第十章 光的干涉.ppt

1、第十章 光的干涉,陈 丽 娟 理学院 TelEmail: ,一、 光的本性,第三篇 波 动 光 学,牛顿的微粒说： 光是由光源发出的微粒流。,惠更斯的波动说：光是一种波动。,1801年，英国物理学家托马斯杨首先利用双缝实验观察到了光的干涉条纹，从实验上证实了光的波动性。,1865年，英国物理学家麦克斯韦从他的电磁场理论预言了电磁波的存在，并认为光就是一种电磁波。,分类：,1）几何光学-研究光的直线传播及光学仪器的 制造；（以牛顿的微粒说为代表）,2）波动光学-研究光的干涉，衍射，偏振，电 磁本性等；,3）量子光学-研究光的波粒二象性；,4）现代光学。,20世纪60年代

2、,(5)信息光学（傅立叶光学）,电磁波是横波：,电磁波谱,可见光的波长范围： 400 nm 760 nm,电场强度的振动方向称为光的振动方向。,由于对人眼和感光器件起光化学作用的是电场,光波的振动方向：,光波是特定频率范围内的电磁波,光矢量：,光波中的电场强度矢量,电场强度矢量的周期性变化,光振动：,光波的相干条件：,两列光波频率相同，振动方向相同，光波源的相位差恒定。,普通光源：,普通光源的发光机制：,二、 普通光源的发光机理,除激光源之外的各种发光物体；,其发光机制是自发辐射,普通光源的发光机制,随机性：,间歇性：各原子发光是断断续 续的，平均发光时间t 约为 10-8 s，所发出的是一段

3、长为 L =ct 的光波列。,每次发光是随机的，所发出各波列的振动方向 和振动初相位都不相同。,将非相干光变为相干光的原则是：,“同出一源，分之为二”,三. 从普通光源获得相干光,1) 分波阵面法,2)分振幅法,由狭缝S发出的同一波阵面的 光同时到达狭缝1和2，1和2 相当于两个子波源。因它们发 出的光来自于同一波阵面，因 而是相干光。,波阵面：等相面,惠更斯原理（惠更斯作图法),狭缝：理论上无限小,空间相干性,1) 分波阵面法,2) 分振幅法,等倾干涉,P,薄膜,S,P,透 镜,剖面图,透 镜,通过上下表面反射，把入射光分为几部分，每部分有一定的强度（振幅）,同频率、同振动方向两列光波,1

4、干涉的光强分布,P点的光强度I：,P点的光强度I：,平均光强：,（1）非相干光,（2）相干光,平均光强：,P点光强度：,干涉相长（亮）,干涉相消（暗）,2 杨氏双缝干涉实验,实 验 装 置,一. 实验装置及现象,二. 定量分析,波程差,P,n=1,减弱,暗纹,讨论：,1）对应不同的k值，将有一对明或暗纹出现在中 央明纹两侧，k称之为干涉级。,2）杨氏干涉的条纹是等间距的，且S1、S2间距越 大，条纹越密。,=常数,以明纹为例,(白色）,较高级次上，条纹相 互重合以致模糊不清,各光的第一级明条纹,各光的第二级明条纹,红、橙、黄、绿、青、蓝、紫,频率递增，波长递减,在双缝干涉实验中：,（1）如何使

5、屏上的干涉条纹间距变宽？,（2）将双缝干涉装置由空气中放入水中时， 屏上的干涉条纹有何变化？,（3）若S1、S2两条缝的宽度不等，条纹有何 变化？,选题目的：讨论影响双缝干涉条纹分布的因素。,若已定，只有D、d（仍然满足d )，条纹间距 变宽。,n水 n空气,实验装置放入水中后条纹间距变小。,（2）将双缝干涉装置由空气中放入水中时， 屏上的干涉条纹有何变化？,（3）两条缝的宽度不等，使两光束的强度不等；虽然干涉条纹中心距不变，但原极小处的强度不再为零，条纹的可见度变差。,现：可见度差,原：可见度好,振幅比,决定可见度的因素：,光源的宽度,光源的单色性,解 （1）,（2）,例: 用白光作双缝干涉

