第十二章-光学1-干涉ppt课件.ppt

几何光学几何光学：以光的直线传播规律为基础研：以光的直线传播规律为基础研究各种光学仪器的理论。究各种光学仪器的理论。波动光学波动光学：研究光的电磁性质和传播规律，：研究光的电磁性质和传播规律，特别是干涉、衍射、偏振的理论和应用。特别是干涉、衍射、偏振的理论和应用。(波动性）波动性）波动光学和量子光学，统称为物理光学。波动光学和量子光学，统称为物理光学。量子光学量子光学：以光的量子理论为基础，研究光：以光的量子理论为基础，研究光与物质相互作用的规律。（粒子性）与物质相互作用的规律。（粒子性）第十二章第十二章 光学光学12-2 光源光源 单色光单色光 相干光相干光12-3 双缝干涉双缝干涉12-4 光程与光程差光程与光程差12-5 薄膜干涉薄膜干涉一、光的电磁波本质：一、光的电磁波本质：1、光速和折射率、光速和折射率真空中真空中介质中介质中=2.99792458108ms-1折射率折射率光在介质中光在介质中频率不变频率不变ucn=rrem=001em=cn=u2 2、光强、光强SEH二、光源二、光源光源：光源：发光的物体发光的物体类型：类型：普通光源普通光源(自发辐射自发辐射)激光光源激光光源(受激辐射受激辐射)热（辐射）光源热（辐射）光源白炽灯、弧光灯、太阳白炽灯、弧光灯、太阳非热辐射光源（冷光源）非热辐射光源（冷光源）气体放电管、日光灯、萤火虫气体放电管、日光灯、萤火虫原子发光原子发光原子光波列：原子光波列：激发态寿命激发态寿命10-1110-8 s自发辐射自发辐射一定频率、振动方向，长度有一定频率、振动方向，长度有限的光波列限的光波列原子的发光模型原子的发光模型E1E2基态基态激发态激发态能级能级原子光波列原子光波列普通光源发光：普通光源发光：大量原子和分子持续、随机地发大量原子和分子持续、随机地发射的光波列射的光波列两个特点：两个特点：间歇性、间歇性、随机性随机性激光光源：激光光源：受激辐射受激辐射=(E2-E1)/hE1E2 完全一样完全一样(频率、相位、频率、相位、振动方向振动方向)激光光源发光激光光源发光(受激辐射受激辐射)三、单色光三、单色光：谱线宽度谱线宽度有限长的单色波列有限长的单色波列单色光：单色光：或或普通单色光源：普通单色光源：激光：激光：四、相干光四、相干光两同频单色光的叠加两同频单色光的叠加光波中的电场矢量光波中的电场矢量称为称为光矢量光矢量。非相干非相干叠加叠加对于普通光源发出的光对于普通光源发出的光如果如果即两个光源发出的光之间具有确定的相位差，则即两个光源发出的光之间具有确定的相位差，则把这两个光源称为把这两个光源称为相干光源相干光源，它们所发出的就是，它们所发出的就是相干光相干光。相干相干叠加叠加平均平均光强光强：相干条件相干条件：振动方向相同，频率相同，具有确定振动方向相同，频率相同，具有确定的相位差。的相位差。当当两束两束相干光在空间任一点相遇时，它们之间的相相干光在空间任一点相遇时，它们之间的相位差位差 随空间位置不同而连续变化，从而在不同位置随空间位置不同而连续变化，从而在不同位置上出现光强的强弱分布，这种现象就是上出现光强的强弱分布，这种现象就是光的干涉光的干涉现象。现象。干涉相长（明）干涉相长（明）(k=0,1,2,3)干涉相消（暗）干涉相消（暗）(k=0,1,2,3)ImaxIminI2p4p-2p-4p0I2p4p-2p-4p0若若干涉的光强分布干涉的光强分布 PS*分振幅法：分振幅法：P薄膜薄膜S*两束相干两束相干光在光在P 点点相干叠加相干叠加分波面法：分波面法：五、相干光的获得方法五、相干光的获得方法两个独立的普通光源很难满足相干条件。