C212光的干涉概述.pptx

很多光学元件对表面加工的质量要求非常高，一般精度要求在几分之很多光学元件对表面加工的质量要求非常高，一般精度要求在几分之一光波波长之内，一般机械检验方法难以达到这一精度，需要用干涉法来一光波波长之内，一般机械检验方法难以达到这一精度，需要用干涉法来检验。例如被检查的表面是一个平面，可以在它的上面放一个透明的标准检验。例如被检查的表面是一个平面，可以在它的上面放一个透明的标准样板，并在一端垫一薄片，使样板的标准平面和被检查的平面间形成一个样板，并在一端垫一薄片，使样板的标准平面和被检查的平面间形成一个劈形的空气薄层。用单色光从上面照射，入射光从空气层的上下表面反射劈形的空气薄层。用单色光从上面照射，入射光从空气层的上下表面反射出两列光波，于是从反射光中就会看到干涉条纹。如果被测表面是平的，出两列光波，于是从反射光中就会看到干涉条纹。如果被测表面是平的，产生的干涉条纹就是一组平行的直线；如果被测表面某些地方不平，产生产生的干涉条纹就是一组平行的直线；如果被测表面某些地方不平，产生的干涉条纹就要发生弯曲。从干涉条纹弯曲的方向和程度还可以了解被测的干涉条纹就要发生弯曲。从干涉条纹弯曲的方向和程度还可以了解被测表面的不平情况。表面的不平情况。第十二章第十二章 光的干涉光的干涉 研究光的干涉现象的产生和基本实验规律。本章教学内容本章教学内容:光源和光的相干性光源和光的相干性杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉薄膜干涉薄膜干涉基基 本本 要要 求求第十二章第十二章 光的干涉光的干涉1.掌握掌握光的相干性、光程和光程差的概念光的相干性、光程和光程差的概念2.理解理解获得相干光的分波阵面法和分振幅法获得相干光的分波阵面法和分振幅法3.掌握掌握双缝干涉条纹分布规律及相关计算方法双缝干涉条纹分布规律及相关计算方法4.掌握掌握劈尖干涉条纹分布规律及相关计算方法劈尖干涉条纹分布规律及相关计算方法5.掌握掌握牛顿环干涉条纹分布规律及相关计算方法牛顿环干涉条纹分布规律及相关计算方法6.了解了解迈克尔逊干涉仪的原理和应用迈克尔逊干涉仪的原理和应用回顾机械波的相干性回顾机械波的相干性 强度分布：强度分布：干涉项干涉项 相干条件相干条件振动方向相同振动方向相同频率相同频率相同相位差恒定相位差恒定相长相长相消相消普通光源很难实现相干条件普通光源很难实现相干条件一一.光源和光的干涉性光源和光的干涉性1.光源的分类光源的分类1)辐射性质：辐射性质：普通光源、激光光源普通光源、激光光源2)能量补给：能量补给：热光源、冷光源热光源、冷光源太阳，白炽灯水银灯普通光源：普通光源：自发辐射自发辐射频率频率相位相位偏振态偏振态传播方向传播方向完完全全相相同同激光：激光：受激辐射受激辐射2.光源发光的特点光源发光的特点频率频率振动方向振动方向初相初相不同不同间歇性间歇性随机性随机性两普通光源或同一光源的不同部分是不相干的两普通光源或同一光源的不同部分是不相干的3.获得相干光的基本方法获得相干光的基本方法思路思路将同一点光源、某一时刻发出的光分成两将同一点光源、某一时刻发出的光分成两束，再引导其相遇叠加束，再引导其相遇叠加 分振幅法分振幅法将透明薄膜两个面的反射将透明薄膜两个面的反射（透射）光作为相干光源（透射）光作为相干光源（分振幅（分振幅分能量）分能量）分波阵面法分波阵面法将同一波面上两不同将同一波面上两不同部分作为相干光源部分作为相干光源4.光程、光程差光程、光程差如何简化？如何简化？相干光在相遇点相干光在相遇点 P 叠加的合振动强度取决于两分叠加的合振动强度取决于两分振动的相位差振动的相位差 思路：思路：设法将光在介质中传播的距离折合成光在真设法将光在介质中传播的距离折合成光在真空中的距离，空中的距离，折合原则：折合原则：在引起光波相位改变上等效。在引起光波相位改变上等效。