波动光学ppt课件.ppt

《波动光学ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《波动光学ppt课件.ppt（34页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、课件制作人基础课部物理教研室赵存虎赵存虎2001.6.主要参考资料：主要参考资料：清华大学编清华大学编大学物理电子课件大学物理电子课件(光的干涉光的干涉)第十六章第十六章 光的干涉光的干涉.1.(Interference of Light)16-1 光的电磁理论光的电磁理论16-2 光源光源 相干光相干光16-3 双缝干涉双缝干涉16-4 光程和光程差光程和光程差16-5 薄膜干涉薄膜干涉16-6 劈尖干涉劈尖干涉 牛顿环牛顿环16-7 迈克耳逊干涉仪迈克耳逊干涉仪16-1 光的电磁理论光的电磁理论(Electromagnet Theory of Light)一、电磁波的产生与传播一、电磁波的

2、产生与传播二、电磁波的性质二、电磁波的性质1.电磁波的电场强度电磁波的电场强度 和磁场强度和磁场强度 在同一地在同一地点同时存在，且具有相同位相；点同时存在，且具有相同位相；EH)(cos),(0urtEtrE )(cos),(0urtHtrH 根据麦克斯韦电磁场理论：变化的电场与变根据麦克斯韦电磁场理论：变化的电场与变化的磁场相互激发，形成化的磁场相互激发，形成电磁场电磁场；电磁场在空；电磁场在空间中以一定的速度间中以一定的速度 传播，形成传播，形成电磁波电磁波.u.2.2.电磁波是横波电磁波是横波, uHE EHuEHu且满足右螺旋且满足右螺旋(如上图如上图)3. 和和 的关系的关系EHH

3、E 00 rr 4.电磁波的速度电磁波的速度1 u真空中真空中:001 cu5.介质的折射率介质的折射率rrucn .3.三、电磁波的辐射强度三、电磁波的辐射强度 单位时间内通过垂直于波速方向单位面积单位时间内通过垂直于波速方向单位面积的辐射能量的辐射能量,称为称为辐射强度辐射强度,也称也称坡印廷矢量坡印廷矢量:HES 在光学中在光学中,通常把一个周期内电磁波辐射强度通常把一个周期内电磁波辐射强度的平均值称为的平均值称为光的强度光的强度.常使用其相对大小常使用其相对大小:2021EI v可见可见,光强正比于电场强度振幅的平方光强正比于电场强度振幅的平方.四、光是电磁波四、光是电磁波 理论和实验

4、证实光理论和实验证实光(可见光可见光)是电磁波是电磁波;红外线、红外线、紫外线、紫外线、X射线等都是电磁波射线等都是电磁波,统称统称“光光”.4.或或20EI 16-2 光源光源 相干光相干光一、光源一、光源光源的最基本发光单元是分子、原子光源的最基本发光单元是分子、原子 = (E2-E1)/hE1E2能级跃迁辐射能级跃迁辐射波列波列波列长波列长L = c1. 普通光源：普通光源：自发辐射自发辐射独立独立(不同原子发的光不同原子发的光)独立独立(同一原子先后发的光同一原子先后发的光).5.(Light Source, Coherent Light) 称为相干时间称为相干时间2. 激光光源：激光

5、光源：受激辐射受激辐射 = (E2-E1)/hE1E2 完全一样完全一样(频率频率,位位相相,振动方向振动方向,传播传播方向方向)二、光的相干性二、光的相干性 1.相干条件：相干条件：频率相同；振动方向相同；位相差恒定频率相同；振动方向相同；位相差恒定 p12r1r2)rtcos(EE111012 )rtcos(EE222022 P:E0E10E20)cos(021 tEEEE cos2201022021020EEEEE2.相干光的强度分布相干光的强度分布.6. cos 2 2121 IIIII相干相干加强加强条件条件 ,2 k 2121max2IIIIII (k = 0,1,2,3) 相干相

6、干减弱减弱条件条件 ,)12( k2121min2IIIIII (k = 0,1,2,3) minmaxminmaxIIIIV 3. 条纹衬比度条纹衬比度(对比度，反衬度对比度，反衬度)(21212rr 20EI 2101EI 2202EI .7.21II 021III 4. 普通光源获得相干光的途径普通光源获得相干光的途径pS *分波阵面法分波阵面法分振幅法分振幅法p薄膜薄膜S *衬比度差衬比度差 (V ，D d (d 10 -4m, D 100 m)波程差：波程差：Dxdddrr tgsin12相位差：相位差： 2 )(12 xDd xI.9.(Interference of Tow Ga

