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1、光的干涉学生1第1页，共53页，编辑于2022年，星期五光学通常分为以下三个部分：光学通常分为以下三个部分：几何光学：几何光学：波动光学：波动光学：量子光学：量子光学：光光学学是是研研究究光光的的传传播播以以及及它它和和物物质质相相互互作作用用的的学学科。科。光与物质相互作用的规律。光与物质相互作用的规律。2第2页，共53页，编辑于2022年，星期五最最初初以以光光在在透透明明介介质质中中直直线线传传播播性性质质为为基基础础.总总结结出出了了在在透透明介质中的明介质中的反射反射和和折射折射定律，由此逐步形成了定律，由此逐步形成了几何光学几何光学。光学可分为光学可分为：19世纪以光的干涉、衍射、

2、偏振等实验结果表明，光具有世纪以光的干涉、衍射、偏振等实验结果表明，光具有波动性，且是横波。形成了以电磁波为基础的波动性，且是横波。形成了以电磁波为基础的波动光学波动光学20世纪建立起了量子力学。光是一个十分复杂的客体。具有世纪建立起了量子力学。光是一个十分复杂的客体。具有波粒二象性。人们把建立在光的量子性基础上，深入到微观领波粒二象性。人们把建立在光的量子性基础上，深入到微观领域研究光与物质相互作用规律的分支学科，称为域研究光与物质相互作用规律的分支学科，称为量子光学量子光学3第3页，共53页，编辑于2022年，星期五相应光色：紫、蓝、青、绿、黄、橙、红相应光色：紫、蓝、青、绿、黄、橙、红S

3、I(国际单位国际单位)光是一种电磁波光是一种电磁波1=10-10 m可见光的范围可见光的范围光是横波。光是横波。4第4页，共53页，编辑于2022年，星期五 第十一章第十一章 波波 动动 光光 学学 一、光的干涉一、光的干涉 二、光的衍射二、光的衍射三、光的偏振三、光的偏振 参考书：赵凯华主编参考书：赵凯华主编 光学光学 上下册上下册5第5页，共53页，编辑于2022年，星期五光光 的的 干干 涉涉（Interference of light）6第6页，共53页，编辑于2022年，星期五11.1 相干光相干光11.2 杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉洛埃镜洛埃镜11.3 光程光程薄膜干涉薄膜干涉11.

4、4 等厚干涉等厚干涉劈尖劈尖牛顿环牛顿环*11.5 迈克耳孙干涉仪迈克耳孙干涉仪干涉现象的目录干涉现象的目录7第7页，共53页，编辑于2022年，星期五相干光的条件相干光的条件普通光源是不是相干光源？普通光源是不是相干光源？1)振动方向相同振动方向相同 2)频率相同频率相同 3)位相差恒定位相差恒定。水波盘中水波的干涉水波盘中水波的干涉11.1 光源的相干性光源的相干性8第8页，共53页，编辑于2022年，星期五一、一、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9第9页，共53页，编辑于2022年，星期五波列波列发光时间发光时间10-8-10-

5、9s普通光源：普通光源：普通光源不是相干光源。普通光源不是相干光源。独立独立（同一原子先后发的光）同一原子先后发的光）独立独立（不同原子发的光）（不同原子发的光）二、二、激光是相干光源激光是相干光源10第10页，共53页，编辑于2022年，星期五三三.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*1.分波面法：分波面法：2.分振幅法：分振幅法：P薄膜薄膜S*杨氏双缝杨氏双缝例如肥皂膜例如肥皂膜在在 P 点处点处 相干叠加相干叠加11第11页，共53页，编辑于2022年，星期五肥皂膜的等厚干涉条纹肥皂膜的等厚干涉条纹12第12页，共53页，编辑于2022年，星期五11-2 杨氏双缝实验

6、杨氏双缝实验 洛埃镜洛埃镜 一一、杨氏双缝干涉实验、杨氏双缝干涉实验 1、实验装置、实验装置 缝间距缝间距 d=0.1mm缝屏距缝屏距 D=1mS1S2S*Dd ，D d 13第13页，共53页，编辑于2022年，星期五白光入射的杨氏双缝干涉照片白光入射的杨氏双缝干涉照片红光入射的杨氏双缝干涉照片红光入射的杨氏双缝干涉照片x14第14页，共53页，编辑于2022年，星期五2、定量计算、定量计算 xDdP(1)(1)两相干光到两相干光到 达屏上任意达屏上任意 点点 P的的波程差波程差 15第15页，共53页，编辑于2022年，星期五K级明纹级明纹 k级暗纹级暗纹 波程差波程差相位差：相位差：16

