第12章光学 (2)精.ppt

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1、第12章光学(2)1第1页，本讲稿共69页丰富多彩的干涉现象丰富多彩的干涉现象水膜在白光下水膜在白光下白光下的肥皂膜白光下的肥皂膜波动光学波动光学2第2页，本讲稿共69页等倾条纹等倾条纹牛顿环牛顿环(等厚条纹等厚条纹)测油膜厚度测油膜厚度平晶间空气隙干涉条纹平晶间空气隙干涉条纹3第3页，本讲稿共69页油膜干涉油膜干涉牛顿环牛顿环4第4页，本讲稿共69页可见光真空中波长(nm)频率(10 Hz)5第5页，本讲稿共69页 12.1 光源光源 单色光单色光 相干光相干光 12.2 光程与光程差光程与光程差 12.3 双缝干涉双缝干涉 12.4 薄膜干涉薄膜干涉 12.5 迈克耳孙干涉仪迈克耳孙干涉仪

2、第第12章章 光学光学6第6页，本讲稿共69页点光源点光源 是光源的一种理想模型是光源的一种理想模型点光源中点光源中所有发光原子所有发光原子处于处于同一几何位置同一几何位置2 2、特殊光源、特殊光源-激光光源激光光源 12.1 光源光源 单色光单色光 相干光相干光一、光源一、光源1、普通光源、普通光源普通光源发光：自发辐射普通光源发光：自发辐射(随机、间歇随机、间歇)激光光源发光：受激辐射激光光源发光：受激辐射7第7页，本讲稿共69页光放大光放大发出光的频率发出光的频率相位相位 振动方向振动方向 全相同全相同激光的相干性比普通光源要好得多激光的相干性比普通光源要好得多二、单色光二、单色光具有单

3、一频率的光具有单一频率的光可见光波长：可见光波长：可见光频率：可见光频率：8第8页，本讲稿共69页常用单色光源氦-氖激光器常用单色光源及波长常用单色光源及波长(nm)(nm)9第9页，本讲稿共69页三、相干光三、相干光一个原子两次发光随机一个原子两次发光随机不相干不相干两个原子同时发光两个原子同时发光也不相干也不相干S1和和S2是非相干光是非相干光普通光源的发光特点普通光源的发光特点随机随机 间歇间歇10第10页，本讲稿共69页1 1、从普通光源中获得相干光的原则、从普通光源中获得相干光的原则 从一个原子一次发光中获得从一个原子一次发光中获得装置的基本特征装置的基本特征先分光先分光 然后再相遇

4、然后再相遇2.2.分波面法分波面法 分振幅法分振幅法S1和和S2是相干光是相干光11第11页，本讲稿共69页分波面与分振幅12第12页，本讲稿共69页 分波面法：分波面法：从一次发光的波从一次发光的波面上取出几部分面上取出几部分再相遇再相遇满足相干条件满足相干条件 分振幅法：分振幅法：一支光线中分一支光线中分出两部分出两部分再相遇再相遇相相遇遇区区分束装置分束装置衍射衍射薄膜薄膜上表面上表面下表面下表面1 12 2分束分束相遇相遇13第13页，本讲稿共69页 引进光程引进光程可方便地计算相干光的相位差可方便地计算相干光的相位差例例:相干光源相干光源 a b 初相相同初相相同 但到达场点但到达场

5、点 c 的过程中经过的介质不同的过程中经过的介质不同 c点的干涉结果取决于点的干涉结果取决于 两相干光在两相干光在c点的相位差点的相位差c点的干涉结果如何？点的干涉结果如何？光线光线1 1光线光线2 212.2 光程与光程差光程与光程差14第14页，本讲稿共69页计算麻烦，应该化简！计算麻烦，应该化简！在实际情况中往往给出的在实际情况中往往给出的是该光在真空中的波长是该光在真空中的波长所以用所以用真空中的波长真空中的波长 将将上式上式化简化简15第15页，本讲稿共69页光在介质光在介质1 1中的光程中的光程光线光线1 1在介质在介质1 1中走过的几何路程中走过的几何路程光线光线1 1经过的介质

