第3章光的干涉.ppt

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1、 光学光学-研究研究 光的现象光的现象;光的本性光的本性;光与物质的相互作用光与物质的相互作用.20世纪世纪60年代激光问世后，光学有了年代激光问世后，光学有了飞速的发展，形成了飞速的发展，形成了非线性光学非线性光学等等现代光学现代光学。几何光学：几何光学：以光的直线传播规律为基础，以光的直线传播规律为基础，研究各种光学仪器的理论。研究各种光学仪器的理论。量子光学：量子光学：以光的量子理论为基础，以光的量子理论为基础，研究光与物质相互作用的规律。研究光与物质相互作用的规律。波动光学：波动光学：以光的电磁波本性为基础，以光的电磁波本性为基础，研究传播规律，特别是干涉、衍射、偏振研究传播规律，特别

2、是干涉、衍射、偏振 的理论和应用。的理论和应用。1光的波动性光的波动性:判判据据干涉现象干涉现象衍射现象衍射现象光波的特点：光波的特点：波长短波长短3900 -7800 速度高速度高光源在原子内部光源在原子内部波动光学波动光学2 第第3章章 光的干涉光的干涉 3.1 光的单色性和相干性光的单色性和相干性 3.2 双缝干涉双缝干涉 3.3 光程与光程差光程与光程差 3.4 薄膜干涉薄膜干涉-等倾干涉等倾干涉 3.5 劈尖干涉劈尖干涉-等厚干涉等厚干涉 3.6 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪 3水膜在水膜在白光下白光下白光下的肥皂膜白光下的肥皂膜丰富多彩的干涉现象丰富多彩的干涉现象4蝉翅在蝉翅在阳光

3、下阳光下蜻蜓翅膀在阳光下蜻蜓翅膀在阳光下白光下的油膜白光下的油膜肥皂泡玩过吗肥皂泡玩过吗?5等倾条纹等倾条纹牛顿环牛顿环(等厚条纹等厚条纹)测测油膜厚度油膜厚度平晶间空气隙干涉条纹平晶间空气隙干涉条纹6电磁波谱电磁波谱可见光可见光可见光可见光是能引起人的视觉的那部分电磁波是能引起人的视觉的那部分电磁波人眼最敏感的光：黄绿光，中心波长人眼最敏感的光：黄绿光，中心波长555555nmnm对数坐标对数坐标软软x射线射线真空紫真空紫外线外线紫紫外外光光可可见见光光近红近红外光外光中红中红外光外光远红外光远红外光宇宙射线宇宙射线 射线射线 x射线射线微波微波短短波波中中波波长波长波对数坐标对数坐标光光

4、波波线性坐标系线性坐标系紫紫 靛靛蓝蓝绿绿黄黄橙橙红红青青注：注：波长的波长的数据各种资数据各种资料不统一，料不统一，稍有不同稍有不同73-13-1光的单色性和相干性光的单色性和相干性一一.普通光源与激光光源普通光源与激光光源光源的最基本的发光光源的最基本的发光单元是分子、原子。单元是分子、原子。（1）热辐射）热辐射（2）电致发光）电致发光（3）光致发光）光致发光（4）化学发光）化学发光光源光源冷冷光源：光源：利用热能激发的光源利用热能激发的光源热热光源：光源：利用化学能、电能或光能激发的光源利用化学能、电能或光能激发的光源光源光源-发光的物体发光的物体81.1.普通光源：自发辐射普通光源：自

5、发辐射独立独立（同一原子不同时刻发的光）（同一原子不同时刻发的光）独立独立 （不同原子同一时刻发的光）（不同原子同一时刻发的光）=(E2-E1)/hE1E2自发辐射跃迁自发辐射跃迁波列波列波列长波列长 L=t c发光时间发光时间t t 10-8s原子发光：原子发光：方向不定的振动方向不定的振动 瞬息万变的初位相瞬息万变的初位相此起彼伏的间歇振动此起彼伏的间歇振动光波列光波列光波列光波列-长度有限、频率一定、振动方向一定的光波长度有限、频率一定、振动方向一定的光波长度有限、频率一定、振动方向一定的光波长度有限、频率一定、振动方向一定的光波92 激光光源：受激辐射激光光源：受激辐射E1E2 =(E

