NO10-1光的干涉剖析.ppt

引引 言言一、自然界的光现象一、自然界的光现象水面油膜水面油膜肥皂膜肥皂膜 光学是一门有悠久历史光学是一门有悠久历史的学科，它的发展史可追的学科，它的发展史可追溯到溯到墨经墨经，始于，始于20002000多年前。多年前。二、光学发展历史二、光学发展历史 公元公元1111世纪阿拉伯人世纪阿拉伯人伊伊 本本海赛木发明透镜。海赛木发明透镜。 中国的中国的墨经墨经中记中记 录了世界上最早的光录了世界上最早的光 学知识，它有八条关学知识，它有八条关 于光学的记载。于光学的记载。 叙述影的定义和生成，叙述影的定义和生成，光的直线传播性和针孔成光的直线传播性和针孔成像，并且以严谨的文字讨像，并且以严谨的文字讨论了在平面镜、凹球面镜论了在平面镜、凹球面镜和凸球面镜物和像的关系和凸球面镜物和像的关系. . 1717世纪上半叶，斯涅世纪上半叶，斯涅耳和笛卡尔将光的反耳和笛卡尔将光的反射和折射的观察结果，射和折射的观察结果，归结为今天大家所惯归结为今天大家所惯用的反射定律和折射用的反射定律和折射定律。定律。 16651665年，牛顿进行太阳年，牛顿进行太阳光的实验，它把太阳光光的实验，它把太阳光分解成各种颜色，根据分解成各种颜色，根据光的直线传播性，认为光的直线传播性，认为光是一种微粒流。微粒光是一种微粒流。微粒从光源飞出来，在均匀从光源飞出来，在均匀媒质内遵从力学定律作媒质内遵从力学定律作等速直线运动。牛顿因等速直线运动。牛顿因此解释了光的折射和反此解释了光的折射和反射现象作。射现象作。 _光的微粒流理论光的微粒流理论 惠更斯是光的微粒说惠更斯是光的微粒说的反对者，他创立了光的反对者，他创立了光的波动说。提出的波动说。提出“光同光同声一样，是以球形波面声一样，是以球形波面传播的传播的”。 光的波动学光的波动学 在在1818世纪，光的微粒流世纪，光的微粒流理论和光的波动理论都理论和光的波动理论都被粗略地提了出来，但被粗略地提了出来，但都不很完整。都不很完整。 在在2020世纪初，人们一方面世纪初，人们一方面从光的干涉、衍射、偏振从光的干涉、衍射、偏振以及运动物体的光学现象以及运动物体的光学现象确证了光是电磁波；同时确证了光是电磁波；同时又从热辐射、光电效应、又从热辐射、光电效应、光压以及光的化学作用等光压以及光的化学作用等无可怀疑地证明了光的量无可怀疑地证明了光的量子性子性微粒性。人们在微粒性。人们在深入研究微观世界后，才深入研究微观世界后，才认识到光具有波粒二象性，认识到光具有波粒二象性，愛因斯坦是其中的代表性愛因斯坦是其中的代表性人物人物。1 1、几何光学：、几何光学：以光的直线传播规律为基础，主以光的直线传播规律为基础，主 要研究各种成像光学仪器的理论。要研究各种成像光学仪器的理论。2 2、物理光学：、物理光学：研究光的电磁理论和传播规律，特研究光的电磁理论和传播规律，特 别是干涉、衍射、偏振的理论和应别是干涉、衍射、偏振的理论和应 用。所以也称为波动光学。用。所以也称为波动光学。 3 3、量子光学：、量子光学：以光的量子理论为基础，研究光与以光的量子理论为基础，研究光与 物质相互作用的规律，如光电效应物质相互作用的规律，如光电效应 的研究。的研究。4 4、现代光学：、现代光学：以激光问世为标志，与许多科学技以激光问世为标志，与许多科学技 术领域紧密结合，派生了许多新的术领域紧密结合，派生了许多新的 分支学科分支学科。三、光学的分类三、光学的分类四、光的性质四、光的性质可见光的范围可见光的范围Hz103 . 4105 . 7:nm760390:1414光是电磁波中的可见光部分。光是电磁波中的可见光部分。光具有波粒二象性。光具有波粒二象性。光在均匀媒质中沿直线传播，是横波。光在均匀媒质中沿直线传播，是横波。一、一、 光的相干性光的相干性001c 真空中的光速真空中的光速 光矢量光矢量 用用 矢量表示光矢量矢量表示光矢量, 它在引起它在引起人眼视觉和底片感光上起主要作用人眼视觉和底片感光上起主要作用 .E第一节第一节 光的干涉光的干涉18sm1031、光源的分类、光源的分类激光光源、各种谱灯各种气体放电管日光灯、气体放电光源：高温发光体等。太阳光源、白炽灯、热光源：普通光源光源q光波的相干性：光波的相干性： 两列振动方 向两列振动方 向相同、频率相同、相同、频率相同、相位相同或相差恒相位相同或相差恒定的光波在空间相定的光波在空间相遇时，叠加形成明遇时，叠加形成明暗相间的条纹。暗相间的条纹。