两个独立的普通光源很难满足相干条件。第十二章第十二章 光学光学12-2 光源光源 单色光单色光 相干光相干光12-3 双缝干涉双缝干涉12-4 光程与光程差光程与光程差12-5 薄膜干涉薄膜干涉一、杨氏双缝实验一、杨氏双缝实验一般要求：一般要求：Dd,Dx波阵面波阵面分割分割相干光相干光托马斯托马斯杨杨EFS S1 1和和S S2 2是光源是光源 S S的子波的子波EFEF是接收屏是接收屏SS1S2*分波阵面法分波阵面法干涉问题要分析：干涉问题要分析：(1)相干光相干光?(2)波程差波程差(光程差光程差)计算计算(3)条纹特点条纹特点(形状、位置、形状、位置、分布、条数、移动等分布、条数、移动等)(4)光强公式、光强曲线光强公式、光强曲线二、干涉明暗条纹的位置二、干涉明暗条纹的位置波程差：波程差：明纹明纹 暗纹暗纹（k=0，1，2，）条纹间距条纹间距（1）平行的明暗相间条纹）平行的明暗相间条纹（3）中间级次低）中间级次低（4）条纹特点：条纹特点：（2）条纹等间距）条纹等间距xI0 x+1x+2x-1x-2明纹明纹 暗纹暗纹（k=0，1，2，）条纹间距条纹间距D d x=0级亮纹级亮纹+1级级+2级级-1级级-2级级 x观察屏观察屏暗纹暗纹单色光入射时双缝干涉的条纹单色光入射时双缝干涉的条纹形状：形状：明暗相间的直条纹明暗相间的直条纹(平行于缝平行于缝)分布：分布：条纹均匀条纹均匀分布分布可由此测可由此测。级次级次：中间条纹中间条纹级次级次低。低。某条纹级次某条纹级次=该条纹相应该条纹相应的的之值之值r2-r1 中央明纹中央明纹-1级级-2级级 x观察屏观察屏1级级2级级 x白光入射时双缝干涉的条纹白光入射时双缝干涉的条纹白光入射：白光入射：0级明纹为白色级明纹为白色(可可用来定用来定0级位置级位置)，其余明纹为彩色条纹其余明纹为彩色条纹(x )。双缝干涉条纹照片双缝干涉条纹照片思考：第思考：第2级条纹开始可能出现重叠级条纹开始可能出现重叠为什么为什么?白光白光 干涉花样干涉花样*条纹间距条纹间距相等相等D和和 不变不变,x与缝距与缝距d成反比。成反比。dEFDdEFDD和和d不变不变,x与波长成与波长成正比。正比。xDkkxxx-=D+1()dDkdDk-+=1dD=双峰干涉双峰干涉演示实验演示实验三、光强公式三、光强公式光强曲线光强曲线1光强公式光强公式由由I=I1+I2+2(I1I2)1/2cos 若若I1=I2=I0，则有则有I=4I0cos2()2其中其中 =()d sin 2 *合成的最大光强是原光强的合成的最大光强是原光强的4 4倍。倍。Ixd4I002042IIAIAA=QReview:干涉明暗条纹的位置干涉明暗条纹的位置波程差：波程差：明纹明纹 暗纹暗纹（k=0，1，2，）条纹间距条纹间距四、洛埃德镜实验四、洛埃德镜实验S1：实光源，：实光源，S2：虚光源：虚光源MN：平面反射镜：平面反射镜阴影部分出现干涉阴影部分出现干涉接触点接触点:暗条纹暗条纹反射光存在反射光存在半波损失。半波损失。半波损失：半波损失：光从光疏媒质到光密媒质的分界面上反射光从光疏媒质到光密媒质的分界面上反射时，在垂直入射（时，在垂直入射（i=0）或掠入射（）或掠入射（i=90）的）的情况情况下，反射光的相位与入射光的相位有下，反射光的相位与入射光的相位有 的突变的突变。例例1 杨氏双缝的间距为杨氏双缝的间距为0.2mm，距离屏幕为距离屏幕为1m。（1）若第一到第四明纹距离为若第一到第四明纹距离为7.5mm，求入射光波长。求入射光波长。