光学第一章光干涉PPT讲稿.ppt

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1、光学第一章光干涉第1页，共51页，编辑于2022年，星期五第一章第一章 光的干涉光的干涉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丰富多彩的干涉现象丰富多彩的干涉现象第2页，共51页，编辑于2022年，星期五蝉翅在阳光下蝉翅在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?第3页，共51页，编辑于2022年，星期五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第4页，共51页，编辑于2022年，星期五独立独立(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

2、光)1 1 光的相干性光的相干性光源最基本发光单元是分子、原子光源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=c自自发发辐辐射射一一.相干光的获得相干光的获得1 1、普通光源的发光机理、普通光源的发光机理发光时间发光时间 10-8秒秒第5页，共51页，编辑于2022年，星期五对普通光源对普通光源：两个光源两个光源一个光源的两一个光源的两个不同部分个不同部分不能观察到干涉现象不能观察到干涉现象2.2.普通光源获得相干光的方法普通光源获得相干光的方法把光源上同一点发出的光设法分成两部分把光源上同一点发出的光设法分成两部分分波振面法：杨氏双

3、缝干涉实验分波振面法：杨氏双缝干涉实验分振幅法：薄膜干涉分振幅法：薄膜干涉第6页，共51页，编辑于2022年，星期五 3.3.激光光源：激光光源：=(E2-E1)/hE1E2 完全一样完全一样(频频率率,位位相相,振振动动方向方向,传播方向传播方向)受激辐射受激辐射第7页，共51页，编辑于2022年，星期五1.实验装置及实验结果实验装置及实验结果:2.理论分析：理论分析：2 2 杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉 D d托马斯托马斯 .杨杨第8页，共51页，编辑于2022年，星期五pr1 r2 x波程差：波程差：相位差：相位差：明纹条件：明纹条件：暗纹条件：暗纹条件：xDMoS1S2dx0 xI x第9

4、页，共51页，编辑于2022年，星期五条纹间距条纹间距(相邻明纹中心间隔相邻明纹中心间隔)：条纹特点条纹特点：(3)(3)相邻明（暗）纹中心间隔：相邻明（暗）纹中心间隔：(1)(1)一系列平行的明暗相间的等间距直条纹；一系列平行的明暗相间的等间距直条纹；(2)r(2)r2 2-r-r1 10 0时，时，x=0,kx=0,k0 0 中央明纹中央明纹0级亮纹级亮纹+1级级+2级级-1级级-2级级 x观察屏观察屏暗纹暗纹单色光入射时双缝干涉的条纹单色光入射时双缝干涉的条纹 可由此测可由此测 D d?第10页，共51页，编辑于2022年，星期五(4)(4)若白光入射，则中央明纹仍为白色，其它干涉条若白

5、光入射，则中央明纹仍为白色，其它干涉条纹是彩色的，形成各级光谱。纹是彩色的，形成各级光谱。光谱不重叠的条件为光谱不重叠的条件为第11页，共51页，编辑于2022年，星期五光强分布光强分布光强曲线光强曲线相相长干涉（明）长干涉（明）相消干涉（暗）相消干涉（暗）IImaxImino 2-2 4-4 第12页，共51页，编辑于2022年，星期五三三.条纹衬比度条纹衬比度（对比度，反衬度）（对比度，反衬度）Io 2-2 4-4 4I1衬比度差衬比度差(V 1)衬比度好衬比度好(V=1)IImaxImino 2-2 4-4 描述条纹的明显程度描述条纹的明显程度思考：思考：若双缝的宽度不等条纹有何变化？若

6、双缝的宽度不等条纹有何变化？第13页，共51页，编辑于2022年，星期五四四.菲涅耳双镜干涉菲涅耳双镜干涉菲涅耳双镜菲涅耳双镜洛艾镜洛艾镜(自学自学)第14页，共51页，编辑于2022年，星期五例:在双缝干涉实验中，为使屏上的干涉在双缝干涉实验中，为使屏上的干涉条纹间距变大，可以采取的办法是：条纹间距变大，可以采取的办法是：B （A）使屏靠近双缝；）使屏靠近双缝；（B）使两缝的间距变小；）使两缝的间距变小；（C）把两个缝的宽度稍微调窄；）把两个缝的宽度稍微调窄；（D）改用波长较小的单色光源。）改用波长较小的单色光源。第15页，共51页，编辑于2022年，星期五用白光光源进行双缝实验，若用一个纯