7、p)(动画动画)实现双缝干涉的条件：实现双缝干涉的条件：(几何路程差几何路程差)v相邻相邻明明条纹条纹或暗或暗条纹的条纹的间距间距 dDxxxkk 1(1)平行、明暗相间、等间距平行、明暗相间、等间距( 不太大不太大)的条纹；的条纹； 双缝干涉双缝干涉条纹特点条纹特点：(2)当当D、一定，则缝间距一定，则缝间距d 越小，条纹越疏；越小，条纹越疏； 2.暗条纹条件暗条纹条件 ,2)1 2( k.10.10.)2 , 1( k dDkxk2)1 2( 暗条纹位置暗条纹位置)2 , 1( k1.明条纹条件明条纹条件 22 k)2 , 1 , 0( k dDkxk 明条纹位置明条纹位置)2 , 1 ,

8、 0( kk 为条为条纹级次纹级次二、光强分布二、光强分布,cos22121 IIIII若若 I1 = I2 = I02cos420 II则则)2sin( d I0 2 -2 4 -4 k012-1-24I0 x0 x1x2x -2x -1sin 0 /d- /d-2 /d2 /d.11.(5)越靠近越靠近中中央，央，级次级次越越低低. .(4)用白光作光源可见彩色条纹，从中央明纹向用白光作光源可见彩色条纹，从中央明纹向两边由紫色到红色，且随级次两边由紫色到红色，且随级次 k 的增大，条纹的增大，条纹发生重叠；发生重叠；(3)当当D、d一定，则波长一定，则波长越短，条纹越密；越短，条纹越密；半

9、波损失半波损失:光从光疏介质光从光疏介质(折射率小折射率小)向光密介质向光密介质(折射率大折射率大)入射时，反射光的位相落后于入射光入射时，反射光的位相落后于入射光的位相的位相 ， 相当于相当于反射光少走反射光少走 / 2的光程的光程.S2 *ES1 *LK三、洛埃镜实验：三、洛埃镜实验：当点光源当点光源S1发出的光几乎平行于镜面发出的光几乎平行于镜面KL入入射时，反射光与直射光在相遇区域产生干涉。射时，反射光与直射光在相遇区域产生干涉。反射光发生反射光发生半波损失。半波损失。.12.(一一). 光的非单色性光的非单色性1.理想的单色光理想的单色光 、 2.准单色光、谱线宽度准单色光、谱线宽度

10、 准单色光：准单色光：在某个在某个中心波长中心波长(频率频率)附近有一附近有一定定波长波长(频率频率)范围范围的光。的光。 0 oII0I0 /2 谱线宽度谱线宽度自然宽度自然宽度 造成谱线宽度的原因造成谱线宽度的原因*四、相干长度与相干时间四、相干长度与相干时间 谱线宽度：谱线宽度： .13. Ei+1 Ei+1EihEEii1 Ei(二二). 相干长度与相干时间相干长度与相干时间1.相干长度相干长度 两波列能发生干涉的最大波程差为两波列能发生干涉的最大波程差为相干长度相干长度 2 mmk 为中心波长v只有只有同一波列同一波列分成的两部分经不同的光程再相遇时分成的两部分经不同的光程再相遇时才

11、能发生干涉。才能发生干涉。为干涉的最大级次为干涉的最大级次 mk.14.SS1S2c1c2b1b2a1a2 pS1S2Sc1c2b1b2a1a2p波列长度就波列长度就是相干长度是相干长度注注: “ ” 等代表波列等代表波列 mcm 光通过相干长度所需时间光通过相干长度所需时间2.相干时间相干时间由由 可见可见 2 mmk16-4 光程和光程差光程和光程差一、光程一、光程abnru媒质媒质定义光程定义光程 : L = nr光在光在媒质中媒质中行走时间行走时间urt 此时间内光在此时间内光在真空中真空中行走路程为：行走路程为：nrurctc 物理意义：物理意义：将光在媒质中行走的将光在媒质中行走的

12、几何路程几何路程 r 折算折算成光在成光在真空中真空中行走的路程行走的路程 nr.15.(Optical Distance, Optical Path Difference) un 则则在媒质中的波长在媒质中的波长 n设光在设光在真空中的波长真空中的波长为为 ， nc/ nc / n n 0, 中央明纹向中央明纹向上上移动。移动。(2)x=0处的光程差处的光程差)1()1(enen 或或 解：解：上上en)1( .17.ss2r2r1eOpXs1n 使用透镜不会产生附加光程差使用透镜不会产生附加光程差S acbS 理论证明：理论证明：物点到象点各光线之间的光程物点到象点各光线之间的光程差为零差