6、经过的介质1 1的折射率的折射率光线光线2 2经过的介质经过的介质2 2的折射率的折射率光线光线2 2在介质在介质2 2中走过的几何路程中走过的几何路程光在介质光在介质2 2中的光程中的光程16第16页，本讲稿共69页（1）光程光程 折射率与几何路程的乘积折射率与几何路程的乘积 等效真空路程等效真空路程讨论讨论（2）位相差位相差=光程差光程差()()真空中的波长真空中的波长光程差光程差位相差位相差17第17页，本讲稿共69页（3）介质中的光速与波长）介质中的光速与波长干涉主要包含以下几个主要问题干涉主要包含以下几个主要问题实验装置实验装置确定相干光束确定相干光束 求出光程差求出光程差(相位差相

7、位差)分析干涉花样分析干涉花样 给出强度分布给出强度分布应用及其它应用及其它 12.3 双缝干涉双缝干涉 （分波面法）（分波面法）18第18页，本讲稿共69页一、杨氏双缝干涉一、杨氏双缝干涉 1.1.装置装置(点源点源 分波面分波面 相遇相遇)相遇区相遇区观察屏观察屏P P2.2.强度分布强度分布确定相干光束确定相干光束计算光程差计算光程差根据相长、相消条件确定坐标根据相长、相消条件确定坐标步骤步骤19第19页，本讲稿共69页pr1 r2xxDdo单色光入射单色光入射近似条件：近似条件：两光线光程差两光线光程差因为两光线几乎平行因为两光线几乎平行 所以所以 角较小角较小20第20页，本讲稿共6

8、9页明纹所在的位置坐标明纹所在的位置坐标暗纹所在的位置坐标暗纹所在的位置坐标所以双缝干涉花样是一组等间距直条纹所以双缝干涉花样是一组等间距直条纹明纹明纹暗纹暗纹相邻明纹或相邻暗纹间距相等，均等于相邻明纹或相邻暗纹间距相等，均等于21第21页，本讲稿共69页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22第22页，本讲稿共69页（1）中央明纹两侧的两条第）中央明纹两侧的两条第10级明纹中心的间距；级明纹中心的间距；（2）用一厚度为）用一厚度为h=6.610-6m，折射率，折射率n=1.58的云母片覆的云母片覆盖一缝后，中央明纹将移到原来

9、的第几级明纹处？盖一缝后，中央明纹将移到原来的第几级明纹处？解解 （1）级明纹间距：级明纹间距：例题例题1、在双缝干涉实验中，波长在双缝干涉实验中，波长 的单色的单色光垂直入射到缝间距光垂直入射到缝间距 d=210-4m 的双缝上，屏到双缝的双缝上，屏到双缝的距离为的距离为D=2m。求：。求：（2）设中央明纹移到原来第）设中央明纹移到原来第 k 级明纹处，其位置为级明纹处，其位置为 x 零级条纹应在两光束零级条纹应在两光束等光程等光程处：处：23第23页，本讲稿共69页即：零级条纹移动到第即：零级条纹移动到第7级明纹处。级明纹处。由由24第24页，本讲稿共69页pr1 r2xxDdopr1 r

10、2xxDdo装置装置1装置装置2观察结果相同！观察结果相同！二二.有透镜存在时相位差的计算有透镜存在时相位差的计算25第25页，本讲稿共69页主光轴主光轴光心光心1 12 23 31 12 23 3物点和像点之间各物点和像点之间各光线光线光程差光程差为零为零或，各光线或，各光线等光程等光程两两波面波面之间之间光光程相等程相等结论：透镜成像不会引入附加相位差结论：透镜成像不会引入附加相位差即即26第26页，本讲稿共69页洛埃镜实验1 1、洛埃镜、洛埃镜三三.其他类似装置其他类似装置处理办法：处理办法：等效双缝等效双缝或或思考：思考：为什么为什么光程差光程差公式中公式中出现了出现了27第27页，本

