光的薄膜干涉中文.ppt

光的薄膜干涉中文现在学习的是第1页，共49页波阵面分割法波阵面分割法*光源光源1s2s1 分波面双光束干涉 Wavefront-splitting Interference1.杨氏双缝干涉2.菲涅耳双面镜3.劳埃德镜4.维纳驻波5.对切透镜 (split lens)现在学习的是第2页，共49页2 分振幅干涉薄膜干涉 Amplitude-splitting Interference 薄膜干涉现象：阳光照射下的水面油层、蜻蜓翅膀、肥皂泡、金属表面氧化膜等所呈现的五彩斑斓的花样，那就是一种光经薄膜而生成的干涉花样。肥皂膜 汽油膜 现在学习的是第3页，共49页分振幅法分振幅法 分振幅法点光源分振幅法点光源Q发发出的一束光投射到两种透出的一束光投射到两种透明媒质的分界面上时，它明媒质的分界面上时，它携带的能量一部分反射回携带的能量一部分反射回来，一部分透射过去，这来，一部分透射过去，这种分割方式称为分振幅法种分割方式称为分振幅法。 最基本的分振幅干涉装置最基本的分振幅干涉装置是一块由透明媒质做成的是一块由透明媒质做成的薄膜。薄膜。现在学习的是第4页，共49页薄膜干涉场薄膜干涉场在两光束交叠的区域里每个点上都有一对相干在两光束交叠的区域里每个点上都有一对相干光线在那里相交。光线在那里相交。现在学习的是第5页，共49页用透镜成象法观察薄膜的干涉条纹用透镜成象法观察薄膜的干涉条纹 现在学习的是第6页，共49页AABCP( ) () ()ACABPp-=idnABnABPcos22)(=i1idiidniiABiAPAC211sincos2sinsin2sin)(=indiidnidnACABPcos2sincos2cos2)()(2=-=-薄膜干涉之光程差计算薄膜干涉之光程差计算(1)：=j加加 强强),2,1 ,0(=j2)12(j减减 弱弱),2,1 ,0(=jindpcos2)(=当然实际还需考虑有无半波损失现在学习的是第7页，共49页膜越薄，则夹角 越小，上述表示式的近似程度也就越好 折射定律( ) () ()QPQABPp-=( ) () ()CPABPp-=( )indiindpcos2cossin122= -d薄膜干涉之光程差计算薄膜干涉之光程差计算(2)：=j加加 强强),2,1 ,0(=j2)12(j减减 弱弱),2,1 ,0(=j且能够满足空间相关性条件且能够满足空间相关性条件现在学习的是第8页，共49页=减弱加强, 2 , 1 , 02) 12(, 2 , 1 , 0)2(cos2jjjjind光程差光程差(2) d不变不变 i 变变-等倾干涉等倾干涉等倾干涉条纹是一组明暗相间的同心圆环等倾干涉条纹是一组明暗相间的同心圆环(1) i 不变不变 d变变-等厚干涉等厚干涉劈尖干涉劈尖干涉 牛顿环干涉牛顿环干涉 不同方向的入射光照射在厚度均匀的薄膜上相同方向的入射光照射在厚度不均匀的薄膜上现在学习的是第9页，共49页一、等厚干涉一、等厚干涉Fringes of Equal Thickness 厚度不均匀薄膜表面的等厚干涉。 影响薄膜表面干涉场的光程差有两个因素： 厚度d和倾角i，为突出厚度的因素，实验上尽量实现小倾角 双光束干涉问题现在学习的是第10页，共49页1n1nnSMDTL劈尖角劈尖角1nn一、一、 劈劈 尖尖22-=nd=, 2 , 1 , 0,=jj明纹明纹, 1 , 0,2) 12(=jj暗纹暗纹bd现在学习的是第11页，共49页Ln1nD劈尖干涉劈尖干涉nn 1=dnj2)21(nj2（明纹）（明纹）（暗纹）（暗纹）bb2/n讨论讨论 1）劈尖）劈尖2=0=d为暗纹为暗纹.现在学习的是第12页，共49页LnbLbDn22=3）条纹间距（明纹或暗纹）条纹间距（明纹或暗纹）nb2=221niindd=-2）相邻明纹（暗纹）间的厚度差）相邻明纹（暗纹）间的厚度差LDbn2Ln1nD劈尖干涉劈尖干涉nn 12/nbb现在学习的是第13页，共49页 4 ）干涉条纹的移动）干涉条纹的移动每一条纹对应劈每一条纹对应劈尖内的一个厚度尖内的一个厚度，当此厚度位置，当此厚度位置改变时，对应的改变时，对应的条纹随之移动条纹随之移动. .