介质中介质中 x 距离内波数：距离内波数：真空中真空中同样同样波数占据的距离波数占据的距离介质折射率介质折射率结论：结论：光在折射率为光在折射率为n 的介质中前进的介质中前进x 距离引起的相位改距离引起的相位改变与在变与在真空中前进真空中前进nx 距离引起的相位改变相同。距离引起的相位改变相同。光程差：光程差：等效真空程之差等效真空程之差定义：定义：等效真空程等效真空程相位差为：相位差为：光程差光程差真空中波长真空中波长相长明相长明相消暗相消暗由由相长明相长明相消暗相消暗半波损失半波损失折射率折射率n较小较小n较大较大常见情况：常见情况：光由光疏介质射到光密介质界面上反射时附加光由光疏介质射到光密介质界面上反射时附加/2光程差光程差真空中加入厚真空中加入厚 d 的介质、增加的介质、增加(n-1)d 光程差光程差薄透镜不引起附加光程差（物点与象点间各光线薄透镜不引起附加光程差（物点与象点间各光线等光程）等光程）练习：练习：真空中波长为真空中波长为 的单色光，在折射率为的单色光，在折射率为n的均的均匀透明介质中，从匀透明介质中，从A点沿某一路径传播到点沿某一路径传播到B点，路径点，路径的长度为的长度为l=3/2n。A、B两点光振动相位差为多少两点光振动相位差为多少？解：解：A、B两点的光程差为两点的光程差为相位差为相位差为 实验装置实验装置二二.杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉 明暗纹条件明暗纹条件相长相长相消相消明明暗暗 k=0k=1k=-1k=2k=-2k=3k=-3条纹特点条纹特点形态：形态：平行于缝的等亮度、等间距、明暗相间条纹平行于缝的等亮度、等间距、明暗相间条纹亮度：亮度：宽度：宽度：双缝间距越小，双缝间距越小，条纹越宽条纹越宽条纹变化条纹变化条纹变化条纹变化S*白光照射双缝白光照射双缝:零级明纹：零级明纹：白色白色其余明纹：其余明纹：彩色光谱彩色光谱高级次重叠。高级次重叠。练习最先重叠：最先重叠：某级红光和高一级紫光某级红光和高一级紫光 相同相同因此未重叠的清晰光谱只有一级。因此未重叠的清晰光谱只有一级。用白光光源用白光光源()进行双缝干进行双缝干涉实验，求清晰可辩光谱的级次。涉实验，求清晰可辩光谱的级次。零级零级二级二级一级一级三级三级练习：练习：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。用波长为长为 的光照射双缝的光照射双缝S1和和S2，通过空气后在屏幕，通过空气后在屏幕E上上形成干涉条纹。已知形成干涉条纹。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点的光程差为多少？若将整个装置放于某种透点的光程差为多少？若将整个装置放于某种透明液体中，明液体中，P点变为第四级明条纹，则该液体的折射点变为第四级明条纹，则该液体的折射率为多少？率为多少？解：解：由明纹条件由明纹条件得得由明纹位置由明纹位置得得所以所以P其它分波阵面干涉其它分波阵面干涉 菲涅耳双面镜菲涅耳双面镜PML 洛埃镜洛埃镜(1)干涉条纹只存在于镜上方干涉条纹只存在于镜上方(2)当屏移到镜边缘时，屏于镜接触点出现暗条当屏移到镜边缘时，屏于镜接触点出现暗条纹纹光在镜子表面反射时有相位突变光在镜子表面反射时有相位突变。注意注意条纹下移条纹下移练习练习.在双缝干涉实验中，用折射率在双缝干涉实验中，用折射率n=1.58的玻的玻璃膜覆盖在一条缝上，这时屏上的第七级明纹移璃膜覆盖在一条缝上，这时屏上的第七级明纹移到原来中央明纹的位置上，若入射光波长为到原来中央明纹的位置上，若入射光波长为=550nm，求玻璃膜厚度。，求玻璃膜厚度。解：解：大肥皂泡最大时体积有13.5立方米大，还能自由漂浮，成为一道令人称奇的景观。而这个大肥皂泡出自37岁的“肥皂泡人”萨姆萨姆。萨姆萨姆真名萨姆-希斯。