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,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,本幻灯片资料仅供参考，不能作为科学依据，如有不当之处，请参考专业资料。,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,本幻灯片资料仅供参考，不能作为科学依据，如有不当之处，请参考专业资料。,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,本幻灯片资料仅供参考，不能作为科学依据，如有不当之处，请参考专业资料。,大学物理学,第,13,章 光干涉,第1页,本篇研究对象,:,光,。,光是什么？近代物理认为，光既是一个波动,(,电磁波,),，又是一个粒子,(,光子,),。就是说，光是含有波粒二象性统一体。,光学通常分为几何光学、波动光学和量子光学三部分。,本篇仅讨论波动光学。波动光学是当代激光光学、信息光学、非线性光学和很多应用光学主要基础。波动最主要特征是含有干涉、衍射和偏振现象。,引 言,第2页,13.1,光波相干叠加,光波,光源,光波叠加,相干光取得,第3页,引发眼睛视觉效应主要是光波中电场矢量 。,可见光,:,频率,:3.910,14,7.710,14,Hz;,对应真空中波长,:,77003900,。,不一样频率光，颜色也不一样。,红 光,77006200 3.910,14,4.8 10,14,Hz,橙 光,62005900 4.810,14,5.1 10,14,Hz,黄 光,59005600 5.110,14,5.4 10,14,Hz,绿 光,56005000 5.410,14,6.0 10,14,Hz,青 光,50004800 6.010,14,6.3 10,14,Hz,蓝 光,48004500 6.310,14,6.7 10,14,Hz,紫 光,4500 3900 6.710,14,7.7 10,14,Hz,表,13-1,可见光范围,一,.,可见光波,称为,光矢量（或光振动）,光波是,电磁波,。,第4页,光强：,因为光波中光矢量 与能流密度 以极快频率（约,10,14,Hz,）振荡，现有接收器能接收到是观察仪器在响应时间内平均能流密度。在光学中，称之为光强,I,。,通常我们所关心是同一个介质中不一样位置光强相对大小，所以光强也能够定义为：,第5页,发光本质：,光是光源中原子或分子从高能级向低能级跃迁时发出。,波列,v,=,(,E,2,-,E,1,)/,h,波列长,x,=,c,能级跃迁辐射,E,1,E,2,波列：,原子发光过程所经历时间,很短，原子发射光波是一段频率一定、振动方向一定、长度有限光波，通常称为波列。,二,.,光 源,光源定义：,能发射光波物体称为光源。,第6页,(2),激光光源,：,受激辐射,(,将在近代物理中讨论,),(3),同时辐射光源：靠近光速变速电子一个电磁辐射。,(1),普通光源：,自发辐射,(,随机,、,独立,),不相干,(,不一样原子发光,),不相干,(,同一原子先后发光,),光源类型,第7页,二,.,光波叠加,当几列光波在同一介质中相遇时，其合成光振动是各列光波单独在该点所产生光振动矢量和。,光波叠加原理：,光波叠加,P,1,2,r,1,r,2,第8页,在观察时间,内，,P,点平均强度为,对普通光源来说，因为原子发光是间歇、随机、独立，在观察,时间,内，相位差,将随机改变，以相同概率取,02,间一切可能值。所以,非相干叠加,(,且各处光强均匀分布,),第9页,假如在观察,时间,内，相位差,保持恒定,则合成光强为,相干叠加,称为干涉项。,因为两束光间相位差 随空间各点位置不一样而改变。合成光强也将随空间各点位置不一样而不一样，于是在空间形成强弱相间稳定分布。这是相干叠加主要特征。,第10页,假如,I,1,=I,2,:,光干涉,明纹,(,加强,),暗纹,(,减弱,),相干条件,则在空间相遇区域就会形成稳定,明、暗相间条纹分布,，这种现象称为,光干涉,。,两束光,:,(1),频率相同；,(2),光振动方向相同；,(3),相差恒定；,第11页,四,.,取得相干光方法,普通光源发出光是不相干。,利用普通光源取得相干光基本方法是：,将,一个光源微小部分,(,视为点光源或线光源,),发出光,设法,分成两束再,使其,相聚,。