7、红色用白光光源进行双缝实验，若用一个纯红色的滤光片遮盖一条缝，用一个纯蓝色的滤光的滤光片遮盖一条缝，用一个纯蓝色的滤光片遮盖另一条缝，则片遮盖另一条缝，则 (A)(A)干涉条纹的宽度将发生改变。干涉条纹的宽度将发生改变。(B)(B)产生红光和蓝光的两套彩色干涉条纹。产生红光和蓝光的两套彩色干涉条纹。(C)(C)干涉条纹的亮度将发生改变。干涉条纹的亮度将发生改变。(D)(D)不产生干涉条纹。不产生干涉条纹。D第16页，共51页，编辑于2022年，星期五3 3 光程和光程差光程和光程差一一.光程、光程差光程、光程差真空中真空中光在真空中走光在真空中走r r长的路长的路 媒质中媒质中(折射率为折射率

8、为n n）真空中波长真空中波长光在媒质中走光在媒质中走r r长的路长的路 n媒质中波长媒质中波长第17页，共51页，编辑于2022年，星期五 可见，光在可见，光在媒质中媒质中走走r r长的路的相位变化等于长的路的相位变化等于在在真空真空中走中走nrnr路的相位变化。路的相位变化。1.1.定义光程定义光程:nrnr(等效真空程等效真空程)2.2.光程差光程差:3.3.位位相相差差与与光光程程差关系：差关系：注意：注意：为真为真空中波长空中波长r1r2S1S2n1n2P第18页，共51页，编辑于2022年，星期五由由明纹明纹暗纹暗纹4.4.用光程差用光程差d d表示的干涉加强、减弱条件表示的干涉加

9、强、减弱条件明纹明纹暗纹暗纹 u注意与光程差对应的波长总是注意与光程差对应的波长总是真空中波长真空中波长!！得得第19页，共51页，编辑于2022年，星期五透镜的等光程差性透镜的等光程差性对透镜成象，从物点到象点，沿各条传播路径对透镜成象，从物点到象点，沿各条传播路径(光线光线)的光程相等，即物点到象点各光线之间的光程差为零的光程相等，即物点到象点各光线之间的光程差为零.使用透镜不会引起各相干光之间的附加光程差。使用透镜不会引起各相干光之间的附加光程差。acbFABCabcFF ABCabcSS(b)(a)(c)第20页，共51页，编辑于2022年，星期五例例1S1S2r1r2dnp求：求：P

10、点光程差、位相差？点光程差、位相差？光程差：光程差：位相差：位相差：第21页，共51页，编辑于2022年，星期五例例2S1S2r1r2p如如图图若若将将杨杨氏氏双双缝缝装装置置置置于于折折射射率率为为n n的的液液体体中中，求：求：P P点光程差点光程差.光程差：光程差：n屏上干涉条纹有何变化？屏上干涉条纹有何变化？屏上干涉条纹间距变小屏上干涉条纹间距变小第22页，共51页，编辑于2022年，星期五例例 在图示的双缝干涉实在图示的双缝干涉实验中，若用薄玻璃片验中，若用薄玻璃片(折射率折射率n1=1.4)覆盖缝覆盖缝 S1，用同样，用同样厚度的玻璃片（但折射率厚度的玻璃片（但折射率n21.7）覆

11、盖缝）覆盖缝 S2，将使屏上，将使屏上原来未放原来未放 玻璃时的中央明条玻璃时的中央明条纹所在处纹所在处 o 变为第五条明纹，设单色光波长变为第五条明纹，设单色光波长 =480nm，求玻璃片的厚度，求玻璃片的厚度d（可认为光线垂直穿过玻璃片）。（可认为光线垂直穿过玻璃片）。原来的原来的0级明纹去哪里了？级明纹去哪里了？第23页，共51页，编辑于2022年，星期五解：解：原来原来覆盖玻璃后，覆盖玻璃后，第24页，共51页，编辑于2022年，星期五入入射射光光(单单色色平平行行光光垂直入射垂直入射)一一.劈尖劈尖 n n反射光反射光14 4 薄膜干涉薄膜干涉 (一一)等厚条纹等厚条纹en A反射光