他通过20年的很多次实验，遭遇了无数次失败，研制出一种肥皂水秘方。上讲内容：上讲内容：光程差光程差光程差光程差：光程差光程差真空中波长真空中波长当当相长相长 明明相消相消 暗暗若若当当明明暗暗常见情况常见情况：光由光疏介质射到光密介质界面上反射时附加光由光疏介质射到光密介质界面上反射时附加薄透镜不引起附加光程差薄透镜不引起附加光程差(物点与象点间各光线等光程物点与象点间各光线等光程)证明请参看理科光学教程证明请参看理科光学教程(证明参看证明参看 姚启均姚启均 “光学教程光学教程”P.37)折射率折射率n较小较小n较大较大（半波损失）（半波损失）真空中加入厚真空中加入厚 d 的介质、增加的介质、增加(n-1)d 光程光程dn杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉明明暗暗明明暗暗k 取值与条取值与条纹级次一致纹级次一致双缝间距越小，双缝间距越小，条纹越宽条纹越宽 分振幅法分振幅法将透明薄膜两个面的反射将透明薄膜两个面的反射(透射透射)光作为相干光源光作为相干光源（分振幅（分振幅分能量）分能量）第十二章第十二章 光的干涉光的干涉 分波阵面法分波阵面法杨氏双缝干涉、菲涅耳双棱杨氏双缝干涉、菲涅耳双棱(面面)镜、劳埃镜等镜、劳埃镜等反射光反射光 2、3 相干光相干光 透射光透射光 4、5 相干光相干光相遇点相遇点p、p光强取决于光强取决于 1.薄膜表面的干涉条纹薄膜表面的干涉条纹介质介质 n1薄膜薄膜 n2，e光波光波 、i、入射光入射光 1 12354一一.薄膜干涉薄膜干涉由几何关系、折射定律由几何关系、折射定律涉及反射，考虑有无半波损失涉及反射，考虑有无半波损失 2有有、3无无 2无无、3有有12354反射时半波损失引反射时半波损失引起的附加光程差起的附加光程差 考虑半波损失：考虑半波损失：4无无、5无无4无无、5两次两次 12354 透透中无中无/2项项明暗条纹条件：明暗条纹条件：明明 k=1、2、3.暗暗 k=0、1、2.无论无论 反反,透透讨论讨论1 1(1)薄膜厚度均匀（薄膜厚度均匀（e一定），一定），随入射角随入射角i变化变化同一入射角同一入射角 i 对应同一干涉条纹对应同一干涉条纹不同入射角对应不同条纹不同入射角对应不同条纹干涉条纹为一组同心圆环干涉条纹为一组同心圆环等倾干涉等倾干涉(2)入射角入射角i一定（平行光入射），一定（平行光入射），随膜厚度随膜厚度e变化变化薄膜同一厚度处对应同一干涉条纹薄膜同一厚度处对应同一干涉条纹薄膜不同厚度处对应不同干涉条纹薄膜不同厚度处对应不同干涉条纹条纹形状与薄膜等厚线相同条纹形状与薄膜等厚线相同等厚干涉等厚干涉讨论讨论2 2单色、平行光垂直入射单色、平行光垂直入射 明暗条纹条件明暗条纹条件明暗条纹条件明暗条纹条件:n明明暗暗=装置装置装置装置:两块光学平板玻璃一端接触，两块光学平板玻璃一端接触，另一端垫一薄纸或细丝另一端垫一薄纸或细丝2.劈尖干涉条纹劈尖干涉条纹 条纹特点条纹特点条纹特点条纹特点:Lekek+1e楞边处楞边处 e=0形态：形态：平行于棱边，明、暗相间条纹平行于棱边，明、暗相间条纹条纹宽度（两相邻明纹间距）条纹宽度（两相邻明纹间距）变化：变化：条纹变密条纹变密白光入射出现彩条白光入射出现彩条空气劈尖充水条纹变密空气劈尖充水条纹变密动态：动态：(1)劈尖上表面平行上移，条纹如何变化？劈尖上表面平行上移，条纹如何变化？条纹宽度不变条纹宽度不变条纹左移条纹左移(向棱边方向移向棱边方向移)(2)轻压劈尖上表面，条纹如何变化？轻压劈尖上表面，条纹如何变化？条纹变宽条纹变宽条纹右移条纹右移(远离棱边方向移远离棱边方向移)每一条纹对应劈尖的一个厚度每一条纹对应劈尖的一个厚度,当此厚度位置改当此厚度位置改变时变时,对应的条纹随之移动对应的条纹随之移动.例：例：劈尖底面有一凹槽，条纹形状如何？劈尖底面有一凹槽，条纹形状如何？