,取得相干光方法,1.,分波阵面法,(,杨氏试验,),2.,分振幅法,(,薄膜干涉,),第12页,13.2,光程和光程差,光程,光程差,薄透镜等光程性,第13页,光波每传过一个波长距离，其相位改变,2,。但光波在不一样介质中传输时，其波长不一样，则传输相同距离带来相位改变不一样。为方便处理光在不一样介质中因波长不一样对相位改变影响，引入光程概念。,光频率,v,由光源确定。光速由媒质确定。,真空中，光速,:,c=f,媒质中,，光速,:,=f,n=c,/,=/n,一,.,光程,引入光程背景,第14页,可见，同一频率光在折射率为,n,介质中传输旅程,x,时引发位相落后和光在真空中传输旅程,nx,时引发位相落后相同。,=/n,光程,光振动相位沿传输方向是逐点落后。假如光在折射率为,n,，,波长为,介质中传输旅程,x,，则光振动位相落后为：,光程定义：,介质折射率,n,和传输旅程,x,乘积,nx,称为光程。,第15页,光程物理意义,:,光程等于在相同时间内光在真空中经过旅程。,设经时间,t,，光在折射率为,n,媒质中经过几何旅程为,x,。,显然，,光程,n,x,=n,t,=,c t,。,n=c,/,=/n,引入,光程好处：,引入,光程概念后，就能将光在媒质中经过几何旅程折算为真空中旅程来研究。这就防止了波长随媒质改变而带来困难。,第16页,二,.,光程差,=,=,s,2,s,1,r,2,r,1,p,n,1,n,2,s,2,S,1,p=,r,1,s,1,p,e,1,e,2,n,1,n,2,S,2,p=,r,2,n,1,r,1,-,n,2,r,2,(r,1,-e,1,+n,1,e,1,),-(r,2,-e,2,+n,2,e,2,),定义：,两束光光程之差称为,光程差。,第17页,s,2,s,1,r,2,r,1,p,n,1,n,2,设相干光源,s,1,和,s,2,初相相同,，抵达,p,点时相差：,=2k,明纹,(,加强,),=(2k+1),暗纹(减弱),即,明纹,暗纹,=,真空中波长,光程差,两束光干涉强弱取决于光程差，而不是几何旅程之差,第18页,即,明纹,暗纹,=,即,明纹,暗纹,=,对,初相相同,两相干光源,研究点光程差等于,半波长偶数倍,出现,明条纹,;,研究点光程差等于,半波长奇数倍,出现,暗条纹,第19页,三,.,薄透镜等光程性,从实物发出不一样光线，以不一样路径经过透镜后，能够会聚成 个明亮实像。,从,S,发出光线,1,、,2,抵达,S,点光程相等。,透镜能够改变光线传输方向，但不附加光程差。,s,1,2,第20页,三角形,SOP,SOP,三角形,OOF,FSP,凸透镜,第21页,F,凸透镜,薄透镜不产生附加光程差,!?,A,B,C,光路可逆。,u,第22页,F,p,薄透镜不产生附加光程差,D,E,G,第23页,13.3,双缝干涉试验 *空间相干性,杨氏双缝干涉试验,类似双缝干涉试验,*空间相干性,第24页,一,.,杨氏双缝试验,明条纹位置,明条纹位置,明条纹位置,取得相干光方法,1.,分波阵面法,(,杨氏试验,),2.,分振幅法,(,薄膜干涉,),试验现象,第25页,=,r,2,-r,1,=,明纹,暗纹,s,2,s,1,p,o,D,d,s,*,r,2,r,1,K=0,K=1,K=1,K=2,K=2,理论分析,真空，,s,在,s,1,s,2,中垂线上，于是单色,光源,s,1,和,s,2,初相相同,，干涉强弱取决于从,s,1,和,s,2,发出两光线光程差：,第26页,于是明暗纹条件可写为,s,*,s,2,s,1,p,o,D,d,r,2,r,1,x,x,K=0,K=-1,K=1,K=2,K=-2,明纹,暗纹,第27页,k=,0,1,2,分别称为第一级、第二级,暗纹,等等。,k,为干涉条纹,级,次。,明纹,坐标为,k,=0,1,2,依次称为零级、第一级、第二级明纹等等。零级亮纹,(,中央亮纹,),在,x,=0,处。,暗纹，,k,=0,1,2,.,明纹，,k,=0,1,2,.,明纹,暗纹,第28页,(1),干涉条纹是平行双缝直线条纹。中央为零级明纹，上下对称，明暗相间，均匀排列。,(2),相邻亮纹,(,或暗纹,),间距离为,s,*,s,2,s,1,p,o,D,d,r,2,r,1,x,x,K=0,K=-1,K=1,K=2,K=-2,条纹特征：,第29页,k=0,k=-1,k=-2,k=1,k=2,如用白光作试验,则除了中央亮纹仍是白色外,其余各级条纹形成,从中央向外由紫到红排列彩色条纹,光谱,。,第30页,解,第,2,级明纹彩色带,(,光谱,),宽度,=4,000,第,2,级亮纹和,7,000,第,2,级亮纹之间距离,x,。