6、实验时，能观察到几级清晰可辨的彩色光谱？,解: 用白光照射时，除中央明纹为白光外，两侧形成内紫外红的对称彩色光谱.当k级红色明纹位置xk红大于k+1级紫色明纹位置x(k+1)紫时，光谱就发生重叠。据前述内容有,将 红 = 7600， 紫 = 4000代入得 k=1.1,这一结果表明：在中央白色明纹两侧， 只有第一级彩色光谱是清晰可辨的。,由 xk红 = x(k+1)紫 的临界情况可得,因为 k只能取整数，所以应取 k=2,3 其它分波阵面干涉,一. 菲涅耳双面镜,二. 劳埃德镜,P,M,半波损失：当光由光疏媒质（n小）向光密媒质（n大）入射，反射光有 相位突变）,解 计算波程差,取,极大时,6

7、 光程与光程差 薄透镜的等光程性,一. 光程与相位差,提出一个问题:,解决的思路:,介质中, n介质中波长,光程：,相位差：,例：杨氏双缝实验，用透明片遮住上缝，发现中央明纹向上移动了3个条纹，已知该片折射率为1.4，求该片厚度。,光的干涉给了我们一把与光波波长同数量级的尺子，提高了 测量精度。,解：,二. 薄透镜的等光程性,平行光波A、B、C到达F点后， 各光线光程相同，相差为0，干 涉加强,平行光通过透镜后，光线会聚在焦点，形成一亮点。,在焦点处各光线是同相的。,透镜可改变光的方向，但不附加光程差,7 薄膜干涉,扩展 光源,眼 盯着表面,透明薄膜,S1,S2,一. 薄膜干涉公式,这两种情况

8、可以不考虑附加光程差。,因而，光线b2与b1光程差为：,因而，光线b2与b1光程差为：,薄膜干涉加强和相消的条件为：,光线b2与b1光程差为：,讨论,4）透射光b1，b2的相干情况与反射光 刚好相反，如果反射光加强，则透射光 减弱。这是由能量守恒决定的。,透射光的相干加强和相消条件,明纹,暗纹,增透膜和增反膜,利用薄膜干涉可以提高光学器件的透光率 .,取,（增强）,氟化镁为增透膜,则,例 为了增加透射率 , 求氟化镁膜的最小厚度.,解 (1),绿色,(2) 透射光的光程差,红光,紫光,二. 等厚干涉,光入射到厚度不均匀的透明介质薄膜上,当 i 保持不变时，光程差仅与膜的厚度有关，凡厚度相同的地

9、方光程差相同，从而对应同一条干涉条纹,等厚干涉条纹的形状取决于薄膜上厚度相同的点的轨迹。,如轨迹为一直线，则干涉条纹为一直线: 劈尖干涉,如轨迹为一圆，则干涉条纹也为圆环：牛顿环,当光垂直入射时，,劈尖：夹角很小的介质薄片或薄膜,二. 劈尖薄膜的干涉,等厚条纹是一些与棱边平行的明暗相间的直条纹。,2）相邻明（暗）纹之间厚度差,k级明纹,k+1级明纹,相邻明纹厚度差,3） 相邻两条亮纹或暗纹之间的距离,当角度很小时,当波长一定时，劈尖角越大，条纹间距越小，即条纹越密；,当劈尖角大于某一值时，则干涉条纹将无法分辨。,解：,交棱o处，e=0，明纹,k=0 为第一条暗纹，k=4为第五条暗纹,即：,例：

10、波长为 的单色光垂直照射折射率为n2的劈尖，如图，设n1n2n3,从交棱o开始向右数，表面为第五条暗纹，求膜厚。,由于：n1n2n3,三. 等厚干涉的应用举例,1测量微小角度,纸,2测量细丝等的直径,3测量微小厚度的改变,薄膜厚度增加时，条纹下移，厚度减小时 条纹上移。,薄膜的 增加时，条纹下移， 减小时 条纹上移。,从视场中移动了N个条纹，薄膜厚度改变了：,劈尖干涉的应用,热膨胀系数：,4检查表面质量,B有凹坑,空气劈尖：,凸坑,四. 牛顿环,由一块平板玻璃和一平凸透镜组成,光程差,明环,暗环,暗环半径,明环半径,从反射光中观测，中心点是暗点还是亮点？ 从透射光中观测，中心点是暗点还是亮点？,受检元件合格嵌合好，无牛顿环,RR0,出现牛顿环，加压，条纹向边缘移动,RR0,出现牛顿环，加压，条纹向中心移动