第十二章光学1 干涉.ppt

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,*,前 言,光学研究对象：,光的现象、光的本性和光与物质相互作用。,人类对光的研究已有,3000,余年的历史，,20,世纪,60,年代激光问世后，光学有了飞速的发展，形成了现代光学。,几何光学,：以光的直线传播规律为基础研究各种光学仪器的理论。,波动光学,：研究光的电磁性质和传播规律，特别是干涉、衍射、偏振的理论和应用。,波动光学和量子光学，统称为物理光学。,量子光学,：以光的量子理论为基础，研究光与物质相互作用的规律。,第十二章 光学,12-2,光源 单色光 相干光,12-3,双缝干涉,12-4,光程与光程差12-5,薄膜干涉,12-7,光的衍射现象 惠更斯,-,菲涅耳原理,12-8,单缝的夫琅禾费衍射,12-9,圆孔的夫琅禾费衍射 光学仪器的分辨本领,12-10,光栅衍射,12-12,光的偏振状态,12-13,起偏和检偏 马吕斯定律,12-14,反射和折射时光的偏振,一、光源,光源：,发光的物体,类型：,普通光源,(,自发辐射,),激光光源,(,受激辐射,),热（辐射）光源,白炽灯、弧光灯、太阳,非热辐射光源（冷光源）,气体放电管、日光灯、萤火虫,原子发光,原子光波列：,激发态寿命,10,-11,10,-8,s,自发辐射,一定频率、振动方向，长度有限的光波列,原子的发光模型,E,1,E,2,基态,激发态,能级,原子光波列,普通光源发光：,大量原子和分子持续、随机地发射的光波列,两个特点：,间歇性、,随机性,二、单色光,：,谱线宽度,有限长的单色波列,单色光：,或,普通单色光源：,激光：,三、相干光,两同频单色光的叠加,光波中的电场矢量 称为,光矢量,。,非相干,叠加,对于普通光源发出的光,如果,即两个光源发出的光之间具有确定的相位差，则把这两个光源称为,相干光源,，它们所发出的就是,相干光,。,相干,叠加,平均,光强,：,相干条件,：,振动方向相同，频率相同，具有确定的相位差。,当,两束,相干光在空间任一点相遇时，它们之间的相位差,随空间位置不同而连续变化，从而在不同位置上出现光强的强弱分布，这种现象就是,光的干涉,现象。,干涉相长（明）,(,k,=0,1,2,3),干涉相消（暗）,(,k,=0,1,2,3),I,max,I,min,I,2,p,4,p,-2,p,-4,p,0,I,2,p,4,p,-2,p,-4,p,0,若,干涉的光强分布,P,S,*,分振幅法：,P,薄膜,S,*,两束相干光在,P,点相干叠加,分波面法：,四、相干光的获得方法,两个独立的普通光源很难满足相干条件。,第十二章 光学,12-2,光源 单色光 相干光,12-3,双缝干涉,12-4,光程与光程差,12-5,薄膜干涉,12-7,光的衍射现象 惠更斯,-,菲涅耳原理,12-8,单缝的夫琅禾费衍射,12-9,圆孔的夫琅禾费衍射 光学仪器的分辨本领,12-10,光栅衍射,12-12,光的偏振状态,12-13,起偏和检偏 马吕斯定律,12-14,反射和折射时光的偏振,一、杨氏双缝实验,一般要求：,D,d,D,x,波阵面,分割 相干光,托马斯,杨,二、干涉明暗条纹的位置,波程差：,明纹,暗纹,（,k,=0,，,1,，,2,，,）,条纹间距,（,1,）平行的明暗相间条纹,（,3,）中间级次低,（,4,）,条纹特点：,（,2,）条纹等间距,x,I,0,x,+1,x,+2,x,-1,x,-2,明纹,暗纹,（,k,=0,，,1,，,2,，,）,条纹间距,D,d,x,=,0,级亮纹,+1,级,+2,级,-1,级,-2,级,x,观察屏,暗纹,单色光入射时双缝干涉的条纹,形状：,明暗相间的直条纹,(,平行于缝,),分布：,条纹均匀,分布,可由此测,。,级次,：,中间条纹,级次,低。,某条纹级次,=,该条纹相应的,之值,r,2,-,r,1,中央明纹,-1,级,-2,级,x,观察屏,1,级,2,级,x,白光入射时双缝干涉的条纹,白光入射：,0,级明纹为白色,(,可用来定,0,级位置,),，其余明纹为彩色条纹,(,x,),。