13、为零,不产生附加光程差。不产生附加光程差。16-5 薄膜干涉薄膜干涉(分振幅法分振幅法) 厚度很薄且均匀厚度很薄且均匀的的透明介质层表面透明介质层表面出现干涉出现干涉条纹的现象条纹的现象,称为薄膜干涉称为薄膜干涉.观察要求观察要求：因为两列相干光迭加时几乎是平行：因为两列相干光迭加时几乎是平行,不能成实像不能成实像,所以观察时要所以观察时要用凸透镜成像用凸透镜成像.18.(Membrane Interference )等倾干涉：等倾干涉： 光线以一定倾角入射到厚度均匀的透明薄光线以一定倾角入射到厚度均匀的透明薄膜上膜上,上界面的反射光与下界面的反射光发生上界面的反射光与下界面的反射光发生干涉干

14、涉.(Isoclinal interference )点光源照明时的干涉条纹分析点光源照明时的干涉条纹分析光线光线1、2的光程差：的光程差：注意：注意：反射光反射光1有有半波损失，所以延迟半个波长半波损失，所以延迟半个波长n n n n eBA CD ri21 S43薄膜的折射率为薄膜的折射率为n,厚度厚度为为e ;入射光所在介质的入射光所在介质的折射率折射率n.19.) ()(ADnBCABn 2 reBCABcos ireiACADsin.tg2sin 又又rninsinsin 2sin 2222 inne 可见：可见：波长一定、倾角波长一定、倾角i相同的入射光线相同的入射光线,对对应于同

15、一级干涉条纹应于同一级干涉条纹等倾条纹等倾条纹 . .20.明明纹条件纹条件:),3 ,2 , 1( ,22 kk 暗暗纹条件纹条件: ), 2 , 1 , 0(,212 kk 2cos2 rnen n n n e ri21 S43BA CD 光束光束3、4的光程差：的光程差：inne222sin 2 比较比较和和可知，若反射光相干加强，则透可知，若反射光相干加强，则透射光必然相干减弱，符合能量守恒定律。射光必然相干减弱，符合能量守恒定律。v应用应用：增透膜增透膜en1空气空气n2氟化镁氟化镁n3透镜透镜i=0 , n1n2 n )n nA反射光反射光1e因因极小极小, 反射光反射光1、 2在

16、膜面的光程差可简化在膜面的光程差可简化为左图所示情况计算。为左图所示情况计算。22 neA点点:反射光反射光1、2的光程差的光程差QP .22.(Cuniform Interference, Newton Rings) 明明纹条件：纹条件：)1,2,3,=( ,kk 暗暗纹条件：纹条件：)0,1,2,= ( ,2)1 2(kk QP2. 同一厚度同一厚度e 对应同一级条纹对应同一级条纹等厚条纹等厚条纹; 第第k级级暗暗纹位置纹位置 nkek2 条纹特点条纹特点:3. 棱边棱边PQ处处 e=0, =/ 2，出现暗条纹；，出现暗条纹；lekek+1n2 1. 平行于棱边平行于棱边PQ的等间距条纹；

17、的等间距条纹；.23.2)12(22 knek 4. 条纹间距条纹间距 lneelkk2sin1 nnl2sin2 劈尖干涉的应用举例劈尖干涉的应用举例 a. 从条纹是否扭曲可检查玻璃光平度；从条纹是否扭曲可检查玻璃光平度；b. “瓦斯检查器瓦斯检查器”劈尖内充入瓦斯气体，浓度劈尖内充入瓦斯气体，浓度不同不同,其折射率不同，因而条纹间距有变化，其折射率不同，因而条纹间距有变化，从而可知浓度的变化。从而可知浓度的变化。.24.QPlekek+1n2 例题例题: 如图如图,原来由两块平原来由两块平板玻璃构成的空气劈尖板玻璃构成的空气劈尖,现现浸入折射率为浸入折射率为 n 的透明液的透明液体中体中,

18、且且n2 n n1, 用波长为用波长为的单色光垂直照射劈尖时的单色光垂直照射劈尖时,则劈尖厚度为则劈尖厚度为 e 的地方两的地方两反射光的光程差的反射光的光程差的改变量改变量是多少是多少? 解：解：空气劈尖空气劈尖时的光程差时的光程差e0)22( e透明液体透明液体时的光程差时的光程差nene2)2()22( 光程差的光程差的改变量改变量2) 1( 2 enn1n2n.25.注意：注意：这里的这里的- /2是劈尖下界面反射是劈尖下界面反射光的光的半波损失半波损失 二、牛顿环二、牛顿环 (Newton rings) .26. erRoc 波长为波长为 的单色光垂直入射到的单色光垂直入射到平凸透镜

