基础物理学第7章光的干涉.ppt

第第7章章光的干涉光的干涉5/29/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心7.1 光的相干性光的相干性 光的干涉光的干涉 相干条件相干条件 一、一、光矢量光矢量产生感光和生理作用主要是生感光和生理作用主要是电矢量。矢量。可可见光：光：400760nm光是光是电磁波，磁波，电场强度矢量度矢量称称为光矢量光矢量。二、光的干涉二、光的干涉现象象 满足足条条件件若若干干束束光光波波的的相相遇遇区区域域里里，有有些些点点振振动始始终加加强（亮条亮条纹），有些点振），有些点振动始始终减弱减弱（暗条暗条纹），称），称为干涉干涉现象象。三、相干条件三、相干条件相干条件相干条件2：频率相同光波之率相同光波之间才能才能发生干涉。生干涉。相干条件相干条件3：相位差恒定光波之相位差恒定光波之间才能才能发生干涉。生干涉。相干条件相干条件1：只有平行振只有平行振动分量分量间才能才能发生干涉。生干涉。5/29/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心四、相干四、相干强度度满足相干条件足相干条件时，两相干光光，两相干光光强为 若若干涉极大；干涉极大；（1）干涉极小；干涉极小；（2）（3）为其他其他值时，光光强介于介于0 4I0之之间。相位差相位差5/29/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心S1S2r2r1Pn1n2 光程差光程差 在在折折射射率率n介介质中中传播播几几何路程何路程为r，相位相位变化化为 L=nr 是光程。是光程。S1和和S2发出出光光束束，在在折折射射率率为n1和和n2媒媒质中中传播，在播，在P点相遇。当点相遇。当初相相同初相相同时，相位差，相位差为 称称为光程差光程差。n2 =n1=n 时，5/29/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心（2 2）光光通通过薄薄透透镜时不不产生生附附加的光程差。加的光程差。（1）光程差与相位差关系是）光程差与相位差关系是FacbABCF acbABCFS acSb5/29/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心 获得相干光的方法得相干光的方法分波面法分波面法:杨杨氏双氏双氏双氏双缝缝费费涅涅涅涅尔尔双双双双镜镜劳劳埃埃埃埃镜镜分振幅法分振幅法:补充条件充条件:薄膜干涉薄膜干涉薄膜干涉薄膜干涉劈尖干涉劈尖干涉劈尖干涉劈尖干涉牛牛牛牛顿环顿环振幅相差不能太大；振幅相差不能太大；光程差不能太大。光程差不能太大。S SS S1 1S S2 2a a a aa aa a a a 5/29/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心7.2 分波阵面干涉分波阵面干涉 杨氏双氏双缝干涉干涉 一、一、实验装置装置D Da ax xr r2 2r r1 1o oS S1 1S S2 2P PS SIx05/29/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心二、干涉加二、干涉加强、减弱条件、减弱条件r r2 2D DP Pax xr r1 1o波程差波程差由极由极值条件：条件：（明（明纹）(7.8)（暗（暗纹）(7.10)得到得到5/29/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心三、条三、条纹特征特征（1）明暗相明暗相间直条直条纹对称分布在中央明称分布在中央明纹两两侧。（2）条条纹等等间距（相距（相邻两明两明纹或暗或暗纹之之间）（3）用用白白色色光光源源时，中中央央条条纹为白白色色，其其它它各各级形成彩色条形成彩色条纹分布。分布。5/29/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心 劳埃埃镜实验 实验装置装置实验意意义验证了了半波半波损失失的存在。的存在。S S2 2MML LS S1 1劳埃埃镜5/29/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心 单色色光光照照射射相相距距0.2mm的的双双缝上上，双双缝与与屏屏幕幕的的距距离离为1m。若若一一级明明纹到到同同侧四四级明明纹距距离离为7.5mm，求求单色色光光波波长；若若入射光的波入射光的波长为600nm，求相，求相邻两明两明纹间的距离。的距离。解：（解：（1）由）由（2）当）当 600nm时时，相，相邻邻明明纹间纹间隔是隔是例例7.1 5/29/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心 杨氏氏实验装装置置中中，光光源源波波长 =640nm，两两缝间距距a为0.4mm，光光屏屏离离狭狭缝距距离离为50cm，试求求：两两个个第第三三级明明纹中中间的的距距离离；若若屏屏上上P点点离离中中央央明明纹的的中中心心距距离离x为0.1mm，则从从双双缝发出的两束光出的两束光传到屏上到屏上P点的相位差是多少？