,三、洛埃德镜实验,S,1,：实光源，,S,2,：虚光源,MN,：平面反射镜,阴影部分出现干涉,接触点,:,暗条纹,反射光存在,半波损失。,半波损失：,光从光疏媒质到光密媒质的分界面上反射时，在垂直入射（,i,=0,）或掠入射（,i,=90,）的,情况下，反射光的相位与入射光的相位有,的突变,。,例,1,杨氏双缝的间距为,0.2mm,，,距离屏幕为,1m,。（,1,）,若第一到第四明纹距离为,7.5mm,，,求入射光波长。（,2,）若入射光的波长为,600nm,，,求相邻两明纹的间距。,解：,第十二章 光学,12-2,光源 单色光 相干光,12-3,双缝干涉,12-4,光程与光程差,12-5,薄膜干涉,12-7,光的衍射现象 惠更斯,-,菲涅耳原理,12-8,单缝的夫琅禾费衍射,12-9,圆孔的夫琅禾费衍射 光学仪器的分辨本领,12-10,光栅衍射,12-12,光的偏振状态,12-13,起偏和检偏 马吕斯定律,12-14,反射和折射时光的偏振,一、光程,单色光（,）在真空中的波长：,在介质（折射率为,n,）中的波长：,光程,(,nx,),：将光在介质中通过的路程折算到同一时间 内在真空中所通过的相应路程。,二、光程差,相位差和光程差的关系：,光程差：,例：两相干波源,S,1,、,S,2,产生相干波叠加,S,1,S,2,r,1,r,2,d,n,p,例：,在,S,2,P,间插入折射率为,n,、,厚度为,d,的媒质,求：光由,S,1,、,S,2,到,P,的相位差,。,解：,练习题：,P204,，,12-11,三、物像之间的等光程性,光路中插入薄透镜不会产生附加的光程差。,四、反射光的相位突变和附加光程差,半波损失,：光从光疏媒质到光密媒质的分界面上反射时，反射光有,相位突变，,相当于一个附加光程差：,在薄膜上下表面反射的两束光发生附加光程差,/2,的条件：,n,1,n,3,或,n,1,n,2,n,2,n,3,或,n,1,n,3,或,n,1,n,2,n,2,n,3,反射光,无,半波损失。,2,1,2,1,反射光,有,半波损失,。,第十二章 光学,12-2,光源 单色光 相干光,12-3,双缝干涉,12-4,光程与光程差,12-5,薄膜干涉,12-7,光的衍射现象 惠更斯,-,菲涅耳原理,12-8,单缝的夫琅禾费衍射,12-9,圆孔的夫琅禾费衍射 光学仪器的分辨本领,12-10,光栅衍射,12-12,光的偏振状态,12-13,起偏和检偏 马吕斯定律,12-14,反射和折射时光的偏振,薄膜干涉有两种条纹,一般情况下薄膜干涉的分析比较复杂,(,因,L,和,d,、,i,两因素有关,),通常只研究两个极端情形,(,只有,d,在变,或只有,i,在变,),，分别对应两种条纹。,等厚条纹,（对应仅,d,变的情况,),等倾条纹,(,对应仅,i,变的情况,),一、等倾干涉条纹,光经薄膜上下两表面反射后相互叠加所形成的干涉现象，称为,薄膜干涉,。,振幅分割法,可分成等倾干涉和等厚干涉两类。,点光源,照射到表面平整，,厚度均匀,的薄膜上产生的干涉条纹，称,等倾干涉条纹d,n,1,n,1,n,r,B,C,D,i,A,对于两反射光：,半波损失,d,n,1,n,1,n,r,B,C,D,i,A,明纹,暗纹,1.,由于薄膜厚度均匀，光程差由入射角确定，对于同一级条纹具有相同的倾角，因此称为,等倾干涉条纹,。,3.,是否要考虑半波损失看具体情况而定。,讨论,2.,对于,透射光,，,与,反射光的干涉条纹形成,互补,。,d,n,1,n,1,n,r,B,C,D,i,A,S,L,M,观察屏,薄膜,等倾,干涉条纹的实验装置,条纹特点,形状：,同心圆环,条纹间隔分布,：,内疏外密,条纹级次分布：,d,一定时，,膜厚变化时,，,条纹的移动：,k,一定时，,中央级次高，边缘级次低条纹由中央冒出,二、增透膜和高反射膜,若,n,n,0,增透膜的最小厚度：,利用薄膜干涉使反射光减小，这样的薄膜称为,增透膜,。,1,2,d,n,n,0,高反射膜,(HLHLH),反射镜表面交替镀上光学厚度均为,/4,的高折射率,ZnS,膜和低折射率的,MgF,2,膜，形成多层高反射膜。,例,如用白光垂直入射到,空气中厚为,320n,m,的,肥皂膜上（其折射率,n,1,=1.33,），,问肥皂膜呈现什么色彩？