12、反射光2光程差光程差明纹：明纹：暗纹：暗纹：同一厚度同一厚度e e对应同一级条纹对应同一级条纹等厚条纹等厚条纹 ekek+1明纹明纹暗纹暗纹 el第25页，共51页，编辑于2022年，星期五1.1.劈劈尖尖表表面面附附近近形形成成的的是是一一系系列列与与棱棱边边平平行行的、明暗相间等距的直条纹。的、明暗相间等距的直条纹。暗纹暗纹2.2.相邻明相邻明(暗暗)纹高度差纹高度差3.3.相邻明相邻明(暗暗)纹之间距离纹之间距离l l与与反比反比在楞边：在楞边：k=1234.白光垂直照射时的条纹白光垂直照射时的条纹第26页，共51页，编辑于2022年，星期五二二.空气劈尖（劈形空气膜）：空气劈尖（劈形空

13、气膜）：明纹中心明纹中心暗纹中心暗纹中心2.2.相邻明相邻明(暗暗)纹高度差纹高度差3.3.相邻明相邻明(暗暗)纹之间距离纹之间距离l 与与反比反比1.1.光程差光程差上板往上平移，上板往上平移，条纹如何变？条纹如何变？上表面上表面下表面下表面nn条纹移向棱边条纹移向棱边第27页，共51页，编辑于2022年，星期五劈尖的应用劈尖的应用:测波长测波长：已知已知、n，测，测 l 可得可得 测折射率测折射率：已知已知、，测测 l 可得可得n 测细小直径、厚度、微小变化测细小直径、厚度、微小变化干涉膨胀仪干涉膨胀仪以波长为尺子以波长为尺子 第28页，共51页，编辑于2022年，星期五 测表面不平度测表

14、面不平度等厚条纹等厚条纹待测工件待测工件平晶平晶工工件件有有何何种种缺缺陷陷？凹凹、凸多少？凸多少？l凸起凸起h待待测测块块规规 标标准准块块规规平晶平晶精确测量较大长度精确测量较大长度第29页，共51页，编辑于2022年，星期五薄膜情况对薄膜干涉的影响薄膜情况对薄膜干涉的影响薄膜不能太厚薄膜不能太厚薄膜不能太薄薄膜不能太薄薄膜对光的吸收不能太强薄膜对光的吸收不能太强第30页，共51页，编辑于2022年，星期五例：例：两两个个直直径径有有微微小小差差别别的的彼彼此此平平行行滚滚柱柱之之间间的的距距离离为为L，夹夹在在两两块块平平晶晶之之间间，形形成成空空气气劈劈尖尖，单单色色光光入入射射时时，

15、产产生生等等厚厚条条纹纹，如如果果减减小小L，则则在在L范范围围内内干涉条纹的干涉条纹的A.数目减少，间距变大数目减少，间距变大B.数目不变，间距变小数目不变，间距变小C.数目增加，间距变小数目增加，间距变小D.数目减少，间距不变数目减少，间距不变L第31页，共51页，编辑于2022年，星期五二二.牛顿环牛顿环.S分束镜分束镜M显微镜显微镜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光程差：光程差：明明暗暗 erR平晶平晶平凸透镜平凸透镜 暗环暗环oo第32页，共51页，编辑于2022年，星期五明环：明环：暗环：暗环：明环半径：明环半径：暗环半径：暗环半径：明暗环半径：明暗环半径：