7、第16页，共53页，编辑于2022年，星期五4、讨论、讨论 白光照射时，白光照射时，0级明纹中心为白色级明纹中心为白色,其其它各级明纹构成彩带，它各级明纹构成彩带，第第2级开始出现重叠级开始出现重叠 2)利用干涉条纹可以利用干涉条纹可以测量光的波长。测量光的波长。1）条纹间距：条纹间距：17第17页，共53页，编辑于2022年，星期五二二.洛埃镜实验洛埃镜实验s1s2*MAB屏屏P点光源点光源P点处为点处为暗条纹暗条纹，证实了，证实了半波损失半波损失。(1)(2)条纹间距：条纹间距：18第18页，共53页，编辑于2022年，星期五一一.光程光程真空中：真空中：rab 介质中：介质中：abnr

8、n n介质介质 n 介质中波长介质中波长 真空中波长真空中波长为方便计算光经过不同介质时引起的相位差，为方便计算光经过不同介质时引起的相位差，引入光程的概念。引入光程的概念。11-3 光程光程 薄膜干涉薄膜干涉 19第19页，共53页，编辑于2022年，星期五光程差光程差 在介质中的路程在介质中的路程 r 乘以介质折射率：乘以介质折射率：nr 真空中波长真空中波长光程光程相位差相位差 20第20页，共53页，编辑于2022年，星期五干涉加强干涉加强 干涉减弱干涉减弱 干涉加强干涉加强 减弱条件：减弱条件：为真空中波长为真空中波长21第21页，共53页，编辑于2022年，星期五二二、透镜不引起附

9、加的光程差、透镜不引起附加的光程差 屏屏acb.F.F屏屏acb.垂直入射垂直入射 倾斜入射倾斜入射 22第22页，共53页，编辑于2022年，星期五问：问：原来的零级条纹被第原来的零级条纹被第 6级明条纹占据，其厚级明条纹占据，其厚度度 h 为多少？为多少？例例1.已知已知：S2 缝上覆盖缝上覆盖的介质厚度为的介质厚度为 h，折射率为，折射率为 n，设入射光的波长为，设入射光的波长为.解解：从：从S1和和S2发出的相干光所对应的光程差发出的相干光所对应的光程差23第23页，共53页，编辑于2022年，星期五第第 6 级明条纹位置满足：级明条纹位置满足：得：得：24第24页，共53页，编辑于2

10、022年，星期五解：由明纹条件，解：由明纹条件，例例 2、已知、已知 单色光照射，双缝间距单色光照射，双缝间距 d=0.2mm，缝到，缝到屏的距离屏的距离 D=1m ，第一明纹到同侧旁第四明纹距离为，第一明纹到同侧旁第四明纹距离为 7.5 mm，求单色光的波长。，求单色光的波长。25第25页，共53页，编辑于2022年，星期五 薄膜干涉是分振幅干涉。薄膜干涉是分振幅干涉。日常中见到的薄膜干涉：日常中见到的薄膜干涉：膜为何要薄？膜为何要薄？光的相干长度所限。光的相干长度所限。三三、薄膜干涉、薄膜干涉 P薄膜薄膜S*eRo等倾干涉，等厚干涉（劈尖和牛顿环）等倾干涉，等厚干涉（劈尖和牛顿环）26第2

11、6页，共53页，编辑于2022年，星期五(一一)膜的厚度均匀膜的厚度均匀-等倾条纹等倾条纹2312.在膜的上下表面反射的光程差在膜的上下表面反射的光程差(斜入射斜入射)1.发生干涉的两束相干光如何产生？发生干涉的两束相干光如何产生？设设n n2 2 nn1 1,则有则有半波损失半波损失,两反射光的光程差两反射光的光程差:27第27页，共53页，编辑于2022年，星期五k级级明纹明纹 k级级暗纹暗纹 干涉条件干涉条件对于厚度均匀的薄膜，光程差只决定于光对于厚度均匀的薄膜，光程差只决定于光在薄膜的入射角在薄膜的入射角i。故称为。故称为等倾干涉等倾干涉 28第28页，共53页，编辑于2022年，星期

