物理光的干涉 (2)幻灯片.ppt
物理光的干涉第1页，共71页，编辑于2022年，星期一牛顿的微粒说：牛顿的微粒说：光是由光源发出的微粒流。惠更斯的波动说：惠更斯的波动说：光是一种光是一种波动。波动。1801年，英国物理学家托马斯年，英国物理学家托马斯杨首先利用双缝实验观察到杨首先利用双缝实验观察到了光的干涉条纹，从实验上证了光的干涉条纹，从实验上证实了光的波动性。实了光的波动性。1865年，英国物理学家麦克年，英国物理学家麦克斯韦从他的电磁场理论预言斯韦从他的电磁场理论预言了电磁波的存在，并认为光了电磁波的存在，并认为光就是一种就是一种电磁波电磁波。第2页，共71页，编辑于2022年，星期一14.1.1 光的电磁理论光的电磁理论电电磁波磁波谱谱 可见光的波长范围 390 nm 760 nm 14.1 光的电磁理论 光的相干性第3页，共71页，编辑于2022年，星期一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：第4页，共71页，编辑于2022年，星期一普通光源普通光源：普通光源的发光机制普通光源的发光机制：14.1.2 普通光源的发光机理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处在基态的电子处在基态的电子处在激发态的电子处在激发态的电子原子模型原子模型第5页，共71页，编辑于2022年，星期一P21普通光源的发光机制普通光源的发光机制原子能级及发光跃迁原子能级及发光跃迁基态基态激激发发态态跃迁跃迁自发辐射自发辐射波列波列长L随机性：随机性：间歇性：间歇性：间歇性：间歇性：各原子发光是断断续各原子发光是断断续续的，平均发光时间续的，平均发光时间 t t 约为约为1010-8-8 s s，所发出的是一段长为，所发出的是一段长为 L L L L=c c c c t t t t 的光波列。的光波列。每次发光是随机的，所发出各波列的振动方向每次发光是随机的，所发出各波列的振动方向和振动初相位都不相同。和振动初相位都不相同。第6页，共71页，编辑于2022年，星期一独立独立(不同原子发的光不同原子发的光)两独立光源发出的两束光不产生干涉现象两独立光源发出的两束光不产生干涉现象把同一波列同一波列设法分成两部分两部分所获得的两列光波才是相干相干光光如何获得相干光？如何获得相干光？复制相干光独立独立(同一原子先后发的光同一原子先后发的光)tS第7页，共71页，编辑于2022年，星期一获取相干光的方法之一：分波阵面波阵面法利用普通光源获得相干光的基本原理：利用普通光源获得相干光的基本原理：把由光源上同一点发的光分为两部分，然后再使这两部分叠加起来由于这两部分光的相应部分实际上都是来自同一发光原子的同一次发光，因而满足相干条件而成为相干光。p *分波阵面法分波阵面法s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第8页，共71页，编辑于2022年，星期一获取相干光的方法之二：分振幅振幅法扩展光源的干涉：两条光线是从同一条入射线分出来的，所以它们一定是相干光光的能流与其振幅平方成正比，所以这种干涉称为分振幅干涉分振幅干涉第9页，共71页，编辑于2022年，星期一同频率、同振动方向两列光波14.1.3 光波叠加和相干光波叠加和相干第10页，共71页，编辑于2022年，星期一P点的光强度点的光强度I：第11页，共71页，编辑于2022年，星期一P点的光强度点的光强度I：平均光强：平均光强：（1）非相干光第12页，共71页，编辑于2022年，星期一（2）相干光）相干光平均光强：平均光强：(k k=0,1,2,3)=0,1,2,3)(k k=0,1,2,3)=0,1,2,3)P点光强度：干涉相长（亮）干涉相长（亮）干涉相消（暗）干涉相消（暗）第13页，共71页，编辑于2022年，星期一IImaxImino 2-2 4-4 Io 2-2 4-4 4I1第14页，共71页，编辑于2022年，星期一14.1.4 光程光程 光程差光程差相相干干光光源源相相干干光光源源相干光在相遇点相干光在相遇点 P 叠加的合振动强度取决于两分振动的叠加的合振动强度取决于两分振动的相位差相位差如何简化？