（2）若入射光的波长为）若入射光的波长为600nm，求相邻两明纹的间距。求相邻两明纹的间距。解：解：第十二章第十二章 光学光学12-2 光源光源 单色光单色光 相干光相干光12-3 双缝干涉双缝干涉12-4 光程与光程差光程与光程差12-5 薄膜干涉薄膜干涉dab(a)光在真空中传光在真空中传播播光在真空中走光在真空中走d长的路长的路 真空中波长真空中波长一一 光程光程dabn媒质媒质(b)光在媒质中传播光在媒质中传播光在媒质中走光在媒质中走d长的路长的路 n媒质中波长光通过媒质时 不变可见可见:光在媒质中走光在媒质中走d 长的路的长的路的相位变化等于在真空中走相位变化等于在真空中走n d 路路的相位变化。的相位变化。cn c n n=u=n(2).(2).光程光程xnx=折射率折射率nXSummary(Summary(1).1).介质中介质中频率不变，波速u、波长波长变小变小n倍倍把介质中的几何路程按相位变化相同折算到真空中把介质中的几何路程按相位变化相同折算到真空中。nx=二、光程差二、光程差相位差和光程差的关系：相位差和光程差的关系：光程差：光程差：例：两相干波源例：两相干波源S1、S2产生相产生相干波叠加干波叠加n1n2l1l21221211ll-lnn()()2l+=dExEx：S1S2r1r2dnp 例：例：在在S2P间插入折射率为间插入折射率为n、厚度为厚度为d的的媒质媒质,求：光由求：光由S1、S2到到P的相位差的相位差 。解：解：S沿平行于屏微微上移沿平行于屏微微上移,干涉纹如何移动干涉纹如何移动?若若0级明级明纹移动纹移动k个纹间距个纹间距,欲使其回到原欲使其回到原o处处,应在哪一个应在哪一个缝后加薄片缝后加薄片(n)?薄片厚度薄片厚度?Xos解解:(1)零级明纹满足零程差要求零级明纹满足零程差要求零级明纹下移零级明纹下移,则整个条纹下移则整个条纹下移.(2)设在下缝设在下缝S2中加薄片中加薄片未加薄片时有未加薄片时有加薄片后有加薄片后有从而有从而有t0,这说明薄片应加在上缝这说明薄片应加在上缝S1中中.练习题：练习题：P204，12-11三、物像之间的等光程性三、物像之间的等光程性光路中插入薄透镜不会产生附加的光程差光路中插入薄透镜不会产生附加的光程差,但透镜可以但透镜可以改变光的传播方向改变光的传播方向（光程相等，波阵面上各点相位相同）。（光程相等，波阵面上各点相位相同）。四、反射光的相位突变和附加光程差四、反射光的相位突变和附加光程差半波损失半波损失：光从光疏媒质到光密媒质的分界面上反：光从光疏媒质到光密媒质的分界面上反射时，反射光有射时，反射光有 相位突变，相位突变，相当于一个附加光程相当于一个附加光程差差：在薄膜上下表面反射的两束在薄膜上下表面反射的两束光发生附加光程差光发生附加光程差/2的条件：的条件：n1 n3 或或 n1 n2n2n3 或n1 n3 或n1n2n2n3反射光反射光无无半波损失。半波损失。2121反射光反射光有有半波损失半波损失。第十二章第十二章 光学光学12-2 光源光源 单色光单色光 相干光相干光12-3 双缝干涉双缝干涉12-4 光程与光程差光程与光程差12-5 薄膜干涉薄膜干涉薄膜干涉有两种条纹薄膜干涉有两种条纹一般情况下薄膜干涉的分析比较复杂一般情况下薄膜干涉的分析比较复杂 (因因 L L和和 d d、i i两因素有关两因素有关)通常只研究两个极端情形通常只研究两个极端情形(只有只有d d在变在变 或只有或只有i i在变在变)，分别对应两种条纹。，分别对应两种条纹。