11、讲稿共69页双面镜实验2 2、菲涅耳双面镜、菲涅耳双面镜28第28页，本讲稿共69页双棱镜实验3 3、菲涅耳双棱镜、菲涅耳双棱镜29第29页，本讲稿共69页杨氏双缝花样杨氏双缝花样 双棱镜花样双棱镜花样洛埃镜花样洛埃镜花样作业：作业：12.10 12.11 12.1230第30页，本讲稿共69页典型元件典型元件 多缝多缝 （等间距的平行缝）（等间距的平行缝）光栅光栅 1 1、装置、装置观察屏观察屏光栅常数光栅常数透光宽度透光宽度不透光的宽度不透光的宽度多缝多缝四、分波面法多光束干涉四、分波面法多光束干涉 31第31页，本讲稿共69页相干光束和光程差相干光束和光程差衍射角衍射角单色平单色平行光正

12、行光正入射入射观察屏观察屏多缝多缝相邻光线的光程差相等相邻光线的光程差相等32第32页，本讲稿共69页场点场点P P：N个（缝数）同频率、同振幅、同振动方向个（缝数）同频率、同振幅、同振动方向的相邻光线的相位差相同的简谐波的合成的相邻光线的相位差相同的简谐波的合成相邻光线的光程差：相邻光线的光程差：相应相位差：相应相位差：2 2、强度分布、强度分布(N 个缝个缝)主极大主极大33第33页，本讲稿共69页光栅方程光栅方程由上两式得由上两式得主极大的强度主极大的强度主极大分布图主极大分布图34第34页，本讲稿共69页 极小极小由上两式得相邻光线光程差为由上两式得相邻光线光程差为35第35页，本讲稿

13、共69页第一个极小第一个极小第二个极小第二个极小第第 N-1个极小个极小两个主极两个主极大之间有大之间有 N-1个极小个极小36第36页，本讲稿共69页 次极大次极大 两个极小之间有一个次极大两个极小之间有一个次极大 两个主极大之间有两个主极大之间有 N-2 个次极大个次极大只考虑多光束干涉的光强分布只考虑多光束干涉的光强分布如如 N=5缝数愈多缝数愈多主极大愈强主极大愈强37第37页，本讲稿共69页 12.4 薄膜干涉薄膜干涉38第38页，本讲稿共69页一、一、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 *39第39页，

14、本讲稿共69页e e反射光反射光2 2反射光反射光1 1 A A入入射射光光(单单色色平平行光垂直入射行光垂直入射)n n n n n n(设设n n n n )明纹明纹暗纹暗纹同一厚度同一厚度e 对应同一级条纹对应同一级条纹 等厚条纹等厚条纹1 1、劈尖干涉、劈尖干涉二、等厚干涉二、等厚干涉光程差光程差平行光平行光垂直入射垂直入射到劈尖上到劈尖上40第40页，本讲稿共69页条纹形状条纹形状 条纹间距条纹间距相邻条纹的相邻条纹的光程差光程差差一个波长差一个波长明纹明纹暗纹暗纹41第41页，本讲稿共69页条纹条纹间距间距明纹明纹暗纹暗纹 条纹的移动条纹的移动（反映膜的厚度变化）（反映膜的厚度变化

15、）条纹疏密的变化条纹疏密的变化（反映楔角的改变）（反映楔角的改变）怎么看条纹移动？盯怎么看条纹移动？盯住某一级住某一级,看这一级对看这一级对应的厚度在哪个方向应的厚度在哪个方向.42第42页，本讲稿共69页应用应用测波长测波长 测折射率测折射率测细小直径、厚度、微小变化测细小直径、厚度、微小变化 h h待待测测块块规规标标准准块块规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43第43页，本讲稿共69页例题例题2、用波长为用波长为500nm的单色光垂直照射到由两块光学玻的单色光垂直照射到由两块光学玻璃构成的空气劈尖上，在观察反射光的干涉现象中，距劈璃构成的空气劈尖