如何简化？第15页，共71页，编辑于2022年，星期一思路：思路：设法将光在介质中传播的距离折合成光在真空中设法将光在介质中传播的距离折合成光在真空中的距离，的距离，折合原则：在引起光波相位改变上等效。折合原则：在引起光波相位改变上等效。介质中介质中 x 距离内波数：距离内波数：真空中同样波数占据的距离真空中同样波数占据的距离介质折射率介质折射率l l x真空真空介质介质？结论：结论：光在折射率为光在折射率为 n 的介质中前进的介质中前进 x 距离引起的相位改变与在真距离引起的相位改变与在真空中前进空中前进 nx 距离引起的相位改变相同距离引起的相位改变相同.第16页，共71页，编辑于2022年，星期一定义：定义：等效真空程等效真空程S1S2r1r2n1n2P光程差：等效真空程之差光程差：等效真空程之差光程差引起的相位差：光程差引起的相位差：统一为：统一为：光程差光程差真空中波长真空中波长第17页，共71页，编辑于2022年，星期一第18页，共71页，编辑于2022年，星期一2.理想透镜不产生附加光程差第19页，共71页，编辑于2022年，星期一实实 验验 装装 置置p14.2.1 杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉光程差光程差14.2 杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验第20页，共71页，编辑于2022年，星期一实实 验验 装装 置置p加强加强 减弱减弱第21页，共71页，编辑于2022年，星期一暗纹暗纹 明纹明纹p第22页，共71页，编辑于2022年，星期一讨论讨论条纹间距条纹间距 明暗明暗条纹的位置条纹的位置白光白光照射时，出现照射时，出现彩色彩色条纹条纹暗纹暗纹明纹明纹1）条纹间距条纹间距 与与 的关系的关系 ;若若 变化变化 ，则，则 将怎样变化？将怎样变化？一定时，一定时，第23页，共71页，编辑于2022年，星期一 一定时，若一定时，若 变化，则变化，则 将怎样变化？将怎样变化？1）讨论讨论条纹间距条纹间距 第24页，共71页，编辑于2022年，星期一12340(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红、橙橙、黄黄、绿绿、青青、蓝蓝、紫紫频率递增，波长递减第25页，共71页，编辑于2022年，星期一2）条纹间距条纹间距 与与 的关系如何？的关系如何？一定时，一定时，第26页，共71页，编辑于2022年，星期一 例例1 以单色光照射到相距为以单色光照射到相距为0.2mm的双缝上的双缝上,双缝与双缝与屏幕的垂直距离为屏幕的垂直距离为1m.(1)从第一级明从第一级明 纹纹 到同侧到同侧 的第四级明的第四级明 纹的距离为纹的距离为7.5mm,求单色光的波长求单色光的波长;(2)若入射光的波长为若入射光的波长为600nm,求相邻两明纹间的距离求相邻两明纹间的距离.解解 （1）（2）第27页，共71页，编辑于2022年，星期一例：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。