6、2-E1)/h 可以实现光放大可以实现光放大;单色性好单色性好;相干性好。相干性好。例如例如:氦氖激光器氦氖激光器;红宝石激光器红宝石激光器;半导体激光器等等。半导体激光器等等。完全一样完全一样（频率频率,相位相位,振动方向振动方向,传播方向传播方向都相同）都相同）10二二.光的单色性光的单色性实际原子的发光实际原子的发光:是一个有限长的波列是一个有限长的波列,所以所以不是严格的余弦函数不是严格的余弦函数,只能说是准单色光只能说是准单色光:在某个中心频率（波长）附近有一定频率在某个中心频率（波长）附近有一定频率 （波长）范围的光。（波长）范围的光。衡量单色性好坏的衡量单色性好坏的物理量是物理量

7、是谱线宽度谱线宽度 理想的单色光：理想的单色光：具有恒定单一波长的简谐波，具有恒定单一波长的简谐波，它是无限伸展的。它是无限伸展的。或单一频率的光或单一频率的光例例:普通单色光普通单色光 :10-2 10 0A 激光激光 ：10-8 10-5 A 0 0II0I0/2谱线宽度谱线宽度11三、复色光三、复色光复色光：复色光：由各种频率复合的光由各种频率复合的光实际波列有限长实际波列有限长复色光复色光四、四、相干性相干性两个独立的光源两个独立的光源两个独立的光源两个独立的光源发出的光发出的光发出的光发出的光或同一或同一或同一或同一光源的两光源的两光源的两光源的两部分部分部分部分发出的光都不是相干光

8、发出的光都不是相干光发出的光都不是相干光发出的光都不是相干光同一原子同一次同一原子同一次同一原子同一次同一原子同一次发出的光在空间相遇时是相干光发出的光在空间相遇时是相干光发出的光在空间相遇时是相干光发出的光在空间相遇时是相干光12相干光的获得相干光的获得相干光的获得相干光的获得方法方法方法方法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 S*从同一波阵面从同一波阵面从同一波阵面从同一波阵面上取出两部分上取出两部分上取出两部分上取出两部分作为相干光源作为相干光源作为相干光源作为相干光源利用光在两种介质分利用光在两种介质分利用光在两种介质分利用光在两种介质分界面上的反射光和透界面上的反

9、射光和透界面上的反射光和透界面上的反射光和透射光作为相干光射光作为相干光射光作为相干光射光作为相干光13杨杨(T.Young)在在1801年年首先首先发现光的干涉发现光的干涉现象，并首次测量了现象，并首次测量了光波的波长。光波的波长。3-2 3-2 双缝干涉双缝干涉14一一.杨氏双缝实验杨氏双缝实验1.装置原理装置原理152.干涉明暗条纹的位置干涉明暗条纹的位置波程差波程差16可得干涉明暗条纹的位置可得干涉明暗条纹的位置明纹明纹暗纹暗纹其中其中17相邻两亮纹相邻两亮纹(或暗纹或暗纹)之间的距离都是之间的距离都是3 讨论：讨论：1)1)一系列平行的明暗相间的一系列平行的明暗相间的干涉干涉干涉干涉

10、条纹条纹2)2)相邻两明相邻两明(或暗或暗)纹的间距纹的间距 不太大时条纹等间距不太大时条纹等间距184)4)白光照射：白光照射：-条纹变稀疏条纹变稀疏d d和和D D一定一定时时d d变小变小或或D D变大变大d d变大或变大或D D变小变小 x 变大变大 x 变小变小 -条纹变密集条纹变密集 变小变小 x变小变小 变大变大 x变大变大中央明纹为白色，其它各级为彩中央明纹为白色，其它各级为彩色，内紫外红色，内紫外红3)3)一定时一定时19若若 ，则，则明纹光强明纹光强暗纹光强暗纹光强5)光强分布光强分布-I1、I2为两相干光单独为两相干光单独在在P点处的光强点处的光强20白光入射的杨氏双缝干

11、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您能您能判断判断0级条纹在哪吗？级条纹在哪吗？21例例.钠光灯作光源，波长钠光灯作光源，波长 ，屏与双缝的，屏与双缝的距离距离 D=500 mm,(1)d=1.2 mm 和和 d=10 mm,相邻明相邻明条纹间距分别为多大？（条纹间距分别为多大？（2)若相邻明条纹的最小分辨距若相邻明条纹的最小分辨距离为离为 0.065 mm ,能分辨干涉条纹的双缝间距是多少？能分辨干涉条纹的双缝间距是多少？解解(1)d=1.2 mm d=10 mm(2)双缝间距双缝间距 d 为为22二、二、二、二、菲涅耳双棱镜干涉实验菲涅耳双