,解：,黄光！,取,k=,1,，,2,，,3,代入上式，分别得：,红外,紫外,例,平面单色光垂直照射在厚度均匀的油膜上，油膜覆盖在玻璃板上。所用光源波长可以连续变化，观察到,500nm,与700nm,波长的光在反射中消失。油膜的折射率为,1.30,，玻璃折射率为,1.50,，求油膜的厚度。,解：,n,1,n,2,三、等厚干涉条纹,平行光,照射到表面平整，,厚度不均匀,的薄膜上产生的干涉条纹。,薄膜厚度,d,相同之处对应于,同一级条纹,，因此称为,等厚干涉条纹,。,光线垂直入射时：,明纹,暗纹,1,、劈尖膜,n,d,平行光垂直入射，薄膜上下表面之间夹角极小。,明纹,暗纹,条纹特点,形状,：,平行于劈尖棱边的直条纹,条纹,等间距,分布。,相邻条纹所对应的厚度差：,条纹级次分布,：,厚度越大，级次越高。,劈尖处为,0,级暗纹,半波损失,相邻条纹间距：,劈尖膜,干涉,的应用,测量微小直径、厚度，表面平整度、平行度等。,标准,待测,D,h,测波长,、,折射率,薄膜厚度：,条纹数,测量薄膜厚度,D,L,n,l,D,例,2,为了测量金属细丝的直径，把金属丝夹在两块平玻璃之间，形成劈尖，如图所示，如用单色光垂直照射，就得到等厚干涉条纹。测出干涉条纹的间距，就可以算出金属丝的直径。某次的测量结果为：单色光的波长,=589.3nm,金属丝与劈间顶点间的距离,L,=28.880mm,，,30,条明纹间得距离为,4.295mm,求金属丝的直径,D,？,解：,相邻两条明纹间的间距,例,3,利用空气劈尖的等厚干涉条纹可以检测工 件表面存在的极小的加工纹路，在经过精密加工的工件表面上放一光学平面玻璃，使其间形成空气劈形膜，用单色光照射玻璃表面，并在显微镜下观察到干涉条纹，如图所示，试根据干涉条纹的弯曲方向，判断工件表面是凹的还是凸的；并证明凹凸深度可用下式求得：,观察到的干涉条纹弯向空气膜的左端，可判断工件表面是下凹的，如图所示。,解：,由图中相似直角三角形：,2,、牛顿环,d,R,r,O,平行光垂直入射球面透镜与平玻璃表面之间的空气膜。,由,几何关系,形状,：同心圆环（由等厚条纹,+,几何结构决定）,条纹间隔分布：,内疏外密,条纹级次分布,：,条纹特点,圆心处为,0,级暗纹。,半径越大，级次越高。,(,与等倾干涉条纹不同,),若压紧透镜，牛顿环的条纹向外扩张。,牛顿环的应用,检验透镜表面质量,波长或,球面透镜半径,测量第,k+m,和第,k,级暗条纹半径,解：,联立求解：,o,R,r,例,4,用钠灯（,=5893,）观察牛顿环，看到第,k,条暗环的半径为,r,=4mm,，第,k,+5,条暗环半径,r,=6mm,，,求所用平凸透镜的曲率半径,R,。,例,5,已知标准平凸透镜,R,1,=102.3 cm,，入射光,=5839,，测得第,4,条暗环,(,k,=4),的半径,r,4,=2.25 cm,，,求待测凹面镜的半径,R,2,。,解：,o,R,2,r,d,2,d,1,d,R,1,迈克尔孙干涉仪,迈克耳逊干涉仪,迈克耳逊干涉仪产生的等倾条纹,S,M,2,M,1,迈克尔逊干涉仪,(1880,年,),1.,结构,2.,原理,半透半反膜,补偿板,补偿板,半透半反膜,M,1,、,M,2,偏离垂直,等厚条纹,M,1,、,M,2,垂直,等倾条纹,条纹的移动也可由其他原因引起，如介质膜的插入或移去，此时引起的条纹移动数目：,由此可测定介质膜的厚度,d,或折射率,n,。,可测定光谱的精细结构。,若,M,2,平移,d,时，干涉条纹移过,N,条,，则有：,由此可测量,微小位移,d,或波长。,3.,应用,一、干涉条件：,极大,极小,级数,会用干涉条件求条纹位置！,(,),L,0,1,2,3,=,2,1,2,k,k,k,+,=,l,l,d,光的干涉部分总结,k=0,1,2-,d,干涉条件,条纹情况,特例,二、,薄膜,干涉特例：,劈尖膜,2n,2,d+,l,/2,D,d,=,D,l/,q,D,d,=,l,/2,牛顿环,2n,2,d+,l,/2,d=r,2,/2R,杨氏双缝,dx,/D,D,x,=D,l,/d,等厚干涉：,所有条纹对应的入射角,i,相同,。,不同厚度,e,对应的条纹不同。,同一厚度对应同一条纹。,