利用光的干涉可以测量与光波波长同数量级的长度PS1S20123解：解：第28页，共71页，编辑于2022年，星期一1 菲涅耳双镜菲涅耳双镜14.2.2 其他分波阵面干涉其他分波阵面干涉第29页，共71页，编辑于2022年，星期一2 劳埃德镜劳埃德镜 半波损失半波损失：光从光速较大的介质射向光速较小：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跃变了的介质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，相当于反射光与入射光之间附加了半个波长的波程差，称为半波损失称为半波损失.PML第30页，共71页，编辑于2022年，星期一日常生活中常见的彩色肥皂泡日常生活中常见的彩色肥皂泡水面油层上的彩色条纹水面油层上的彩色条纹昆虫翅膀上的彩色昆虫翅膀上的彩色防晒霜防晒霜薄膜：薄膜：均匀的透明介质薄层均匀的透明介质薄层常见薄膜：常见薄膜：空气膜、介质膜空气膜、介质膜14.3 分振幅干涉分振幅干涉 薄膜干涉与等倾干涉薄膜干涉与等倾干涉第31页，共71页，编辑于2022年，星期一 我们假设一条光线入射到一厚我们假设一条光线入射到一厚度为度为 e 的均匀薄膜上，如下图所示：的均匀薄膜上，如下图所示：2,3两束光的相干光的两束光的相干光的光程差光程差为为：ASeBCPLi123D14.3.1 薄膜干涉概述薄膜干涉概述第32页，共71页，编辑于2022年，星期一由折射定律：由折射定律：故：故：用入射角表示用入射角表示：ASeBCPLi123D第33页，共71页，编辑于2022年，星期一实验告诉我们实验告诉我们：1 1）对于在表面上的一次反射情况：由光疏介质进入光密）对于在表面上的一次反射情况：由光疏介质进入光密介质介质(n(n1 1nnn2 2)没有相位突变。没有相位突变。考虑半波损失的光程差考虑半波损失的光程差第34页，共71页，编辑于2022年，星期一2）对于光线经薄膜上下表面反射的情况：）对于光线经薄膜上下表面反射的情况：n n1 1nn2 2nn3 3或或n n1 1nn2 2nnn2 2nn3 3或或n n1 1nnn3 3时，折射率呈夹心型分布，则有附时，折射率呈夹心型分布，则有附加相位差加相位差.此时对于所选相干光束，薄膜上下界面的半波损失导致两光束光程差相此时对于所选相干光束，薄膜上下界面的半波损失导致两光束光程差相差半个波长差半个波长第36页，共71页，编辑于2022年，星期一综合综合1)1)、2)2)，我们将薄膜干涉公式修正为，我们将薄膜干涉公式修正为：阶梯型分布阶梯型分布夹心型分布夹心型分布第37页，共71页，编辑于2022年，星期一透射光的干涉透射光的干涉事实上，透射光也能产生干涉，事实上，透射光也能产生干涉，考虑光束考虑光束1、2 产生干涉产生干涉,则则光程差表示为光程差表示为与薄膜上表面的光束与薄膜上表面的光束2、3的光程差公式相差一个半波长，的光程差公式相差一个半波长，说明：说明：反射光干涉相长时透射光干涉相消，反之亦然。反射光干涉相长时透射光干涉相消，反之亦然。第38页，共71页，编辑于2022年，星期一 如果如果e e 处处相等，则处处相等，则主要随入射光的入射角主要随入射光的入射角i i的不的不同而变化。这类干涉叫同而变化。这类干涉叫等倾干涉等倾干涉。如果入射角度保持不变，那么如果入射角度保持不变，那么主要随薄膜厚度主要随薄膜厚度e e 的不同而变化。这类干涉叫的不同而变化。这类干涉叫等厚干涉等厚干涉。三、薄膜干涉分类三、薄膜干涉分类第39页，共71页，编辑于2022年，星期一14.3.2 等厚干涉等厚干涉 当当i i保持不变时，光程差仅与保持不变时，光程差仅与膜的厚度有关，凡厚度相同的地方膜的厚度有关，凡厚度相同的地方光程差相同，从而对应同一条干涉光程差相同，从而对应同一条干涉条纹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。等厚干涉条纹的形状取决于薄膜上厚度相同的点的轨迹。ASeBCPLi123D第40页，共71页，编辑于2022年，星期一1.1.