12、棱镜干涉实验菲涅耳双棱镜干涉实验菲涅耳双棱镜干涉实验EEMNss1s2dBCp干涉区干涉区23三、菲涅耳双三、菲涅耳双面面镜实验镜实验-明暗条纹分布与杨明暗条纹分布与杨氏双缝实验相同氏双缝实验相同等效为两个虚光源光的干涉等效为两个虚光源光的干涉干涉区干涉区24四、洛埃镜实验四、洛埃镜实验l l光在镜面反射时有半波损失光在镜面反射时有半波损失-结果与杨氏双缝实验相反结果与杨氏双缝实验相反暗纹暗纹干涉区干涉区25杨氏双缝花样杨氏双缝花样 双棱镜花样双棱镜花样劳埃镜花样劳埃镜花样26一一.光程光程3-3 光程与光程差光程与光程差设设c为光在真空中的传播速度，为光在真空中的传播速度，v为光在为光在折射

13、率为折射率为n的媒质中的传播速度的媒质中的传播速度由折射率定义由折射率定义FF t 时间内，光在介质中传播的距离时间内，光在介质中传播的距离27FF t 时间内，光在真空中传播的距离时间内，光在真空中传播的距离l l光程：光程：光在某一媒质中走过的几何路光在某一媒质中走过的几何路程程 r与该媒质折射率与该媒质折射率 n的乘积的乘积 nr介介质质中中真真空空中中28意义：意义：将媒质中的路程折算成真空将媒质中的路程折算成真空中的路程，以便比较中的路程，以便比较二、光程差：二、光程差：相位差：相位差：光在真空中的波长光在真空中的波长两光程之差叫做光程差两光程之差叫做光程差29在光学中常用到透镜在光

14、学中常用到透镜三三.透镜不产生附加光程差透镜不产生附加光程差S acbS实验告诉我们：实验告诉我们：物点到象点各光线之间的光程差为零物点到象点各光线之间的光程差为零(不证不证)acbFabcFF30媒质媒质1 光疏媒质光疏媒质媒质媒质2 光密媒质光密媒质n1n2折射光折射光反射光反射光入射光入射光四、半波损失四、半波损失若若 n n1 1 n n )反射光反射光2反射光反射光1S*单色平行光单色平行光121、2两束反射光来自两束反射光来自同一束入射光，它们同一束入射光，它们可以产生干涉可以产生干涉 。通常让光线几乎垂直入射通常让光线几乎垂直入射通常让光线几乎垂直入射通常让光线几乎垂直入射3-5

15、 3-5 劈尖劈尖干涉干涉 -等厚干涉等厚干涉 劈尖劈尖夹角很小的两个平面所构成的薄膜夹角很小的两个平面所构成的薄膜50设单色平行光线在设单色平行光线在A点处入射，膜厚为点处入射，膜厚为d，在在 n,定了以后定了以后,只是厚度只是厚度 d 的函数。的函数。反射光反射光1 单色平行光垂直入射单色平行光垂直入射dn n nA反射光反射光2(设设n n )一个厚度一个厚度d，对应着一个光程差对应着一个光程差，对应着一个条纹对应着一个条纹等厚条纹等厚条纹。反射光反射光1,2叠加叠加 要不要考虑半波损失？要不要考虑半波损失？51在此问题中，棱边处在此问题中，棱边处 是亮纹还是暗纹？是亮纹还是暗纹？亮纹亮

16、纹暗纹暗纹dkdk+1（答：暗纹）（答：暗纹）相邻两条亮纹对应的厚度相邻两条亮纹对应的厚度dk,dk+1相差相差多大多大？亮纹与暗纹亮纹与暗纹等间距地相间排列。等间距地相间排列。52条纹条纹间距间距 条纹间距条纹间距明纹明纹暗纹暗纹条纹分得更开，更好测量。条纹分得更开，更好测量。相邻两明相邻两明(或暗或暗)纹对应劈尖的厚度差纹对应劈尖的厚度差对空气劈对空气劈对空气劈对空气劈53FF对空气层：平移对空气层：平移 距离时有一条条纹移过距离时有一条条纹移过劈尖上表面向上平移劈尖上表面向上平移干涉条纹间距不变，条纹向棱边移动干涉条纹间距不变，条纹向棱边移动条纹向相反方向移动条纹向相反方向移动劈尖上表面