点的相位差是多少？解：（解：（1）根据双）根据双缝干涉明干涉明纹位置公式位置公式（2）例例7.25/29/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心解：放置介解：放置介质片后，有片后，有对于于零零级明明纹，=0，其位置其位置应满足足原来零原来零级明明纹位置位置满足足:相相比比之之下下，在在放放置置介介质片片后，零后，零级明明纹应向下移。向下移。在在双双缝实验中中，波波长 单色色光光垂垂直直入入射射，若若在在缝S2与与屏屏之之间放放置置厚厚度度为d、折折射射率率为n的的透透明明介介质薄薄片片，试问原原来来的的零零级明明纹将将如如何何移移动？如如果果观测到到零零级明明纹移移到到了了原原来来的的k级明明纹处，求求该透明介透明介质的厚度的厚度d。放放置置介介质片片前前，原原来来k级明明纹位置位置满足足按按题意有意有 即即okd例例7.35/29/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心7.3 分振幅干涉分振幅干涉 薄膜干涉薄膜干涉肥皂膜干涉肥皂膜干涉肥皂膜干涉肥皂膜干涉白光入射白光入射单色光入射色光入射5/29/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心由折射定律由折射定律 n1sin i=n2sin r考察光源考察光源发出任一光出任一光线 i i er rABCn1n2n1PSLD5/29/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心干涉极干涉极值条件是：条件是：（1）对厚厚度度均均匀匀的的薄薄膜膜，e 一一定定，同同一一条条干干涉涉条条纹上上各各点点对应入入射射线的的入入射射角角相相同同，称称为等等倾干涉干涉。垂直入射垂直入射时：（：（i=0）5/29/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心观察等察等倾条条纹的的实验装置和光路装置和光路in MLS f屏幕屏幕条条纹变化化等等倾条条纹5/29/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心式中式中 /2 依情况而定。依情况而定。（2）半波半波损失失视折射率分布而定折射率分布而定考考虑半波半波损失。失。不考不考虑半波半波损失。失。当当当当e2n3ni1n5/29/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心（3）透射光干涉（透射光干涉（n2 n1）i er rA AB BC Cn n1 1n n2 2n n1 1DEF34如果如果 i=0，则5/29/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心（4）增透（射）膜和增反射膜）增透（射）膜和增反射膜增透膜增透膜:由透射光加由透射光加强条件条件注意：注意：也可以利用反射减弱条件也可以利用反射减弱条件照相照相机机镜头是是蓝紫紫色色垂直入射（垂直入射（垂直入射（垂直入射（MgFMgF2 2 n n=1.38=1.38）n n2 2 =1.38=1.38n n1 1 =1.0=1.0n n3 3 =1.55=1.555/29/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心由反射光加由反射光加强条件条件增反膜增反膜:注意：注意：也可以利用透射减弱条件。也可以利用透射减弱条件。n n2 2 =2.35=2.35n n1 1 =1.38=1.38n n0 0 =1.55=1.55（ZnSZnS n n=2.35=2.35）5/29/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心 空空气气中中的的水水平平肥肥皂皂膜膜厚厚度度e=0.32 m，折折射射率率n2=1.33，白光垂直照射白光垂直照射时，肥皂膜呈，肥皂膜呈现什么色彩？什么色彩？解：反射光干涉加解：反射光干涉加强，有，有肥皂膜呈肥皂膜呈现绿色。色。由上式得由上式得 干涉加干涉加强的光波波的光波波长为 例例7.45/29/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心 为了了增增加加照照相相机机镜头透透射射光光强度度，在在镜头（n3=1.52）镀MgF2薄薄膜膜（n2=1.38），使使 =550nm的的光光反反射射最最小小，试求求MgF2的的最小厚度？最小厚度？解解 由于由于n1 n2n）5/29/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心对垂直入射，光程差垂直入射，光程差为：明明纹暗暗纹对空气劈尖，空气劈尖，n2=1 a ab bn n1 1n n2 21 1n n1 1（1）对一一定定入入射射角角光光线，同同一一条条干干涉涉条条纹上上各各点点对应入射入射线的厚度相同，称的厚度相同，称为等厚干涉等厚干涉。