劈尖膜干涉（劈尖膜干涉（interference of wedge）1）实验装置：）实验装置：介质劈尖是一个放在空气中的劈尖形状的介质薄膜，两块介质劈尖是一个放在空气中的劈尖形状的介质薄膜，两块平面玻璃片，一端接触，另一端用一薄片隔开，两玻璃片间形平面玻璃片，一端接触，另一端用一薄片隔开，两玻璃片间形成劈尖状空气层，便是空气劈尖。成劈尖状空气层，便是空气劈尖。第41页，共71页，编辑于2022年，星期一（a）观察劈尖干涉装置）观察劈尖干涉装置（b）干涉条纹）干涉条纹 第42页，共71页，编辑于2022年，星期一第43页，共71页，编辑于2022年，星期一（明纹）（明纹）（暗纹）（暗纹）讨论讨论1 1）劈尖）劈尖为暗纹为暗纹.明纹明纹暗纹暗纹劈尖干涉劈尖干涉第44页，共71页，编辑于2022年，星期一3 3）条纹间距（明纹或暗纹）条纹间距（明纹或暗纹）2 2）相邻明纹（暗纹）间的厚度差）相邻明纹（暗纹）间的厚度差劈尖干涉劈尖干涉第45页，共71页，编辑于2022年，星期一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，当此厚度位置改当此厚度位置改变时，对应的条变时，对应的条纹随之移动纹随之移动.4 4）干涉条纹的移动）干涉条纹的移动第46页，共71页，编辑于2022年，星期一用波长用波长 的单色光垂直入射时的单色光垂直入射时,测得干涉条纹的测得干涉条纹的宽度宽度 ,求：玻璃的折射率。求：玻璃的折射率。例例1 1 有一玻璃劈尖有一玻璃劈尖,放在空气中放在空气中,劈尖夹角劈尖夹角解解第47页，共71页，编辑于2022年，星期一10.7.3 等厚干涉应用等厚干涉应用 （1）测薄膜厚度）测薄膜厚度。测某基板上镀膜厚度，先将其腐蚀为劈尖形，用单色光垂直照射，就可以计算薄膜厚度薄膜基板（2）测细丝直径）测细丝直径LD第48页，共71页，编辑于2022年，星期一（3）检查光学元件表面质量）检查光学元件表面质量B有凹坑B有凸坑第49页，共71页，编辑于2022年，星期一2.2.牛顿环牛顿环 （Newtons rings）1）实验装置）实验装置：在一块光学平面玻璃片上，放一曲率半径在一块光学平面玻璃片上，放一曲率半径 R很大的很大的平凸透镜，在其间形成一劈尖形空气薄层的装置。平凸透镜，在其间形成一劈尖形空气薄层的装置。第50页，共71页，编辑于2022年，星期一第51页，共71页，编辑于2022年，星期一2.光程差光程差明纹：明纹：暗纹：暗纹：3.明暗纹条件明暗纹条件第52页，共71页，编辑于2022年，星期一明环半径：明环半径：暗环半径：暗环半径：第53页，共71页，编辑于2022年，星期一3.干涉条纹的特点：干涉条纹的特点：等厚干涉条纹每级明或暗纹都与一定的膜厚相对应，等厚干涉条纹每级明或暗纹都与一定的膜厚相对应，条纹是一组以接触点为中心的条纹是一组以接触点为中心的不等间距的（内环疏，外环不等间距的（内环疏，外环密）密）明暗相间的同心圆环，明暗相间的同心圆环，k越大，越大，r则越大。则越大。（1）条纹形状）条纹形状明环半径：明环半径：暗环半径：暗环半径：第54页，共71页，编辑于2022年，星期一（2）接触点）接触点在接触处，在接触处，e=0e=0，则，则=/2=/2出现出现暗斑。暗斑。（夹心型）（夹心型）如如n n1 1nn2 2nn3 3或或n n1 1nn2 2nn3 3时时e=0e=0，=2en=2en2 2=0,=0,则则接触处接触处会出现会出现亮斑亮斑。（3 3）牛顿环的牛顿环的平凸透镜向上平移平凸透镜向上平移，内空气薄膜变厚，原，内空气薄膜变厚，原来第来第 k k 级处就变为级处就变为 k+k k+k级级。于是。于是条纹向中心收缩条纹向中心收缩，反过来反过来薄膜变薄，则条纹向外扩张。薄膜变薄，则条纹向外扩张。