12、五2、透射光的干涉、透射光的干涉n n2 2123n n1 1d dn n1 1k级明纹级明纹k级暗纹级暗纹(二二).垂直入射垂直入射 i=0没有半波损失没有半波损失1、反射光的干涉、反射光的干涉29第29页，共53页，编辑于2022年，星期五例例 3、空气中肥皂膜、空气中肥皂膜(n2=1.33)厚厚 0.32 m，用白光垂直入射，用白光垂直入射,问在膜上方问在膜上方,肥皂膜呈什么颜色肥皂膜呈什么颜色？(即求波长即求波长)解解:肥皂膜呈现绿色肥皂膜呈现绿色 大于可见光波长大于可见光波长小于可见光波长小于可见光波长n n1 1 n n1 1,反射光有反射光有半波损失半波损失n n2 2123n

13、n1 1dn n1 130第30页，共53页，编辑于2022年，星期五若在膜下方若在膜下方(透射光透射光),),肥皂膜呈什么颜色肥皂膜呈什么颜色？大于可见光波长大于可见光波长小于可见光波长小于可见光波长肥皂膜呈现紫色肥皂膜呈现紫色n n2 2123n n1 1dn n1 1n2 2 n1 1,透射光没有透射光没有半波损失半波损失31第31页，共53页，编辑于2022年，星期五(三三)、增透膜和增反膜、增透膜和增反膜增透膜增透膜-利用薄膜上、下表面反射光的光程差符合利用薄膜上、下表面反射光的光程差符合相消相消干涉条件来减少反射，从而使干涉条件来减少反射，从而使透射增强。透射增强。增反膜增反膜-利

14、用薄膜上、下表面反射光的光程差满利用薄膜上、下表面反射光的光程差满足足相长相长干涉，因此干涉，因此反射光加强。反射光加强。32第32页，共53页，编辑于2022年，星期五=A5500例例4 增透膜增透膜 在玻璃表面镀上一层在玻璃表面镀上一层薄膜，使波薄膜，使波MgF2长为长为0的绿光全部通过。的绿光全部通过。求：膜的厚度。求：膜的厚度。解：解：使反射绿光干涉相消使反射绿光干涉相消d2n2=2=+()k 12=+()124n21.3834A0=5500=2989A0d=+()k 124n2取取k=1MgF2玻璃玻璃1.38=n21.50=n3e12半波损失半波损失?n1=1n n1 1 n n2

15、 2 n n3 3,没有没有33第33页，共53页，编辑于2022年，星期五例例 5、P119。已知。已知 海上油膜海上油膜，n1=1.20，海水，海水 n2=1.30油膜厚度油膜厚度 d=460nm。(1)从直升飞机上看从直升飞机上看，油膜呈什么颜色，油膜呈什么颜色？(2)潜水员从水下看潜水员从水下看，油膜呈什么颜色，油膜呈什么颜色？解解 (1)1.20=n11.30=n2d1234第34页，共53页，编辑于2022年，星期五1.20=n11.30=n2d12(2)油膜呈紫红色油膜呈紫红色。35第35页，共53页，编辑于2022年，星期五 一一、劈尖、劈尖 11-4 劈尖劈尖 牛顿环牛顿环等

16、厚条纹等厚条纹 1、实验装置、实验装置 干涉条纹示意图干涉条纹示意图 厚度不均匀薄膜表面厚度不均匀薄膜表面D36第36页，共53页，编辑于2022年，星期五2、定量计算、定量计算 明条纹明条纹 暗条纹暗条纹 LDn1n1n37第37页，共53页，编辑于2022年，星期五LDn1n相邻等厚条纹对应的厚度差为相邻等厚条纹对应的厚度差为 38第38页，共53页，编辑于2022年，星期五3.劈尖的应用：劈尖的应用：（1）测波长，折射率：）测波长，折射率：（2 2）测细小厚度、测细小厚度、（3 3）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依据公式依据公式微小变化：微小变化：思考题