等厚条纹等厚条纹 （对应仅（对应仅d d变的情况变的情况)等倾条纹等倾条纹 (对应仅入射角对应仅入射角i i变的情况变的情况)一、等倾干涉条纹一、等倾干涉条纹光经薄膜上下两表面反射后相互叠加所形成的干光经薄膜上下两表面反射后相互叠加所形成的干涉现象，称为涉现象，称为薄膜干涉薄膜干涉。振幅分割法振幅分割法可分成等倾干涉和等厚干涉两类。可分成等倾干涉和等厚干涉两类。点光源点光源照射到表面平整，照射到表面平整，厚厚度均匀度均匀的薄膜上产生的干涉条纹，的薄膜上产生的干涉条纹，称称等倾干涉条纹。等倾干涉条纹。dn1n1nrBCDiA对于两反射光：对于两反射光：半波损失半波损失dn1n1nrBCDiA明纹明纹暗纹暗纹1.由于薄膜厚度均匀，光程差由入射角由于薄膜厚度均匀，光程差由入射角确定，对于同一级条纹具有相同的倾角，因此确定，对于同一级条纹具有相同的倾角，因此称为称为等倾干涉条纹等倾干涉条纹。3.是否要考虑半波损失看具体情况而定。是否要考虑半波损失看具体情况而定。讨论讨论2.对于对于透射光透射光，与与反射光的干涉条纹形成反射光的干涉条纹形成互补互补。dn1n1nrBCDiASLM观察屏观察屏薄膜薄膜等倾等倾干涉条纹的实验装置干涉条纹的实验装置 条纹特点条纹特点 形状：形状：同心圆环同心圆环条纹间隔分布条纹间隔分布：内疏外密内疏外密条纹级次分布：条纹级次分布：d一定时，一定时，膜厚变化时膜厚变化时，条纹的移动：条纹的移动：k一定时，一定时，中央级次高，边缘级次低中央级次高，边缘级次低条纹由中央冒出条纹由中央冒出等倾干涉等倾干涉二、增透膜和高反射膜二、增透膜和高反射膜若若n n2n3 或n1 n3 或n1n2n2n3反射光反射光无无半波损失。半波损失。2121反射光反射光有有半波损失半波损失。1 1、反射光叠加、反射光叠加2 2、折射光叠加、折射光叠加增反膜增反膜增透膜增透膜增透膜增透膜增反膜增反膜14n1n2n1n2n1e23*分振幅法分振幅法均厚膜干涉均厚膜干涉 （垂直入射）（垂直入射）例例如用白光垂直入射到如用白光垂直入射到空气中厚为空气中厚为320nm的的肥皂膜上肥皂膜上（其折射率（其折射率n1=1.33），），问肥皂膜呈现什么色彩？问肥皂膜呈现什么色彩？解：解：黄光！黄光！取取k=1，2，3代入上式，分别得：代入上式，分别得：红外红外紫外紫外例例平面单色光垂直照射在厚度均匀的油膜上，油膜覆平面单色光垂直照射在厚度均匀的油膜上，油膜覆盖在玻璃板上。所用光源波长可以连续变化，观察到盖在玻璃板上。所用光源波长可以连续变化，观察到500nm与与700nm波长的光在反射中消失。油膜的折射率波长的光在反射中消失。油膜的折射率为为1.30，玻璃折射率为，玻璃折射率为1.50，求油膜的厚度。，求油膜的厚度。解：解：n1n2练习：一油轮漏出的油练习：一油轮漏出的油(n2=1.20)污染了某海域污染了某海域,在海水在海水(n3=1.30)表面形成一层薄的油污表面形成一层薄的油污.如果如果太阳正位于海域上空太阳正位于海域上空,一直升飞机的驾驶员从一直升飞机的驾驶员从机上向下观察机上向下观察,他所正对的油层厚度为他所正对的油层厚度为460nm,则他将观察到油层呈什么颜色则他将观察到油层呈什么颜色?如果一潜水员如果一潜水员潜入该区域水下潜入该区域水下,又将观察到油层呈什么颜色又将观察到油层呈什么颜色?解解:飞机上观察的是反射光条纹飞机上观察的是反射光条纹由于由于n1n2n2nn2 2nn3 3;(B)n;(B)n1 1nn2 2nn3 3;(C)n;(C)n1 1nnn3 3;(D)n;(D)n1 1nn2 2nn2n3（2 2）連续两次产生半波损失，完成一次全波损失，从而可）連续两次产生半波损失，完成一次全波损失，从而可 以不考虑半波损失，如以不考虑半波损失，如(D)n(D)n1 1nn2 2nn3 3。