对应5.5个暗纹间距，所以膜后为,例3,求样品的热膨胀系数,热膨胀系数的定义,*13.5.2 牛顿环,