17、向下平移劈尖上表面向下平移54(1)测长度微小变化测长度微小变化(2)检查光学平面的缺陷检查光学平面的缺陷受热受热膨胀膨胀干涉条纹移动干涉条纹移动玻璃板向上平移玻璃板向上平移条纹整体移条纹整体移 l 改变改变 h条纹偏向膜（空气）厚部条纹偏向膜（空气）厚部表示平面上有凸起。表示平面上有凸起。平面上有凹坑平面上有凹坑。等厚干涉的等厚干涉的应用应用55ReviewReview1.反射光干涉反射光干涉薄膜干涉薄膜干涉-等倾条纹等倾条纹PLDC34E5A1B22.透射光干涉透射光干涉垂直入射时有垂直入射时有:i=056 dn n nA(n n )劈尖干涉劈尖干涉-等厚干涉等厚干涉 相邻两明相邻两明(或

18、暗或暗)纹对应劈尖的厚度差纹对应劈尖的厚度差 条纹间距条纹间距57例例1 为测定为测定Si上的上的SiO2厚度厚度d，可用化学方法将可用化学方法将SiO2膜的一部分腐蚀成劈尖形。现用膜的一部分腐蚀成劈尖形。现用=589.3nm的光垂直入射的光垂直入射,观察到观察到7条明纹条明纹,问问d=?(已知已知Si:n1=3.42，SiO2:n2=1.50).解：上下面都有半波损失解：上下面都有半波损失SiO2Si58因棱边处对应于因棱边处对应于k=0，故，故d处明纹对应于处明纹对应于k=659平板玻璃平板玻璃平板玻璃平板玻璃平凸透镜平凸透镜平凸透镜平凸透镜二二.牛顿环牛顿环在厚度为在厚度为 d 处处-明

19、明-暗暗FF中心处中心处(d=0):对应对应k=0的暗纹的暗纹60讨论：讨论：（1）光程差由厚度）光程差由厚度 d 决定决定-等厚干涉等厚干涉（2）厚度相同的点是一系列以）厚度相同的点是一系列以0为中心的同心圆为中心的同心圆环，因此干涉条纹是一系列环，因此干涉条纹是一系列同心圆环同心圆环-牛顿环牛顿环（3）干涉环半径）干涉环半径又又61-明明-暗暗-明明-暗暗62明环半径明环半径暗环半径暗环半径(4)干干涉环间的距离涉环间的距离-内疏外密内疏外密63（5）平凸透镜向上平移时，中心处）平凸透镜向上平移时，中心处有圆环吞入；反之则有圆环冒出有圆环吞入；反之则有圆环冒出对空气层：对空气层：平移平移

20、距离时有一条条纹移过距离时有一条条纹移过64白光入射的牛顿环照片白光入射的牛顿环照片65试问试问试问试问(1)(1)油滴与玻璃交界处是明条油滴与玻璃交界处是明条油滴与玻璃交界处是明条油滴与玻璃交界处是明条还是暗条还是暗条还是暗条还是暗条?(2)?(2)油膜的最大厚度是油膜的最大厚度是油膜的最大厚度是油膜的最大厚度是多少多少多少多少?(3)?(3)若油滴逐渐滩开，条纹若油滴逐渐滩开，条纹若油滴逐渐滩开，条纹若油滴逐渐滩开，条纹将如何变化将如何变化将如何变化将如何变化?(?(油油油油:n n2 2=1.60=1.60,玻璃玻璃玻璃玻璃:n n3 3=1.50=1.50）例例例例2 2 在平面玻璃板

21、上滴一滴油，用在平面玻璃板上滴一滴油，用在平面玻璃板上滴一滴油，用在平面玻璃板上滴一滴油，用 =576nm=576nm的单色光的单色光的单色光的单色光垂直照射，从反射光中看到图示的干涉条纹垂直照射，从反射光中看到图示的干涉条纹垂直照射，从反射光中看到图示的干涉条纹垂直照射，从反射光中看到图示的干涉条纹(暗纹暗纹暗纹暗纹)解：解：解：解：(1)(1)因因因因n n1 1nnn3 3，所所所所以要考虑半波损失以要考虑半波损失以要考虑半波损失以要考虑半波损失由暗纹条件由暗纹条件由暗纹条件由暗纹条件66(2)中心点为中心点为k=4的暗纹的暗纹(3)最外暗环逐渐最外暗环逐渐向外扩张向外扩张，里面条，里面

22、条纹纹向内收缩向内收缩，条纹级数逐渐减少，中，条纹级数逐渐减少，中心点明暗交替变化心点明暗交替变化知：知：交界处交界处d=0对应于对应于k=0的暗纹的暗纹67测凸透镜的曲率半径测凸透镜的曲率半径第第 m 级暗环对应级暗环对应半径半径 rm膜厚膜厚明明暗暗牛顿环的牛顿环的应用应用683.6 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪补偿玻补偿玻璃板璃板半透明半透明镀银层镀银层一、一、工作原理工作原理M2固定固定M1可移动可移动两光束发生干涉两光束发生干涉补偿板补偿板G2的作用的作用补偿光程差补偿光程差70设设M1与与M2之间的空气层厚度为之间的空气层厚度为d讨论：讨论：（1）M1和和M2严格垂直严格垂直:空气