16、erR平晶平晶平凸透镜平凸透镜 暗环暗环oo内疏外密的同心圆环内疏外密的同心圆环第33页，共51页，编辑于2022年，星期五2.2.接触点接触点e=0 e=0 暗斑暗斑1.1.同一同一e e 处形成同一级条纹处形成同一级条纹3.3.相邻明（暗）纹对应厚度差：相邻明（暗）纹对应厚度差：以接触点为中心的同心圆环以接触点为中心的同心圆环牛顿环牛顿环以接触点为中心的同心圆环以接触点为中心的同心圆环内疏外密内疏外密中间条纹级次低中间条纹级次低如果平凸透镜上移，如果平凸透镜上移，条纹怎样移动条纹怎样移动?第34页，共51页，编辑于2022年，星期五透射条纹与反射条纹互补透射条纹与反射条纹互补5.5.透射光

17、干涉条纹：透射光干涉条纹：明明暗暗光程差：光程差：亦是能量守恒的体现亦是能量守恒的体现第35页，共51页，编辑于2022年，星期五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 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 对暗环对暗环已知已知,测测 m m、r rk+mk+m、r rk k，可得，可得R R。已知已知R R，测出，测出m m、r rk+mk+m、r rk k，可得可得。第36页，共51页，编辑于2022年，星期五例例：如如图图，用用单单色色光光垂垂直直照照射射透透镜镜半半径径为为R R的的牛牛顿顿环环，求求反反射

18、射光光形形成成的的牛牛顿顿环各暗环半径。环各暗环半径。e0n1各级干涉条纹向中心收缩各级干涉条纹向中心收缩第37页，共51页，编辑于2022年，星期五在图示三种透明材料构成的牛顿环装置中，在图示三种透明材料构成的牛顿环装置中，用单色光垂直照射，在反射光中看到干涉条纹，用单色光垂直照射，在反射光中看到干涉条纹，则在接触点则在接触点P P处形成的圆斑为处形成的圆斑为 (A)(A)全明。全明。(B)(B)全暗。全暗。(C)(C)右半部明，左半部暗。右半部明，左半部暗。(D)(D)右半部暗，左半部明。右半部暗，左半部明。D D反射光的干涉条纹分布反射光的干涉条纹分布?第38页，共51页，编辑于2022

19、年，星期五 在牛顿环装置的平凸透镜和平板玻璃间充以某种在牛顿环装置的平凸透镜和平板玻璃间充以某种透明液体，观测到第透明液体，观测到第1010个明环的直径由充液前个明环的直径由充液前的的14.8cm14.8cm变成充液后的变成充液后的12.7c m,12.7c m,求这种液体求这种液体的折射率的折射率n n。各级干涉条纹向中心收缩各级干涉条纹向中心收缩第39页，共51页，编辑于2022年，星期五L fPo eni21Siii 5 5 薄膜干涉薄膜干涉 (二二)等倾干涉等倾干涉 点光源照明均匀薄膜时的干涉条纹分析点光源照明均匀薄膜时的干涉条纹分析倾角倾角i相同的光线对应同一条干涉条纹相同的光线对应

20、同一条干涉条纹 等倾条纹。等倾条纹。明纹明纹暗纹暗纹第40页，共51页，编辑于2022年，星期五透射光条纹与反射光相反（透射光条纹与反射光相反（互补互补）一系列同心圆环一系列同心圆环第41页，共51页，编辑于2022年，星期五四四.应用：增透膜、反射膜应用：增透膜、反射膜空气空气空气空气e1.1.增透增透2.2.增反增反12第42页，共51页，编辑于2022年，星期五光学镜头的增透膜一光学镜头的增透膜一般对应般对应550nm550nm的黄绿的黄绿光光。第43页，共51页，编辑于2022年，星期五6 6 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M 122 11 S半透半反膜

21、半透半反膜M2M1G1G2E补偿板补偿板二二 .工作原理工作原理光束光束22和和11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 等厚条纹等厚条纹若若M M1 1平移平移 d d时，干涉条移过时，干涉条移过N N条，则有：条，则有：第第1章结束章结束第44页，共51页，编辑于2022年，星期五例题：例题：在迈克耳孙干涉仪的两臂在迈克耳孙干涉仪的两臂中分别引入中分别引入 10 厘米长的厘米长的玻璃管玻璃管 A、B，其中一个，其中一个抽成真空，另一个在充以抽成真空，另一个在充以一个大气压空气的过程中一个大气压空气的过程中观察到观察到107.2 条条