16、上，在观察反射光的干涉现象中，距劈尖棱边长为尖棱边长为L=1.5cm的的A处是从棱边算起的第四条暗条处是从棱边算起的第四条暗条纹中心。求此空气劈尖的劈尖角纹中心。求此空气劈尖的劈尖角。A解：反射光光程差为解：反射光光程差为棱边处棱边处满足暗纹条件满足暗纹条件44第44页，本讲稿共69页A处是从棱边算起的第四条暗条纹处是从棱边算起的第四条暗条纹A又解：两相邻暗纹间距又解：两相邻暗纹间距若用若用600nm的单色光照射，的单色光照射，A点处是明纹还是暗纹？点处是明纹还是暗纹？45第45页，本讲稿共69页例题例题3 3、观察到工件干涉相邻暗纹间距、观察到工件干涉相邻暗纹间距l=2 mm,条纹条纹最大弯

17、曲处与该条纹的间距为最大弯曲处与该条纹的间距为 x=0.8=0.8mm,求出不平处求出不平处的高度或深度是多少？设入射光波长的高度或深度是多少？设入射光波长解：等厚干涉条纹反映了解：等厚干涉条纹反映了同一干涉条纹对应相同的同一干涉条纹对应相同的薄膜空气层厚度。薄膜空气层厚度。由于弯曲的条纹向左方，即由于弯曲的条纹向左方，即向劈棱边方向弯曲，所以，不平向劈棱边方向弯曲，所以，不平处应是处应是凹形凹形的。的。l46第46页，本讲稿共69页光程差：光程差：2.2.牛顿环牛顿环 (1)(1)(2)(2).S S分束镜分束镜M M显微镜显微镜o o 牛顿环牛顿环装置简图装置简图平凸透镜平凸透镜平晶平晶

18、e erR R平晶平晶平凸透镜平凸透镜 暗环暗环 o o形状形状第第m个个暗环半径？暗环半径？47第47页，本讲稿共69页白光入射的牛顿环照片白光入射的牛顿环照片48第48页，本讲稿共69页测透镜球面的半径测透镜球面的半径R检验透镜球表面质量检验透镜球表面质量如果待测透镜合格如果待测透镜合格 现象如何现象如何?待测透镜待测透镜暗纹暗纹标准验规标准验规 应用应用49第49页，本讲稿共69页三、等倾干涉三、等倾干涉L fPo r环环 en n n n i C21Siii B rAD薄膜的厚度均匀薄膜的厚度均匀则相同倾角的光线光程差相同则相同倾角的光线光程差相同50第50页，本讲稿共69页倾角倾角i

19、 相同的光线对应同一条干涉条纹相同的光线对应同一条干涉条纹 等倾条纹等倾条纹一系列同心圆环一系列同心圆环内疏外密内疏外密条纹特点条纹特点:形状形状 条纹间隔分布条纹间隔分布 条纹级次分布条纹级次分布 波长对条纹的影响波长对条纹的影响 膜厚变化时条纹的移动膜厚变化时条纹的移动中间级次最高中间级次最高51第51页，本讲稿共69页iPifo or环环en n n n 面光源面光源只只要要入入射射角角i相相同同,都都将将汇汇聚聚在在同同一一个个干干涉涉环环上上（非非相相干干叠叠加）加）.面光源在薄膜干涉中的特殊贡献面光源在薄膜干涉中的特殊贡献 应用：应用：增透增透(射射)膜和增反射膜膜和增反射膜基片基

20、片镀膜镀膜空气空气 为增强光学仪器的透射或反射能力，一般为增强光学仪器的透射或反射能力，一般采用在光学仪器表面镀膜的方法。采用在光学仪器表面镀膜的方法。52第52页，本讲稿共69页例例 膜厚度均匀膜厚度均匀 光光垂直入射垂直入射 若若反射光干涉相长反射光干涉相长反射光会增强，相应的膜称为反射光会增强，相应的膜称为增反膜。增反膜。若若反射光干涉相消反射光干涉相消透射光增强，相应的膜称为透射光增强，相应的膜称为增透膜。增透膜。光程差为：光程差为：基片基片镀膜镀膜空气空气 53第53页，本讲稿共69页（1）干涉相长的条件）干涉相长的条件增反膜膜厚为：增反膜膜厚为：最小厚度为：最小厚度为：（2）干涉相