23、薄膜干涉空气薄膜干涉-圆环圆环M1平移平移 ：-干涉条纹移动数目干涉条纹移动数目71（2）M1和和M2不严格垂直：空气劈干涉不严格垂直：空气劈干涉M2移动移动/2，则有一条纹移过，则有一条纹移过二二.应用应用（1）已知某光波波长）已知某光波波长 ，数出数出 n，则可测长度则可测长度 d（2）数出）数出 n和读出和读出 d，可测可测光波波长光波波长 72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学仪因创造精密光学仪器，用以进行光谱器，用以进行光谱学和度量学的研究，学和度量学的研究，并精确测出光速，并精确测出光速，获获1907190

24、7年诺贝尔物年诺贝尔物理奖。理奖。73请点击请点击你你认为是正确的答案认为是正确的答案（1）2ne；一一折折射射率率为为 ,厚厚度度为为e e 的的平平面面平平行行膜膜被被一一折折射射率率为为 的的媒媒质质包包围围。有有一一单单色色平平行行光光垂垂直直于于薄薄膜膜的的上上表表面面入入射射，从从薄薄膜膜上上、下下表表面面反反射射的的两两束束光光发发生生干干涉涉，若若 ，且且入入射射光光在在 媒质中的波长为媒质中的波长为 ，则两反射光的程差为，则两反射光的程差为nnnnnl22nnel+（2）;(3);(4)。结束选择结束选择74小议链接1请点击请点击你你认为是正确的答案认为是正确的答案（1）2n

25、e；一一折折射射率率为为 ,厚厚度度为为e e 的的平平面面平平行行膜膜被被一一折折射射率率为为 的的媒媒质质包包围围。有有一一单单色色平平行行光光垂垂直直于于薄薄膜膜的的上上表表面面入入射射，从从薄薄膜膜上上、下下表表面面反反射射的的两两束束光光发发生生干干涉涉，若若 ，且且入入射射光光在在 媒质中的波长为媒质中的波长为 ，则两反射光的程差为，则两反射光的程差为nnnnnl22nnel+（2）;(3);(4)。结束选择结束选择75小议链接2请点击请点击你你认为是正确的答案认为是正确的答案（1）2ne；一一折折射射率率为为 ,厚厚度度为为e e 的的平平面面平平行行膜膜被被一一折折射射率率为为

26、 的的媒媒质质包包围围。有有一一单单色色平平行行光光垂垂直直于于薄薄膜膜的的上上表表面面入入射射，从从薄薄膜膜上上、下下表表面面反反射射的的两两束束光光发发生生干干涉涉，若若 ，且且入入射射光光在在 媒质中的波长为媒质中的波长为 ，则两反射光的程差为，则两反射光的程差为nnnnnl22nnel+（2）;(3);(4)。结束选择结束选择76小议链接3请点击请点击你你认为是正确的答案认为是正确的答案（1）2ne；一一折折射射率率为为 ,厚厚度度为为e e 的的平平面面平平行行膜膜被被一一折折射射率率为为 的的媒媒质质包包围围。有有一一单单色色平平行行光光垂垂直直于于薄薄膜膜的的上上表表面面入入射射

27、，从从薄薄膜膜上上、下下表表面面反反射射的的两两束束光光发发生生干干涉涉，若若 ，且且入入射射光光在在 媒质中的波长为媒质中的波长为 ，则两反射光的程差为，则两反射光的程差为nnnnnl22nnel+（2）;(3);(4)。结束选择结束选择77小议链接4请点击请点击你你认为是正确的答案认为是正确的答案（1）2ne；一一折折射射率率为为 ,厚厚度度为为e e 的的平平面面平平行行膜膜被被一一折折射射率率为为 的的媒媒质质包包围围。有有一一单单色色平平行行光光垂垂直直于于薄薄膜膜的的上上表表面面入入射射，从从薄薄膜膜上上、下下表表面面反反射射的的两两束束光光发发生生干干涉涉，若若 ，且且入入射射光光在在 媒质中的波长为媒质中的波长为 ，则两反射光的程差为，则两反射光的程差为nnnnnl22nnel+（2）;(3);(4)。结束选择结束选择第第3章结束章结束78