现在学习的是第14页，共49页（6）12相对移动引起条纹变动情况：（5）判断交棱位置：轻压一端，条纹变密，则交棱在受压一端。（1） 单色点光源平行光正入射（2） 形状：平行交棱的一组等间距直线条纹，条纹上各点对应薄膜厚度相等。楔形薄膜等厚条纹的特点： （3）间距：nb2=2=d（4）相邻两个亮纹所对应的膜的厚度差： (n=1) （亮纹） （暗纹）j=2) 12(=j12平移，故 不变，b不变，但条纹平移，当d增加时，条纹向d小的地方即交棱方向平移，当d每增加/2时，条纹向交棱平移b。相向平移，条纹向交棱方向平移，即d增加，条纹向d小的地方平移。 d每增加/2 时，条纹向交棱平移b 。现在学习的是第15页，共49页2）测膜厚）测膜厚ise1n2n2ios1）干涉膨胀仪）干涉膨胀仪0l12nNe=l2Nl =现在学习的是第16页，共49页1nn1nLd空气空气 1=ne 3）检验光学元件表面的平整度）检验光学元件表面的平整度2bbe =b b4）测细丝的直径）测细丝的直径bLnd=2b返回现在学习的是第17页，共49页d由一块平板玻璃和一平凸透镜组成由一块平板玻璃和一平凸透镜组成22=nd光程差光程差返回现在学习的是第18页，共49页牛顿环干涉图样牛顿环干涉图样显微镜显微镜SLRrd M半透半透半反镜半反镜T返回现在学习的是第19页，共49页R22222)(ddRdRRr-=-=02ddRRdRr)2(2=22-= d光程差光程差=), 2 , 1 , 0(=jj明纹明纹), 1 , 0(2) 12(=jj暗纹暗纹rdRjr)21( =Rjr) 1( =暗环半径暗环半径明环半径明环半径现在学习的是第20页，共49页 1）从反射光中观测，中心点是暗点还是亮点？从透射）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？光中观测，中心点是暗点还是亮点？2）属于等厚干涉，条纹间距不等，为什么？）属于等厚干涉，条纹间距不等，为什么？3）将牛顿环置于）将牛顿环置于 的液体中，条纹如何变？的液体中，条纹如何变？1n), 2 , 1 , 0(=j暗环半径暗环半径明环半径明环半径), 3 , 2 , 1(=jRjr)21( =jRr =讨讨论论现在学习的是第21页，共49页2n3n321nnn1nnn半波损失需具体问题具体分析半波损失需具体问题具体分析现在学习的是第22页，共49页RrjRrj=2Rmjrmj)(2=mrrRjmj22-=r2应用应用现在学习的是第23页，共49页返回压压压压环外扩：要打磨中央部分环外扩：要打磨中央部分环内缩：要打磨边缘部分环内缩：要打磨边缘部分现在学习的是第24页，共49页 当光线垂直入射时当光线垂直入射时 0=i222r=dn2r2dn=1n1n2n1n3n2n12nn 当当 时时123nnn当当 时时三、等厚干涉特例：厚度均匀的薄膜，垂直入射三、等厚干涉特例：厚度均匀的薄膜，垂直入射返回现在学习的是第25页，共49页单层增透膜只能使个别波长的反射光达到极小,对于其它波长相近的反射光也有不同程度的减弱,至于控制哪一波长的反射光达到极小,视实际需要而定,对于助视光学仪器或照相机,一般选择可见光的中部波长为550nm的黄绿色光的反射光达到极小，因此，增透膜中呈现出与它互补的蓝紫色。照相机镜头有一层蓝紫色就是增透膜。实际有时提出相反的需要,即尽量降低透射率,提高反射率。 薄膜颜色薄膜颜色增透膜和增反膜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利用薄膜干涉可以提高光学器件的透光率 .