大学物理光的干涉描述.ppt

第十六章第十六章波波动动光学光学 .一、光源一、光源16-1-1 光源光源 光的相干性光的相干性光源的最基本光源的最基本发发光光单单元是分子、原子元是分子、原子 =(E2-E1)/hE1E2能能级跃级跃迁迁辐辐射射普通光源普通光源：自自发辐发辐射射独立独立(不同原子不同原子发发的光的光)独立独立(同一原子先后同一原子先后发发的光的光)发发光的随机性光的随机性 发发光的光的间间隙性隙性波列波列波列波列长长L=c1、光源的、光源的发发光机理光机理.可可见见光光频频率范率范围围2、光的、光的颜颜色和光色和光谱谱可可见见光波光波长长范范围围可可见见光光颜颜色色对对照照单单色光色光只含只含单单一波一波长长的光。的光。复色光复色光含多种波含多种波长长的光。的光。准准单单色光色光光波中包含波光波中包含波长长范范围围 很窄的成分的光。很窄的成分的光。.光波是光波是电电磁波。磁波。光波中参与与物光波中参与与物质质相互作用（感光作用、生理相互作用（感光作用、生理作用）的作用）的是是 E 矢量，称矢量，称为为光矢量光矢量。E 矢量的振矢量的振动动称称为为光振光振动动。3、光、光强强 在波在波动动光学中，主要光学中，主要讨论讨论的是相的是相对对光光强强，因此在，因此在同一介同一介质质中直接把中直接把光光强强定定义为义为：光光强强：在光学中，通常把平均能流密度称：在光学中，通常把平均能流密度称为为光光强强，用用 I 表示。表示。.二、光的相干性二、光的相干性两两频频率相同，光矢量方向相同的率相同，光矢量方向相同的光源在光源在p点相遇点相遇.1、非相干叠加、非相干叠加独立光源的两束光独立光源的两束光或或同一光源的不同部位同一光源的不同部位所所发发出出的光的位相差的光的位相差“瞬息万瞬息万变变”叠加后光叠加后光强强等与两光束等与两光束单单独照射独照射时时的光的光强强之和，之和，无干涉无干涉现现象象.2、相干叠加、相干叠加满满足相干条件的两束光叠加后足相干条件的两束光叠加后位相差恒定，有干涉位相差恒定，有干涉现现象象若若干涉相干涉相长长干涉相消干涉相消.两相干光束两相干光束两非相干光束两非相干光束一个光源一个光源1 分波前的方法分波前的方法 杨杨氏干涉氏干涉2 分振幅的方法分振幅的方法 等等倾倾干涉、等厚干涉干涉、等厚干涉普通光源普通光源获获得相干光的途径（方法）得相干光的途径（方法）.16-1-2 分波前干涉分波前干涉一、一、杨杨氏双氏双缝缝干涉干涉S1S2S*.杨杨氏干涉条氏干涉条纹纹D d波程差：波程差：干涉加干涉加强强明明纹纹位置位置干涉减弱干涉减弱暗暗纹纹位置位置.(1)明暗相明暗相间间的条的条纹对纹对称分布于中心称分布于中心O点两点两侧侧。干涉条干涉条纹纹特点特点：(2)相相邻邻明条明条纹纹和相和相邻邻暗条暗条纹纹等等间间距，与干涉距，与干涉级级k无关无关。两两相相邻邻明（或暗）条明（或暗）条纹间纹间的距离称的距离称为为条条纹间纹间距距。若用复色光源，若用复色光源，则则干涉条干涉条纹纹是彩色的。是彩色的。.方法一：方法一：方法二：方法二：(3)D,d一定一定时时，由条，由条纹间纹间距可算出距可算出单单色光的波色光的波长长。.二、其他分波二、其他分波阵阵面干涉装置面干涉装置1、菲涅耳双面、菲涅耳双面镜镜虚光源虚光源 、平行于平行于明条明条纹纹中心的位置中心的位置屏幕上屏幕上O点在两个虚光源点在两个虚光源连线连线的垂直平分的垂直平分线线上，屏幕上，屏幕上明暗条上明暗条纹纹中心中心对对O点的偏离点的偏离 x为为：暗条暗条纹纹中心的位置中心的位置光栏.2 洛埃洛埃镜镜光栏 当屏幕当屏幕 E 移至移至E处处，从，从 S1和和 S2 到到 L点的点的光程差光程差为为零，但是零，但是观观察到暗条察到暗条纹纹，验证验证了反射了反射时时有半波有半波损损失存在。