,明纹坐标为,代入：,d=,0.25mm,D,=500mm,2,=,710,-4,mm,1,=,4 10,-4,mm,得：,x,=1.2mm,k=0,k=-1,k=-2,k=1,k=2,x,例题,双缝,:,d,=0.25mm,D,=50cm,用白光,(,4000,7000),照射，求第,2,级明纹彩色带,(,第,2,级光谱,),宽度。,第31页,例题,将双缝用厚,e,、折射率分别为,n,1,=1.4,、,n,2,=1.7,透明薄膜盖住，发觉原中央明级处被第五级亮纹占据,如图所表示。所用波长,=6000,问：现零级明纹在何处？膜厚,e=?,=10,-5,m,=(,n,2,-n,1,)e,o,e,n,1,n,2,e,s,1,s,2,未盖薄膜,时中央明纹,o:,盖薄膜时,o,点光程差,:,现在零级明纹在何处,?,解：,第32页,现在零级明纹在何处,(,加片后,)?,现在零级明纹在未加片,-5,级明纹处,.,(,零级,),o,e,n,1,n,2,e,s,1,s,2,第33页,S,x,O,O,透射波没有半波损失,二,.,洛埃镜,因存在半波损失，故洛埃镜明暗纹恰好与杨氏双缝相反。,当光,从光疏,媒质射,到光密,媒质并在界面上反射时，,反射光有半波损失。,计算光程差,时，另,加,(,或减,),/2,；,计算位相差时，另加,(,或减,),。,第34页,13.4,薄膜干涉,薄膜干涉,等厚干涉,*等倾干涉,第35页,(,分振幅法,),两条光线光程差,因为,光程差,一、薄膜干涉,还需考查光在薄膜上下两个面上,反射,有没有,半波损失,。,s,B,C,D,i,r,A,n,3,n,2,n,1,e,反射光,透射光,第36页,当,n,1,n,2,n,3,或,n,1,n,2,n,2,n,2,n,3,（或,n,1,n,3,）时，,反射光光程差要加半波损失项,，,中,就要另,加,(,或减,),/2,。,透射光无半波损失项。,在反射光中观察和在透射光中观察，光程差总是相差,/2,。,反射光和透射光明暗条纹恰好相反。这叫,条纹互补,。这是能量守恒必定结果。,s,B,C,D,i,r,A,n,3,n,2,n,1,e,反射光,透射光,第37页,式中：,n,2,薄膜折射率；,n,1,入射媒质折射率。,反射光总光程差为：,+,半,=,明纹,暗纹,(k=0,1,2),明纹,暗纹,反射光,透射光,s,B,C,D,i,r,A,n,3,n,2,n,1,e,第38页,解,先求出两反射光线光程差。,对,垂直入射，,i,=0,，依据折射率关系可知无半波损失项，于是,：,+,半,=,2en,2,无反射意味着反射光出现暗纹，所以,n,2,=1.25(,薄膜折射率,);,要,e,最小，,k,=0,(k=0,1,2,),=12,00=1.210,-7,m,1.50,e,1.25,例题,一平板玻璃,(n=1.50),上有一层透明油膜,(n=1.25),，要使波长,=6000,光垂直入射无反射，薄膜最小,膜厚,e=?,第39页,解,因为是空气中薄膜，一定有半波损失，故,+,半,=,用,1,时，,用,2,时，,由上面两式得,:,例题,光线以,i,=30,入射到空气中薄膜,(n,2,=1.25),上。当波长,1,=6400,时，反射最大,；而当波长,2,=4000,时，反射最小。求薄,膜最小厚度。,第40页,=,6983,于是得,要,膜厚最小，取,k,1,=3,，,k,2,=4,4(2k,1,-1)=5,k,2,1,=6400,2,=4000,第41页,增透膜与高反射膜,在光学仪器,(,如摄影机、摄像机等,),镜头,(,n,=1.50),上镀一层厚度均匀透明薄膜,(,惯用氟化镁,MgF,2,n,=1.38),用以增加透射，这个薄膜,就是,增透膜,。,1.50,e,1.38,5500,5500,这是,5500,黄绿光,透射增强。,反射光加强条件是,:,假设光线垂直入射，镀膜时采取光学厚度为：,在可见光范围内只有,k=2,=4100,紫色。,第42页,与增透膜相反,在另一些光学系统中希望光学表面含有很高反射率,(,如,HeNe,激光器要求反射,99%),，这时可在元件表面多层镀膜以增强反射,这类薄膜称为,增反膜,或高反射膜。,1317,层,MgF,2,(1.38),1.50,ZnS(2.35),MgF,2,(1.38),ZnS(2.35),MgF,2,(1.38),镀膜时,要适当选择每层膜厚度,使反射加强。,第43页,劈尖干涉,当光线垂直入射时，在反射光中观察，有,1.,入射光波长,一定时，,一条条纹,(,一个,k),，对应 一个厚度,，故称为,等厚干涉,。