q相干光波：相干光波： 满足相干性的光满足相干性的光波叫做相干光波。波叫做相干光波。3. 获得相干光的方法获得相干光的方法波阵面分割法波阵面分割法*光源光源1s2s振幅分割法振幅分割法q光源的单色性越好，则相干长度越长， 即产生光的干涉的范围就越广。q激光是目前最好的相干光源。 q相干长度：能观察到干涉现象的最大光 程差叫做相干长度。 p1s2ssxooB实实 验验 装装 置置d1r2rdD dxD二二 杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验（在空气中）在空气中）Drsin12drrr1. 光波程差光波程差dtansin1）在P点相遇的两条光线的光程差： sin12drr , sinDddddtgxD且很小，2、干涉条纹特点、干涉条纹特点 2） 干涉加强与减弱的条件：(21) (1.2.3.)2xdkkD.)3 . 2 . 1 . 0( kkDxddDkx(21)2Dxkd.明纹明纹 （k=0.1.2.3.).暗纹暗纹 (k=1.2.3.) kDdx(21)2dxkD.明纹明纹 （k=0.1.2.3.).暗纹暗纹 (k=1.2.3.)结论结论: 3）干涉条纹的分布：dDx2dDxdDkx.明纹明纹 （k=0.1.2.3.)由暗纹条件公式(21)2Dxkd.暗纹暗纹 (k=1.2.3.)25dDx23dDx2dDx4 ) 干涉条纹的图形 k = 1 k = 2 k = 2 k = 0 k = -1 k = -2 k = 1 k = -1 k = -2明条明条纹纹暗条暗条纹纹 x x条纹条纹间距间距3、干涉条纹的间距： x相邻的两条明纹中心或相邻的两条暗纹中心之间的距离称为条纹间距。dDdDndDnx)() 1(dDkx.明纹明纹 （k=0.1.2.3.)xdDx讨论讨论: 一定时，若一定时，若 变化，则变化，则 将怎样变化？将怎样变化？Dd,x 条纹间距条纹间距 与与 的关系如何？的关系如何？xd 一定时，一定时，D、r2345234004II光光 强强 分分 布布 图图0dd2dd4dd2dD4x4、干涉条纹的光强分布：、干涉条纹的光强分布： 干涉条纹是等光强、等间距的匀排光谱条纹。干涉条纹是等光强、等间距的匀排光谱条纹。m4100 . 2m3105 . 7dDkx.明纹明纹 （k=0.1.2.3.)dDx44dDx1dDdDdDxx3414mDdxx74314100 . 50 . 13100 . 2105 . 732)(得：得：P1M2MLCd2sD1ss 半波损失半波损失 ：光从光速较大的介质射向光速：光从光速较大的介质射向光速较小的介质时反射光的相位较之入射光的相位较小的介质时反射光的相位较之入射光的相位跃变了跃变了 ， 相当于反射光与入射光之间附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。加了半个波长的波程差，称为半波损失。1sPM2sdDPL半波损失产生的条件： 当光线以接近0度或90度的入射角，从光疏媒质射向光密媒质时，其反射光线会产生数值为的相位突变。1n2n21nn 1n2n四、 光程和光程差 真空与介质中的光速、波长真空与介质中的光速、波长 设介质的折射率为设介质的折射率为n，单色光在真空、介质中，单色光在真空、介质中的传播速度各为的传播速度各为c、u，波长各为，波长各为 、 ，则，则介质的折射率：介质的折射率：cnun 1，n单色光在介质中的波长：单色光在介质中的波长：2、光程和光程差() rcLctcrnruu 光程：就是与介质中几何路程相当的真空路程。光程：就是与介质中几何路程相当的真空路程。设光波在介质中的几何路程为：设光波在介质中的几何路程为：r光波在介质中传播几何路程光波在介质中传播几何路程 r 所需时间为：所需时间为：光波在光波在 时间内在真空中的几何路程为：时间内在真空中的几何路程为：ruru1122rnrnL1n2n1r2rv 在均匀介质中，光程：在均匀介质中，光程：Lnr1 122i iiLn rn rn rv 光程差光程差 ：两条光线的光程之差。：两条光线的光程之差。v在分段均匀介质中，光程：在分段均匀介质中，光程：3、相位差与光程差的关系、相位差与光程差的关系在机械波中相位差与几何路程差的关系：在机械波中相位差与几何路程差的关系：x2在波动光学中相位差与光程差的关系：在波动光学中相位差与光程差的关系：2由波的干涉加强与减弱的条件：由波的干涉加强与减弱的条件：2(21)kk加强减弱得波动光学干涉加强与减弱的条件：得波动光学干涉加强与减弱的条件：2 k0.1.2.