第55页，共71页，编辑于2022年，星期一第56页，共71页，编辑于2022年，星期一（4）实验中测出实验中测出暗环的第暗环的第m级半径级半径 rm，以，以及第及第n级半级半径径 rn，则可求出，则可求出R：（5）若若白光入射白光入射，便可得到，便可得到彩色条纹彩色条纹，在高级次出，在高级次出现重迭。现重迭。第57页，共71页，编辑于2022年，星期一（6）若在平凸镜和平板玻璃之间充满折射率为若在平凸镜和平板玻璃之间充满折射率为n的某中透的某中透明液体，则明液体，则明环半径：明环半径：暗环半径：暗环半径：第58页，共71页，编辑于2022年，星期一14.3.3 薄膜的等倾干涉第59页，共71页，编辑于2022年，星期一1）2）等倾干涉条纹是一系列）等倾干涉条纹是一系列外密内稀的同心圆环外密内稀的同心圆环。3）当入射角一定时，当入射角一定时，反射光的干涉得明纹，则透射反射光的干涉得明纹，则透射光的干涉必得暗纹光的干涉必得暗纹反之亦然。反之亦然。1.讨论讨论第60页，共71页，编辑于2022年，星期一2.2.增透膜和增反膜增透膜和增反膜反射光光程差：反射光光程差：反射相消，增透反射相消，增透反射相长，增反反射相长，增反阶梯型阶梯型夹心型夹心型en第61页，共71页，编辑于2022年，星期一取取（增强增强）氟化镁为增透膜氟化镁为增透膜例例 为了增加透射率为了增加透射率,求氟化镁膜的求氟化镁膜的 最小厚度。最小厚度。已知已知 空气空气氟化镁氟化镁 ,减弱减弱解解 则则23玻璃玻璃第62页，共71页，编辑于2022年，星期一单单色色光光源源反反射射镜镜反射镜反射镜14.4 14.4 迈克耳孙干涉仪迈克耳孙干涉仪与与 成成 角角补偿板补偿板 分光板分光板 移动导轨移动导轨第63页，共71页，编辑于2022年，星期一反反射射镜镜反射镜反射镜单单色色光光源源 的像的像第64页，共71页，编辑于2022年，星期一当当 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.反反射射镜镜反射镜反射镜单单色色光光源源第65页，共71页，编辑于2022年，星期一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性迈克尔孙干涉仪的主要特性 两相干光束在空间完全分开，并可用移动反射镜或在光路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.移移动动距距离离移动反射镜移动反射镜第66页，共71页，编辑于2022年，星期一光程差变化光程差变化干涉条纹移动数目干涉条纹移动数目介质片厚度介质片厚度第67页，共71页，编辑于2022年，星期一第68页，共71页，编辑于2022年，星期一空间相干性的概念光源宽度对干涉条纹对比度的影响设光源宽度为设光源宽度为b bRDI非非相相干干叠叠加加+1L0N0M0Lb/2d/2LMNS1S2xI合成光强合成光强0N x+1L0M0L-1N=D/d/d10.5 空间相干性（选讲）空间相干性（选讲）当N光对应的第0级亮纹与L对应的第1级亮纹重合时，条纹就亮成一片，干涉条纹消失把它视为许多平行于双缝的线光源组成每一条线光源都会形每一条线光源都会形成一套自己的双缝干成一套自己的双缝干涉图样涉图样第69页，共71页，编辑于2022年，星期一设光源宽度为b,讨论当干涉条纹刚好消失时的宽度R0N0MDI非非相相干干叠叠加加+1L0Lb/2d/2LMNS1S2相减：当N光对应的第0级亮纹与L对应的第1级亮纹重合时，条纹就亮成一片，干涉条纹消失第70页，共71页，编辑于2022年，星期一从另一角度看，从另一角度看，相干间隔相干间隔条纹刚消失时有：条纹刚消失时有：即即 才能看到干涉条纹。才能看到干涉条纹。对激光光源，对激光光源，因光束输出截面上各点发的光因光束输出截面上各点发的光都是相干的，所以光源宽度不受以上限制。都是相干的，所以光源宽度不受以上限制。光场的空间相干性第71页，共71页，编辑于2022年，星期一