返回现在学习的是第26页，共49页 薄膜颜色薄膜颜色膜厚的精密测量膜厚的精密测量 干涉比色法测膜厚 预制一系列敷有不同已知厚度的透明膜 将待测膜在相同条件下所呈现的颜色与样板做对比判断其厚度 准确度高达10nm2 3SiO2Si23nn d1n2n返回现在学习的是第27页，共49页等倾干涉条纹实验装置等倾干涉条纹实验装置二、等倾干涉二、等倾干涉Fringes of Equal Inclinationind cos2=现在学习的是第28页，共49页P点到屏幕中心O点的距离只取决于倾角。具有相同倾角的反射线排列在一圆锥面上，它们到幕上的交点的轨迹将是以O为圆心的同心圆环ind cos2=现在学习的是第29页，共49页1.愈靠近中心点愈靠近中心点O O，条纹对，条纹对应的应的倾角越小倾角越小，光程差光程差越大越大，从而，从而条纹级数越条纹级数越高高，也即，也即半径越小的条半径越小的条纹对应的级数越高纹对应的级数越高OCjind=cos2现在学习的是第30页，共49页jjjjiirrr-=11又，当倾角较小时：第j级亮纹：2)21(cos= jindj221) 1(cos1=jindj第j1级亮纹：ndiijj2)cos(cos1=-)(sin)()cos(coscos111jjjjjiijjiiiiidiidiij-=-=jjjindrrrsin21-=-=2. 干涉条纹的干涉条纹的位置位置与与间距间距：（半波损失）：（半波损失）OCjijr干涉条纹的干涉条纹的间距间距：现在学习的是第31页，共49页jjjindrrrsin21-=-= 中心条纹稀疏，离中心远的地方条纹较密 较厚的薄膜产生地等倾条纹较密3.当膜厚发生连续变化时，中心点的级数随之改变。若厚度连续增大，中心冒出新的条纹。条纹数目的改变量反映出薄膜厚度的改变量，由 知：当d每增加/2n时，中心冒出一个条纹。jind=cos2现在学习的是第32页，共49页4.用扩展光源观察等倾干涉条纹等倾干涉条纹现在学习的是第33页，共49页（6）当d连续增厚时，中心冒出新条纹，条纹向外扩展，同时干涉（5）中部条纹疏，边缘条纹密（1） 光源为面积较大的扩展光源（3） 形状：同心圆环，条纹上各点对应倾角相等。（4）中部条纹级次高，边缘级次低 等倾干涉装置与条纹的特点：场条纹变密，当d每增加/2n时，中心冒出一个条纹。（2） 产生等倾条纹的薄膜厚度均匀，厚度d越大，条纹越密集 （亮纹） （暗纹）jind=cos2)21(cos2=jind现在学习的是第34页，共49页单色光源单色光源21MM 反反射射镜镜 2M反射镜反射镜1M21M,M与与 成成 角角04521/GG2G补偿板补偿板 分光板分光板 1G 移动导轨移动导轨1M单色光可无需补偿板现在学习的是第35页，共49页迈克耳孙迈克耳孙- -莫雷实验莫雷实验结果：所有惯性系中真空中光速结果：所有惯性系中真空中光速各向同性各向同性 c c绝对坐标系绝对坐标系中的光速中的光速沿地球运动方向沿地球运动方向 垂直地球运动方向垂直地球运动方向uc 22uc c cuuc uc -22uc 理论上，实验装置旋转理论上，实验装置旋转9090o o，应应当能观察到干涉条纹将有当能观察到干涉条纹将有0.40.4个个条纹宽度的移动，但是实验发条纹宽度的移动，但是实验发现干涉条纹没有移动现干涉条纹没有移动“零零”的结果的结果！物理学天空的乌云物理学天空的乌云!迈克尔逊迈克尔逊干涉仪干涉仪现在学习的是第36页，共49页设计精巧，用途广泛，不少其它干涉仪都是由此派生，是许多近代干涉仪的原型。迈克耳逊最早是为了研究光速问题而精心设计了上述装置,它是一种分振幅装置，与薄膜干涉相比，迈氏干涉仪的特点是：光源、M1、M2和接收器各据一方,在空间完全分开,便于在光路中安插其它器件。可观察到相当于薄膜干涉的许多现象：等倾条纹，等厚条纹以及条纹各种变动情况, 可方便地进行各种精密检测。迈克耳逊迈克耳逊因发明干涉仪和对光速的测量而获得1907年诺贝耳物理学奖金。