21、消的条件干涉相消的条件增透膜的厚度为增透膜的厚度为最小厚度为最小厚度为第54页，本讲稿共69页如何在实验上区分上述条纹是等倾还是牛顿环如何在实验上区分上述条纹是等倾还是牛顿环?等倾条纹等倾条纹牛顿环牛顿环55第55页，本讲稿共69页在确定的角度下观察在确定的角度下观察 或说：入射角固定或说：入射角固定,则则在波长一定的情况下在波长一定的情况下光光程差程差只取决于薄膜的只取决于薄膜的厚厚度度.相同厚度相同厚度的地方对应的地方对应相同的光程差相同的光程差(2)(2)等倾干涉等倾干涉薄膜的厚度薄膜的厚度均匀均匀则相同倾角则相同倾角的光线光程的光线光程差相同差相同两个特殊结果两个特殊结果(1)(1)等

22、厚干涉等厚干涉56第56页，本讲稿共69页镜头颜色为什么发紫镜头颜色为什么发紫?57第57页，本讲稿共69页例题例题4.4.白光垂直照射到空气中一厚度为白光垂直照射到空气中一厚度为3800埃的肥皂埃的肥皂膜上。设肥皂膜的折射率为膜上。设肥皂膜的折射率为1.33，试问，试问（1）正面反射光的光程差）正面反射光的光程差解：可见光范围解：可见光范围（1 1）该膜的正面呈现什么颜色？该膜的正面呈现什么颜色？（2 2）该膜的反面呈现什么颜色？该膜的反面呈现什么颜色？58第58页，本讲稿共69页（2）反面透射光的光程差）反面透射光的光程差绿光绿光作业作业:12.17 12.19 12.20 12.2112

23、.2659第59页，本讲稿共69页12.5 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60第60页，本讲稿共69页迈克耳逊在工作迈克耳逊在工作 迈克耳逊迈克耳逊（A.A.Michelson）美籍德国人美籍德国人因创造精密光因创造精密光学仪器，用以学仪器，用以进行光谱学和进行光谱学和度量学的研究，度量学的研究，并精确测出光并精确测出光速，速，获获19071907年年诺贝尔物理奖。诺贝尔物理奖。61第61页，本讲稿共69页迈克耳孙干涉仪1.1.工作原理工作原理1 12 21 1 2 2 62第62页，本讲稿共69页光束光束22和和11发生干涉发生干涉M1 2 22 2 1 11 1

24、S S半透半反膜半透半反膜M2M1G G1 1G G2 2E补偿板补偿板G G2 2的作用的作用分光板分光板G1的作用的作用 获得等倾条纹的条件获得等倾条纹的条件M 1、M2平行平行 发散光入射发散光入射 获得等厚条纹的条件获得等厚条纹的条件M 1、M2有小夹角有小夹角 平行光入射平行光入射63第63页，本讲稿共69页64第64页，本讲稿共69页 观察条纹移动观察条纹移动M 1 12 22 2 1 11 1 S半透半反膜半透半反膜M2M1G1 1G2 2E当当M2平移时，两束光的光程平移时，两束光的光程差发生改变差发生改变.当当M2平移平移距离距离时时M2平移平移 d 时时 干涉条移过干涉条移

25、过N 条条干涉条纹移过干涉条纹移过一一个明条纹（或暗条纹）个明条纹（或暗条纹）数出移过的明（或暗）数出移过的明（或暗）条纹数目条纹数目N，便可以算，便可以算出出 移过的距离移过的距离 .2.2.应用应用微小位移测量微小位移测量测折射率测折射率65第65页，本讲稿共69页空气膜变厚时吐出条纹空气膜变厚时吐出条纹66第66页，本讲稿共69页空气膜变薄时吞进条纹空气膜变薄时吞进条纹67第67页，本讲稿共69页移级M2平移平移d，条纹右移（或左移）条纹右移（或左移）N级级.68第68页，本讲稿共69页例题例题5.迈克尔逊干涉仪可用来测量单色光的波长，迈克尔逊干涉仪可用来测量单色光的波长，当当 移动距离移动距离 时，测得某单色光时，测得某单色光的干涉条纹移过的干涉条纹移过 N=1024 条，试求该单色光的波长。条，试求该单色光的波长。解：解：69第69页，本讲稿共69页