劈尖膜劈尖膜d光程差：光程差：明纹条件明纹条件 暗纹条件暗纹条件v 相邻明（暗）纹的厚度差相邻明（暗）纹的厚度差v 条纹特点条纹特点形状：平行于劈尖棱边的直条纹，条纹间距相等形状：平行于劈尖棱边的直条纹，条纹间距相等条纹级次分布：厚度越大，级次越高；条纹级次分布：厚度越大，级次越高；劈尖处为零级暗纹劈尖处为零级暗纹例例12126 6 用等厚干涉法测细丝的直径用等厚干涉法测细丝的直径d d。取两块表面平整取两块表面平整的玻璃板，左边棱叠合在一起，将待测细丝塞到右棱边间隙处，的玻璃板，左边棱叠合在一起，将待测细丝塞到右棱边间隙处，形成一空气劈尖。用波长为形成一空气劈尖。用波长为 0 0的单色光垂直照射，得等厚干涉的单色光垂直照射，得等厚干涉条纹，测得相邻明纹间距为条纹，测得相邻明纹间距为，玻璃板长玻璃板长L L0 0，求细丝的直径。求细丝的直径。解解：相邻明纹的高度差相邻明纹的高度差dL0例例12127 7用波长为用波长为 的单色光垂直照射折射率为的单色光垂直照射折射率为n n的劈尖薄膜形的劈尖薄膜形成等厚干涉条纹，若测得相邻明条纹的间距为成等厚干涉条纹，若测得相邻明条纹的间距为，则劈尖角，则劈尖角。解：相邻两明纹之间的厚度差为解：相邻两明纹之间的厚度差为相邻两明纹的间距相邻两明纹的间距 与相应厚度差与相应厚度差 e e间存在如下关系间存在如下关系在在 角很角很小时，有小时，有例例12128 8两块平玻璃构成空气劈尖，左边为棱边，用单色平两块平玻璃构成空气劈尖，左边为棱边，用单色平行光垂直入射，若上面的平玻璃慢慢地向上平移，则干涉条纹行光垂直入射，若上面的平玻璃慢慢地向上平移，则干涉条纹（A A）向棱边方向平移，条纹间隔变小，向棱边方向平移，条纹间隔变小，（B B）向棱边方向平移，条纹间隔变大，向棱边方向平移，条纹间隔变大，（C C）向棱边方向平移，条纹间隔不变，向棱边方向平移，条纹间隔不变，（D D）向远离棱边的方向平移，条纹间隔变小。向远离棱边的方向平移，条纹间隔变小。相邻明（暗）纹间的距离相邻明（暗）纹间的距离lPkPkhkhk当平玻璃慢慢向上平移，干涉条纹向棱边方向平移，明纹当平玻璃慢慢向上平移，干涉条纹向棱边方向平移，明纹或暗纹之间的距离是相同的或暗纹之间的距离是相同的答案答案cc牛顿环牛顿环dRrO光程差：光程差：明纹条件明纹条件 暗纹条件暗纹条件牛顿环的半径牛顿环的半径明暗环的半径公式明暗环的半径公式v 条纹特点条纹特点形状：同心圆环形状：同心圆环条纹级次分布：半径越大，级次越高，条纹越密；条纹级次分布：半径越大，级次越高，条纹越密；圆心为零级暗纹圆心为零级暗纹条纹间隔分布：内疏外密条纹间隔分布：内疏外密例例12-912-9图示为一牛顿环装置，设平凸透镜中心恰和平玻璃接触，图示为一牛顿环装置，设平凸透镜中心恰和平玻璃接触，透镜凸表面的曲率半径透镜凸表面的曲率半径R=400cmR=400cm，用某单色平行光垂直入射，观用某单色平行光垂直入射，观察反射光形成的牛顿环，测得第察反射光形成的牛顿环，测得第5 5个明环的半径为个明环的半径为0.30cm,0.30cm,(1)(1)求入射光的波长；求入射光的波长；(2)(2)设图中设图中OA=1.00cm,OA=1.00cm,求在半径为求在半径为OAOA的范围的范围内可观察到的明环数目。内可观察到的明环数目。解：（解：（1 1）明环半径：）明环半径：对于对于 r=1.00cm,故在故在OAOA范围内可观察到的明环数目为范围内可观察到的明环数目为5050个。个。A(2)