,e,明纹,暗纹,(k=1,2),(k=0,，,1,2),级次愈高,(k,愈大,),对应膜厚愈大。,劈尖,上下界面成,很小夹角,薄膜。,二、等厚干涉,第44页,3.,任意两相邻亮纹,(,或暗纹,),所对应空气膜厚度差为,2.,干涉条纹是明暗相间平行直线条纹。因为半波损失，叠合处为一暗纹。,明纹,暗纹,e,k,e,k+1,l,e,第45页,4.,设相邻两亮纹,(,或暗纹,),间距离为,l,，,则有,l,sin,=,e,明纹,暗纹,e,k,e,k+1,l,e,即,第46页,解,k=0,1,2,.,此时尖顶处是亮纹还是暗纹？,取,k,=7,，得,SiO,2,e,1.57,3.42,Si,例题,测量,SiO,2,薄膜厚度可用做成劈尖状。,S,i,O,2,：,n,2,=1.57,，,S,i,：,n,3,=3.42,，所用波长,=6000,，观察到劈尖上共出现,8,条暗纹，且第八条暗纹恰好出现在斜面最高点。求,S,i,O,2,薄膜厚度。,第47页,解,等厚干涉条纹特点是,一条条纹,对应,一个厚度,。,工件表面纹路是,凹,下去。,H,l,a,工件,标准平面,由图：,H,=,a,sin,因：,lsin,=/2,所以,纹路深度,例题,工件和标准平面组成空气劈尖，并观察到弯曲干涉条纹如图所表示。试依据条纹弯曲方向,判断工件表面上纹路是凹还是凸,?,并求纹路深度,H,。,第48页,光程差,明环,暗环,牛顿环,第49页,(k=1,2),(k=0,1,2),明环半径：,暗环半径：,明环,暗环,式中,n,2,为空气膜折射率。,第50页,k,增大，,减小,牛顿环内疏外密,环中央为暗纹,(k=0,1,2),暗环半径：,暗环半径：,半径越大，条纹级次,k,越高,2,牛顿环内疏外密,空气中牛顿环分布特点：,第51页,解,由牛顿环明环公式，得,空气中：,液体中：,例题,将牛顿环由空气移入一透明液体中，发觉第,8,明环半径由,1.40cm,变为,1.21cm,，求该液体折射率。,第52页,解,明环,(k=1,2),暗环,(k=0,，,1,2.),=,由图知：,明环半径,暗环半径,e,o,1,o,2,R,2,R,1,e,1,e,2,r,例题,牛顿环装置由曲率半径,(,R,1,和,R,2,),很大两个透镜组成，设入射光波长为,，求明暗环半径,。,第53页,13.5,迈克耳逊干涉仪 *时间相干性,迈克耳逊干涉仪,*时间相干性,第54页,M,1,和,M,2,是两块平面反射镜。,G,1,有二分之一透明薄银层，起分光作用。,G,2,起赔偿作用。,G,1,、,G,2,与,M,1,、,M,2,倾斜均为,45,角。,d,光束,和 发生干涉,调整,M,2,和,M,1,后面调整螺钉，可改变等效空气薄膜厚度，即可观察到波膜干涉各种情况。,一、迈克耳孙干涉仪,M,2,和,M,1,对,G,1,形成虚像,M,1,间形成一空气薄膜。,第55页,当,M,1,、,M,2,不严格垂直时,M,1,和,M,2,之间形成空气劈尖，这时可观察到等厚干涉直线条纹。,若当,M,1,、,M,2,严格垂直时,M,1,、,M,2,平行，,M,1,和,M,2,之间形成等厚空气膜,可观察到等倾条纹圆形条纹,;,条纹特点,每当,M,1,移动,/2,光线,1,、,2,光程差就改变一个,，视场中就会看见,一条条纹移过。,d,假如看见,N,条条纹移过，则反射镜,M,1,移动距离是,第56页,设计精巧，两束相干光完全分开，能够方便改变任一光路光程。,，,迈克耳孙干涉仪优点,迈克耳逊干涉仪有着广泛用途,如精密测量长度、测媒质折射率、检验光学元件质量和测定光谱精细结构等。,应用,第57页,例题,在迈克耳逊干涉仪一臂中插入一透明薄膜,(,厚,e,、,n=1.40),，,(1),求光线,1,、,2,光程差和位相差改变量；,(2),插入时看到,7,条条纹移过，,=5890,，求,薄膜厚度,e=?,解,(1),=2(n-1)e,;,=,51538,(2),由,:,=2(n-1)e=7,得：,2,1,s,G,1,G,2,M,1,M,2,e,n,第58页,明纹,暗纹,一、杨氏双缝干涉,光干涉小结,:,二、薄膜干涉,+,半,=,暗纹,(k=0,1,2),反射光,明,纹,第59页,l,sin,=,即,明环,暗环,(k=1,2),(k=0,，,1,2.),=,三、劈尖干涉,四,.,牛 顿 环,五,.,迈克耳逊干涉仪,第60页,
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