17、思考题 17-1239第39页，共53页，编辑于2022年，星期五等厚干涉条纹等厚干涉条纹劈尖劈尖不规则表面不规则表面40第40页，共53页，编辑于2022年，星期五二二、牛顿环、牛顿环 1、实验装置、实验装置 装置示意图装置示意图 S显微镜显微镜41第41页，共53页，编辑于2022年，星期五牛顿环照片牛顿环照片42第42页，共53页，编辑于2022年，星期五2、定量计算、定量计算 由直角三角形由直角三角形 OAB有有 略去略去 d2项得项得 明纹明纹 暗纹暗纹 43第43页，共53页，编辑于2022年，星期五明环半径明环半径 暗环半径暗环半径 drRoAB44第44页，共53页，编辑于20

18、22年，星期五3.牛顿环的应用：牛顿环的应用：测透镜球面的半径测透镜球面的半径R 测波长测波长 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 依据公式依据公式45第45页，共53页，编辑于2022年，星期五例例5、制造半导体元件时，常常要精确测定硅片上、制造半导体元件时，常常要精确测定硅片上二氧化硅薄膜的厚度，这时可把二氧化硅薄膜的一二氧化硅薄膜的厚度，这时可把二氧化硅薄膜的一部分腐蚀掉，使其形成劈尖，利用等厚条纹测其厚部分腐蚀掉，使其形成劈尖，利用等厚条纹测其厚度度.已知硅的折射率为已知硅的折射率为3.42,SiO2的折射率为的折射率为1.5，入入射光波长为射

19、光波长为589.3nm,观察到观察到7条暗纹，求条暗纹，求SiO2薄膜薄膜的厚度的厚度d？解：解：n1n2n3，无半波损，无半波损失；光程差失；光程差LDn1n3n2kmax=6,代入上式，解出代入上式，解出d46第46页，共53页，编辑于2022年，星期五LDn1n3n247第47页，共53页，编辑于2022年，星期五例例6、在牛顿环实验中，用波长为、在牛顿环实验中，用波长为589.3nm的钠黄光的钠黄光作光源，测得第作光源，测得第k个暗环的直径为个暗环的直径为10.14，第，第k+5个暗个暗环的直径为环的直径为9.54，求平凸透镜的曲率半径，求平凸透镜的曲率半径R.解：解：48第48页，共

20、53页，编辑于2022年，星期五M2M1M1G1G2半透明半透明镀银层镀银层反反射射镜镜 1 1反射镜反射镜 2 2补偿玻璃板补偿玻璃板单单色色光光源源*11-5 11-5 11-5 11-5 迈克耳逊干涉仪迈克耳逊干涉仪迈克耳逊干涉仪迈克耳逊干涉仪一一.仪器结构、光路仪器结构、光路E2 21 149第49页，共53页，编辑于2022年，星期五 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 等厚条纹等厚条纹补偿板可补偿两臂的附加光程差。补偿板可补偿两臂的附加光程差。若若M1平移平移 d 时时(单程单程)，干涉条移过干涉条移过N条，条，则有则有：光束光束1和和2发

21、生干涉发生干涉二二.工作原理工作原理50第50页，共53页，编辑于2022年，星期五*例例 7.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气，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压空气的过程中观察到107.2 条条纹移动，所用波长为条条纹移动，所用波长为546nm。求空气的折射率？。求空气的折射率？51第51页，共53页，编辑于2022年，星期五解：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，对应光程差的变化为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，当观察到一个波长，当观察到107.2 条移过时，光程差的改变量条移过时，光程差的改变量满足：满足：B管中原光程为管中原光程为 充以空气后光程变为充以空气后光程变为 光程改变为光程改变为 52第52页，共53页，编辑于2022年，星期五迈克耳逊干涉仪的两臂中便于插放待测样品，由条纹迈克耳逊干涉仪的两臂中便于插放待测样品，由条纹的变化测量有关参数。的变化测量有关参数。精度高精度高。迈克耳逊干涉仪的迈克耳逊干涉仪的应用：应用：测介质折射率测介质折射率光路光路1中插入待测介质，中插入待测介质，测量微小位移测量微小位移53第53页，共53页，编辑于2022年，星期五