(21) k1.2.kk明纹暗纹4、透镜不产生附加光程差、透镜不产生附加光程差SSF1F2L1L2例例2： 若将杨氏双缝实验装置从空气中搬入水若将杨氏双缝实验装置从空气中搬入水中，问双缝干涉图样是否有变化？怎么变？中，问双缝干涉图样是否有变化？怎么变？解：解：nDnxdtgdnrrnnrnr)(1212明纹当kDnxd明纹即：kndDx sxr1s2s1r2DOPdndDkndDkndDx) 1(xxn , 1dDndDndDx)1(介质中的条纹间距：介质中的条纹间距：空气中的条纹间距：空气中的条纹间距：故：故：水中的干涉条纹变得更密、更细。水中的干涉条纹变得更密、更细。例例3：在杨氏双缝实验中，在杨氏双缝实验中，O为光屏上的中央为光屏上的中央明纹所在位置，现将厚度为明纹所在位置，现将厚度为 e 、折射率为折射率为 n 的的薄玻璃片插入从薄玻璃片插入从S1发出的光束的途中，问中央发出的光束的途中，问中央明纹是否向上或向下移动？若已知中央明纹移明纹是否向上或向下移动？若已知中央明纹移动了动了7级，求玻璃片的厚度级，求玻璃片的厚度e 。 r r2 d S S S2 x D O Q2 P 2121() ()(1)0rrenerrn e故：干涉条纹（中央明纹）向上移动。故：干涉条纹（中央明纹）向上移动。解：解：（1）插入玻璃片后，从两狭缝传播到屏幕）插入玻璃片后，从两狭缝传播到屏幕中央明纹的两列光波之间的光程差为：中央明纹的两列光波之间的光程差为：“中央明中央明纹特征纹特征”212121(1)1 0rrnenrrrr又， r r2 d S S S2 x D O Q2 P 干涉条纹向媒质块的同侧移动。干涉条纹向媒质块的同侧移动。结论结论:解：解：（2）插入玻璃片后，中央明纹向上移动了）插入玻璃片后，中央明纹向上移动了7级，则级，则 x =0 处现为处现为7级明纹。级明纹。 r r2 2a S S S2 x D O Q2 P k = 7k = 0k =0 k = -772121() ()(1)7(1)rrenerrn e x =0 处现为处现为7级明纹级明纹,其两条光线的光程差：其两条光线的光程差：7(1)7 1n een 两式相减：两式相减：0210 (2)rr 未插入玻璃片前，未插入玻璃片前，x = 0处是中央明纹：处是中央明纹：结论结论:若干涉条纹移动了若干涉条纹移动了k 级，级，则媒质块的厚度为：则媒质块的厚度为：1ken光的干涉作业：272页：思考题：1，2，作业：3，4补充题：在杨氏双缝实验中，O为光屏上的中央明纹所在位置，现将厚度为 e 、折射率为 n 的薄玻璃片插入从S发出的光束的途中，问中央明纹是否向上或向下移动？若已知中央明纹移动了级，求玻璃片的厚度e 。 r r2 d S S S2 x D O P 五、 薄膜干涉（只要求掌握光线垂直入射的情况）如图：反射光线2、3在空中相遇，产生干涉。 1. 光程差 ： 1n3n2n2 31e222 1 2 3 2k1) 1.2.3 2n ekk. .k明纹（暗纹半波损失半波损失2、产生半波损失的条件： 2321nnnn， 2321nnnn， 321nnn 321nnn1n3n2n2 31e3、薄膜干涉的应用 （镀膜玻璃）空气玻璃氟化镁氟化镁 .n51311n38.12n反射光反射光透射光透射光 增透膜增透膜在光学元件的表面均匀镀膜，使入射单色光在镀在光学元件的表面均匀镀膜，使入射单色光在镀膜两表面的反射光在反射面发生相消干涉。膜两表面的反射光在反射面发生相消干涉。e 2）高反射膜 在光学元件上适当镀膜层，使入射单色光在镀膜两表面的反射光在反射面发生干涉加强，从而减小光的透射率。 1 2 3 22k1) 1.2.3 2kk. .nek高反射膜（增透膜例3：如图所示，在透镜表面上镀一层MgF2(n2 = 1.38)一类的透明薄膜，其目的是利用干涉来降低玻璃表面的反射。为使波长为632.8nm的激光无反射地透过薄膜，薄膜的厚度至少为多少？（设光垂直入射）空气空气玻璃玻璃氟化镁氟化镁 .n51311n38.12ne123nnn取k = 1得薄膜的最小厚度：)nm( 6 .114)m(10146. 138. 1410328. 64792ne )1.2.3.=(k 2) 12(22ken薄膜干涉作业： 273页：5，6原子力光子扫描隧道显微镜结束结束