劈尖干涉劈尖干涉5/29/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心（2）相相邻两条两条纹间隔隔对应的薄膜厚度差的薄膜厚度差 e =ek+1-ek空气劈尖空气劈尖 n=1 形成平行于棱形成平行于棱边的明暗相的明暗相间干涉条干涉条纹。lekek+1明明纹暗暗纹D en5/29/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心 牛牛顿环 将将平平凸凸镜与与一一块平平板板玻玻璃璃叠叠放放在在一一起起，用用单色色平平行行光光垂垂直直照照射射，由由平平凸凸镜下下表表面面和和平平板板玻玻璃璃上上表表面面两两束束反反射射光光干干涉涉，产生生牛牛顿环干干涉涉条条纹。平凸透平凸透镜平晶平晶如如图所示所示考考虑到到得到得到5/29/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心得到条得到条纹半径：半径：条条纹间距距，内圈的条内圈的条纹级次低。次低。由极由极值条件：条件：5/29/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心 平平凸凸透透镜向向上上移移，条条纹怎怎样移移动？白光入射条白光入射条纹情况如何？情况如何？牛牛顿环装置装置简图平晶平晶S分束分束镜 M显微微镜0平凸透平凸透镜.透射光条透射光条纹情况如何？情况如何？白白光光条条纹条条纹变化化5/29/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心 劈劈尖尖折折射射率率n=1.4，劈劈尖尖夹角角 =10-4rad，在在某某一一单色色光光的的垂垂直直照照射射下下，测得得两两相相邻明明条条纹间的的距距离离为l=0.25cm。试求求：此此单色色光光在在空空气气中中的的波波长；如如果果劈劈尖尖长为L=3.5cm，总共共可可出出现多少条明多少条明纹？多少条暗？多少条暗纹？解解 （1）根据条）根据条纹间距公式距公式（2）明）明纹总数数为 所以所以,有有N+1=15条暗条条暗条纹，14条明条条明条纹。例例7.65/29/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心 如如图所所示示。SiO2折折射射率率n2=1.46，Si的的折折射射率率n3=3.42。波波长 =546.1nm绿光光照照射射，SiO2劈劈尖尖薄薄膜膜上上出出现7条条暗暗纹，且且第第7条条在在斜斜坡坡的的起起点点M处。试求求：SiO2的的薄薄膜膜厚厚度度是是多多少少？劈劈尖尖棱棱边N处是明是明纹还是暗是暗纹？解：（解：（1）M处为第第7条暗条暗纹（2）棱）棱边N处，e=0，对应 =0，则N处为明明纹。例例7.75/29/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心 平平面面玻玻璃璃板板上上滴滴上上一一滴滴油油滴滴，在在单色色光光(=576nm)垂垂直直照照射射下下，反反射射光光的的干干涉涉条条纹如如图所所示示，设油油折折射射率率n2=1.60，玻玻璃璃折射率折射率n3=1.50，试求：求：油滴的油滴的边缘处是明是明纹还是暗是暗纹？油膜的最大厚度是多少？油膜的最大厚度是多少？解：（解：（1）反射反射线a和和b光程差光程差为 e=0，则 =/2，油油滴滴边缘处暗暗纹。（2）最外暗）最外暗环k=0，中心暗点，中心暗点k=4例例7.8 第第6章作章作业：计算算题：2、4、6题，下周五交下周五交。5/29/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心 用用波波长为400nm的的紫紫光光进行行牛牛顿环实验，第第k级暗暗环的的半半径径为4.0mm，第第k+5级暗暗环的的半半径径为6.0mm。求求平平凸凸透透镜的的曲曲率率半半径径R和和k的数的数值。解：解：例例7.95/29/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心*7.4 迈克耳孙干涉仪迈克耳孙干涉仪 一、一、仪器器结构、光路构、光路补偿板板补偿两臂的附加光程差。两臂的附加光程差。仪器器结构构二二、工作原理、工作原理光束光束2和和1发生干涉生干涉原理演示原理演示M 122 11 半透半反膜半透半反膜补偿板板反反射射镜反射反射镜光源光源观测装置装置薄膜薄膜SM2M1G1G2E5/29/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心十字叉十字叉丝等厚条等厚条纹注意：注意：若若M1平移平移 d 时等厚干涉条等厚干涉条纹移移过N条；条；等等倾干涉条干涉条纹中心吞（吐）中心吞（吐）N个条个条纹。等等倾条条纹 若若M 1、M2平行平行 等等倾条条纹 若若M 1、M2有小有小夹角角 等厚条等厚条纹M 122 11 半透半反膜半透半反膜补偿板板反反射射镜反射反射镜光源光源观测装置装置薄膜薄膜SM2M1G1G2E5/29/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心