19、与平平凸透镜与平晶间的晶间的空气层空气层(n=1)上，入射光从透镜的球面上上，入射光从透镜的球面上和平和平晶晶的上表面反射出来的光发生干涉的上表面反射出来的光发生干涉两束光的光程差两束光的光程差:22 e暗环暗环 o分束镜分束镜M显微镜显微镜.S平凸透镜平凸透镜平晶平晶牛顿环装置简图牛顿环装置简图2) 12(22 ke暗暗环环条件条件：明明环环条件条件： ke 22第第k个个明明环半径：环半径：2) 12( Rkrk ),2, 1( k kRrk 第第k个个暗暗环半径：环半径：), 2 , 1 , 0( k条纹特点：条纹特点：1.中心是暗斑；中心是暗斑；eReRRr2)(222 eRr2 由几

20、何关系可知：由几何关系可知：)(eR ), 2 , 1( k), 2 , 1 , 0( k.27.2.随着条纹级次随着条纹级次k的增大的增大,条纹间距条纹间距 r 减小减小e =0, r =0三、等厚条纹的应用三、等厚条纹的应用1. 劈尖的应用劈尖的应用 nl2 测波长测波长:已知已知、n,测条纹间距测条纹间距 l 可得波长可得波长 ; 测折射率测折射率:已知已知、,测条纹间距测条纹间距 l 可得可得 n ; 测细小直径、厚度、微小变化测细小直径、厚度、微小变化h待测块规待测块规标准块规标准块规平晶平晶 测表面不平度测表面不平度等厚条纹等厚条纹待测工件待测工件平晶平晶.28. kRRkrrrk

21、k )1(12. 牛顿环的应用牛顿环的应用 mRrrkmk 22 测透镜球面的半径测透镜球面的半径R： 已知已知 , 测测 m、rk+m、rk，可可得得R ; 测波长测波长： 已知已知R，测出测出m 、 rk+m、rk， 可可得得。 检验透镜球表面质量检验透镜球表面质量标准验规标准验规待测透镜待测透镜暗纹暗纹 .29.1.751.521.521.621.62例题：例题：在图示三种透明材料构成的牛顿环在图示三种透明材料构成的牛顿环装置中，用单色光垂直照装置中，用单色光垂直照射时，从反射光中看到接射时，从反射光中看到接触点触点P处的圆斑是什么样处的圆斑是什么样的？的？P解：解： P处左半部处左半部

22、上上下下界面的反射光均有界面的反射光均有半波损失半波损失处处是是零零级级亮亮斑斑在在02 ene P处右半部处右半部上上界面的反射光界面的反射光有有半波损失，半波损失，下下界面界面的反射光的反射光无无半波损失半波损失是是零零级级暗暗斑斑处处在在2022 ene所以，所以，P处的圆斑左半部亮，右半部暗。处的圆斑左半部亮，右半部暗。.30.16-7 迈克耳逊干涉仪迈克耳逊干涉仪一、仪器结构一、仪器结构 光路光路二、工作原理二、工作原理光束光束2和和1发生干涉发生干涉 若若M 1、M2平行平行 等倾条纹等倾条纹 若若M 1、M2有小夹角有小夹角 等厚条纹等厚条纹十字叉丝十字叉丝等厚条纹等厚条纹根据劈

23、尖厚度变化根据劈尖厚度变化(ek+1- ek=/2)可知：可知：动镜动镜M2每平移每平移/2的距离，干涉条纹移的距离，干涉条纹移过一条，若过一条，若M2平移平移 d时，干涉条纹移时，干涉条纹移过过N条，则有：条，则有：2 Nd三、应用：三、应用：微小位移测量微小位移测量测波长测波长M 122 11 S半透半反膜半透半反膜M2M1G1G2E.31.(Michelson Interferometer)Ddx 一、双缝干涉一、双缝干涉明纹条件明纹条件: ,22 k)2 , 1 , 0( k暗纹暗纹条件条件: : ,2) 1 2( k)2 , 1 , 0( k dDkxk2) 1 2( , dDkxk

24、 dDx 2sin 2222 inne二、薄膜干涉二、薄膜干涉光程光程 : nr几何路程差几何路程差条纹间距条纹间距本章学习指导本章学习指导最常见为垂直入射最常见为垂直入射i =0光程差光程差.32.明明环半径：环半径：2) 12( Rkrk kRrk 暗暗环半径：环半径：四、牛顿环四、牛顿环22 e2) 12(22 ke暗暗环环条件条件：明明环环条件条件： ke 22), 2 , 1( k), 2 , 1 , 0( k)1,2,3,=( ,22kk 暗暗纹条件纹条件:)0,1,2,= ( ,2)1 2(kk 三、劈尖三、劈尖(或楔形膜或楔形膜)22 ne nl2 明明纹条件纹条件:条纹间距条纹间距光程差光程差光程差光程差.33.