22、纹移动，条条纹移动，所用波长为所用波长为546nm。求空气的折射率？。求空气的折射率？解：设空气的折射率为解：设空气的折射率为 n条纹移动一条时，对应光程差的变化为一个波长，当观察到条纹移动一条时，对应光程差的变化为一个波长，当观察到107.2 条条移过时，光程差的改变量满足：移过时，光程差的改变量满足：迈克耳孙干涉仪的两臂中迈克耳孙干涉仪的两臂中便于插放待测样品，由条便于插放待测样品，由条纹的变化测量有关参数纹的变化测量有关参数。精度高精度高。第45页，共51页，编辑于2022年，星期五1.1.单色平行光垂直照射在薄膜上，经上下两表面反射单色平行光垂直照射在薄膜上，经上下两表面反射的两束光发

23、生干涉，如图所示，若薄膜的厚度为的两束光发生干涉，如图所示，若薄膜的厚度为e e，且，且n n1 1nnn3 3，1 1为入射光在为入射光在n n1 1中的波长，则两束反射光的光中的波长，则两束反射光的光程差、位相差分别为程差、位相差分别为入入射射光光反射光反射光1反射光反射光2e第46页，共51页，编辑于2022年，星期五2.2.波长为波长为 的单色光垂直照射由两块玻璃板构的单色光垂直照射由两块玻璃板构成的空气劈尖，已知劈尖角为成的空气劈尖，已知劈尖角为q q。如果劈尖角。如果劈尖角变为变为q q，从劈棱数起的第四条明条纹位移值，从劈棱数起的第四条明条纹位移值x x是多少是多少?第47页，共

24、51页，编辑于2022年，星期五3.如图所示，在双缝干涉实验中如图所示，在双缝干涉实验中SS1=SS2，用波长为，用波长为 的的光照射双缝光照射双缝S1和和S2，通过空气后在屏幕，通过空气后在屏幕E上形成干涉条纹。上形成干涉条纹。已知已知P点处为第三级明条纹，则点处为第三级明条纹，则S1和和S2到到P点的光程差为点的光程差为 。若将整个装置放于某种透明液体中，若将整个装置放于某种透明液体中，P点为第四级明条纹，点为第四级明条纹，则该液体的折射率则该液体的折射率n=3 4/3第48页，共51页，编辑于2022年，星期五4.4.如图所示，设有两个同相的相干点光源如图所示，设有两个同相的相干点光源S

25、 S1 1和和S S2 2，发出波长，发出波长为为 的光。的光。A A是它们连线的中垂线上的一点。若在是它们连线的中垂线上的一点。若在S S1 1与与A A之间插入厚度为之间插入厚度为e e、折射率为、折射率为n n的薄玻璃片，则两光源发的薄玻璃片，则两光源发出的光在出的光在A A点的位相差点的位相差?若已知若已知 5000A5000A，n=1.5n=1.5，A A点恰为第四级明纹中心，点恰为第四级明纹中心，则则e=e=S1S2A第49页，共51页，编辑于2022年，星期五3.3.在如图所示的牛顿环装置中，把玻璃平凸透镜和在如图所示的牛顿环装置中，把玻璃平凸透镜和平面玻璃（设玻璃折射率平面玻璃（设玻璃折射率n n1 1=1.50=1.50）之间的空气）之间的空气(n(n2 2=1.00)=1.00)改换成水改换成水(n(n2 2=1.33)=1.33)，求第，求第k k个暗环半径个暗环半径的相对改变量的相对改变量（）第50页，共51页，编辑于2022年，星期五例例3 3 在在玻玻璃璃基基片片上上均均匀匀镀镀一一层层折折射射率率为为1.381.38的的透透明明介介质质膜膜。单单色色光光垂垂直直入入射射。欲欲使使膜膜上上下下表表面面反反射射光光干干涉涉相相消消，介介质质膜膜至至少少应应多多厚？厚？玻璃玻璃第51页，共51页，编辑于2022年，星期五