现在学习的是第37页，共49页反反射射镜镜 2M21MM 反射镜反射镜1M单色光源单色光源1G2G光程差光程差d2= 的像的像2M2Md现在学习的是第38页，共49页当当 不垂直于不垂直于 时，可形成劈尖时，可形成劈尖型等厚干涉条纹型等厚干涉条纹.1M2M反反射射镜镜 2M反射镜反射镜1M1G2G单色光源单色光源2M现在学习的是第39页，共49页迈克尔逊干涉条纹等倾干涉条纹等厚干涉条纹1M2M1M2M1M2M1M2M1M2M1M2M1M2M1M2M1M2M1M2M圆环向中心收缩，看似被吞没，干涉环变粗而稀疏圆环从中心冒出，干涉环变细而密集现在学习的是第40页，共49页 当当 与与 之间之间距离变大时距离变大时 ，圆形干涉，圆形干涉条纹从中心一个个长出条纹从中心一个个长出, 并向外扩张并向外扩张, 干涉条纹干涉条纹变密变密; 距离变小时，圆距离变小时，圆形干涉条纹一个个向中形干涉条纹一个个向中心缩进心缩进, 干涉条纹变稀干涉条纹变稀 .2M1M光程差光程差d2=现在学习的是第41页，共49页当当 与与 之间距离变大时之间距离变大时 ，干涉条纹朝着，干涉条纹朝着它们交线的方向平移，条纹间距不变；它们交线的方向平移，条纹间距不变；当当 与与 之间距离变小时，干涉条纹朝着之间距离变小时，干涉条纹朝着背离它们交线的方向平移，条纹间距不变。背离它们交线的方向平移，条纹间距不变。另外，若是另外，若是 与与 之间的角度变化，干涉条之间的角度变化，干涉条纹移动，且间距改变。纹移动，且间距改变。2M1M1M2M1M2M现在学习的是第42页，共49页1G2Gd2M2M1M干涉干涉条纹条纹移动移动数目数目迈克尔孙干涉仪的主要特点迈克尔孙干涉仪的主要特点 两相干光束在空间完全分开，并可用移动反射镜或在两相干光束在空间完全分开，并可用移动反射镜或在光路中加入介质片的方法改变两光束的光程差光路中加入介质片的方法改变两光束的光程差.移移动动距距离离1Md2kd=移动反射镜移动反射镜光程差光程差d2=现在学习的是第43页，共49页1G2Gd2M1M2Mtnd) 1(22-=插入介质片后光程差插入介质片后光程差光程差变化光程差变化tn) 1(2-=-ktn=- )1(2干涉条纹移动数目干涉条纹移动数目21-=nkt介质片厚度介质片厚度tn光程差光程差d2=现在学习的是第44页，共49页S1M2MAB例例:在迈克耳逊干涉仪的两臂中分别引入在迈克耳逊干涉仪的两臂中分别引入 10 厘米长的玻厘米长的玻璃管璃管 A、B ，其中一个抽成真空，另一个在充以一个大其中一个抽成真空，另一个在充以一个大气压空气的过程中观察到气压空气的过程中观察到107.2 条条纹移动，所用波长条条纹移动，所用波长为为546nm。求空气的折射率？求空气的折射率？现在学习的是第45页，共49页)(1222- -= =- -= =nllnl 解：设空气的折射率为解：设空气的折射率为 n相邻条纹或说条纹移动一条时，对应光相邻条纹或说条纹移动一条时，对应光程差的变化为一个波长，当观察到程差的变化为一个波长，当观察到107.2 条移过时，光程差的改变量满足：条移过时，光程差的改变量满足： = =- -2 .107) 1(2 nl00029271122107.= = = =ln 迈克耳逊干涉仪的两臂中迈克耳逊干涉仪的两臂中便于插放待测样品，由条便于插放待测样品，由条纹的变化测量有关参数。纹的变化测量有关参数。精度高精度高。S1M2MAB现在学习的是第46页，共49页)(M1),(M2)(M1)(M1)(M2)(M1)(M2补偿板的作用补偿板的作用由于色散n( )，不同波长有不同的光程，不同波长对应有不同方位的交线，即出现多条暗条纹补偿板让M2光路多经历两次玻璃中的行程，补偿了色散，使得不同波长零程差位置即交线位置在观察方向上一致，即只出现一条暗条纹现在学习的是第47页，共49页迈克尔逊干涉仪的应用 用于精密测长 用于研究光速 傅立叶变换光谱仪现在学习的是第48页，共49页2M1M1G2G2MlAB2= Nl12I光电计数以光波长为尺度去计量空间长度干涉测长原理示意图现在学习的是第49页，共49页