由于同一条纹下的空气由于同一条纹下的空气薄膜厚度相同，当待测平薄膜厚度相同，当待测平面上出现沟槽时条纹向左面上出现沟槽时条纹向左弯曲。弯曲。3）检验光学元件表面的平整度）检验光学元件表面的平整度Lekek+1e空气空气 4）测细丝的直径）测细丝的直径Lekek+1e3.牛顿环牛顿环装置：装置：平板玻璃上放置平板玻璃上放置曲率半曲率半径很大的平凸透镜径很大的平凸透镜明暗纹条件：明暗纹条件：单色平行光垂直入射单色平行光垂直入射 i=0明明暗暗条纹特点：条纹特点：以接触点为中心的明暗相间的同心圆环以接触点为中心的明暗相间的同心圆环中心中心暗斑暗斑nn1n1得得明明暗暗条纹内疏外密条纹内疏外密白光照射出现彩环白光照射出现彩环明暗纹半径：明暗纹半径：略去略去平凸透镜上平凸透镜上(下下)移动，移动，将引起条纹收缩将引起条纹收缩(扩张扩张)e条纹的形状取决于等厚膜线的形状条纹的形状取决于等厚膜线的形状等价于角度逐渐增大的劈尖等价于角度逐渐增大的劈尖例：例：用读数显微镜测量第用读数显微镜测量第 k 级和第级和第 m 级暗环级暗环半径半径 应用举例应用举例测量单色平行光的波长测量单色平行光的波长总结总结1）干涉条纹为光程差相同的点的轨迹，即厚度干涉条纹为光程差相同的点的轨迹，即厚度相等的点的轨迹相等的点的轨迹2）厚度线性增长条纹等间距，厚度非线性增长厚度线性增长条纹等间距，厚度非线性增长条纹不等间距条纹不等间距3）条纹的动态变化分析条纹的动态变化分析（n,变化时变化时）4）半波损失需具体问题具体分析半波损失需具体问题具体分析迈克尔孙迈克尔孙18521931年年 美国物理学家，主要从事光学和光谱学研究。美国物理学家，主要从事光学和光谱学研究。以毕生精力从事光速的精密测量，发明了干涉仪，以毕生精力从事光速的精密测量，发明了干涉仪，研制出高分辨率的光谱学仪器，经改进的衍射光栅研制出高分辨率的光谱学仪器，经改进的衍射光栅和测距仪。和测距仪。1887年与年与E.W.莫雷合作，进行了著名的莫雷合作，进行了著名的迈克尔孙迈克尔孙-莫雷实验。他首倡用光波波长作为长度基莫雷实验。他首倡用光波波长作为长度基准，提出在天文学中利用干涉效应的可能性，并且准，提出在天文学中利用干涉效应的可能性，并且用自己设计的星体干涉仪测量了恒星参宿四的直径。用自己设计的星体干涉仪测量了恒星参宿四的直径。荣获荣获1907年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。4.迈克尔孙干涉仪迈克尔孙干涉仪装置：装置：单单色色光光源源反反射射镜镜反射镜反射镜与与 成成 角角补偿板补偿板 分光板分光板 移动导轨移动导轨条纹特点条纹特点:反反射射镜镜反射镜反射镜单单色色光光源源 的像的像等顷干涉条纹等顷干涉条纹M1M1与与M2重重 合合M2M2M1等倾涉条纹等倾涉条纹当当 不垂直于不垂直于 时时,可形成劈尖型可形成劈尖型等厚干涉条纹等厚干涉条纹。反反射射镜镜反射镜反射镜单单色色光光源源M1M2M2M1M2M1M1等厚干涉条纹等厚干涉条纹主要特性：主要特性：干涉干涉条纹条纹移动移动数目数目 两相干光束在空间完全分开，并可用移动反射镜两相干光束在空间完全分开，并可用移动反射镜或在光路中加入介质片的方法改变两光束的光程差。或在光路中加入介质片的方法改变两光束的光程差。移移动动距距离离移动反射镜移动反射镜干涉条纹的移动干涉条纹的移动 当当 与与 之间距之间距离变大时，圆形干涉条离变大时，圆形干涉条纹从中心一个个长出纹从中心一个个长出,并向外扩张并向外扩张,干涉条纹变干涉条纹变密密;距离变小时，圆形干距离变小时，圆形干涉条纹一个个向中心缩涉条纹一个个向中心缩进进,干涉条纹变稀。干涉条纹变稀。插入介质片后光程差插入介质片后光程差光程差变化光程差变化介质片厚度介质片厚度光程差光程差例例:介质加入前后有介质加入前后有N条干涉条纹移动条干涉条纹移动,求介质厚度。求介质厚度。