失存在。.问问：原来的零：原来的零级级条条纹纹移至何移至何处处？若移至原来的第？若移至原来的第 k 级级明条明条纹处纹处，其厚度，其厚度 h 为为多少？多少？例：例：已知已知：S2 缝上覆盖上覆盖的介的介质厚度厚度为 h，折射率，折射率为为 n，设设入射光的波入射光的波长为长为.解解：从：从S1和和S2发发出的相干光所出的相干光所对应对应的光程差的光程差当光程差当光程差为为零零时时，对应对应零条零条纹纹的位置的位置应满应满足：足：所以零所以零级级明条明条纹纹下移下移.原来原来 k 级级明条明条纹纹位置位置满满足：足：设设有介有介质时质时零零级级明条明条纹纹移移到原来第到原来第 k 级处，它必，它必须同同时满足：足：.16-1-3 光程与光程差光程与光程差 干涉干涉现现象决定于两束相干光的位相差象决定于两束相干光的位相差 两束相干光通两束相干光通过过不同的介不同的介质时质时，位相差不能位相差不能单纯单纯由几何路程差决定。由几何路程差决定。光在介光在介质质中中传传播几何路程播几何路程为为r，相，相应应的位相的位相变变化化为为 .光程表示在相同的光程表示在相同的时间时间内光在真空中通内光在真空中通过过的路程的路程即：即：光程光程这这个概念可将光在介个概念可将光在介质质中走中走过过的路程，折算的路程，折算 为为光在真空中的路程光在真空中的路程.光程差光程差光在真空中的波光在真空中的波长长若两相干光源不是同位相的若两相干光源不是同位相的两相干光源同位相，干涉条件两相干光源同位相，干涉条件.不同光不同光线线通通过过透透镜镜要改要改变传变传播方向，播方向，会不会引起附加光程差？会不会引起附加光程差？A、B、C 的位相的位相相同，在相同，在F点会聚，点会聚，互相加互相加强强A、B、C 各点到各点到F点的光程都相等。点的光程都相等。AaF比比BbF经过经过的几何路程的几何路程长长，但，但BbF在透在透镜镜中中经过经过的路程比的路程比AaF长长，透，透镜镜折射率大于折射率大于1，折算成光程，折算成光程，AaF的光程与的光程与BbF的光程相等。的光程相等。解解释释使用透使用透镜镜不会引起各相干光之不会引起各相干光之间间的附加光程差。的附加光程差。.利用薄膜上、下两个表面利用薄膜上、下两个表面对对入射光的反射和入射光的反射和折射，可在反射方向折射，可在反射方向(或透射方向或透射方向)获获得相干光束。得相干光束。一、薄膜干涉一、薄膜干涉扩扩展光源照射下的薄膜干涉展光源照射下的薄膜干涉a1a2a在一均匀透明介在一均匀透明介质质n1中中放入上下表面平行放入上下表面平行,厚度厚度为为e 的均匀介的均匀介质质 n2(n1)，用用扩扩展光源照射薄膜，其展光源照射薄膜，其反射和透射光如反射和透射光如图图所示所示 16-1-4 薄膜干涉薄膜干涉.光光线线a2与光与光线线 a1的光程差的光程差为为：半波半波损损失失由折射定律和几何关系可得出：由折射定律和几何关系可得出：a1a2a.干涉条件干涉条件薄膜薄膜aa1a2n1n2n3不不论论入射光的的入射角如何入射光的的入射角如何额额外程差的确定外程差的确定满满足足n1n3(或或n1 n2 n2n3(或或n1 n2 n3)不存在不存在额额外程差外程差对对同同样样的入射光来的入射光来说说，当反，当反射方向干涉加射方向干涉加强强时时，在透射，在透射方向就干涉减弱。方向就干涉减弱。.二、增透膜和增反膜二、增透膜和增反膜增透膜增透膜-利用薄膜上、下表面反射光的光程差符合相消利用薄膜上、下表面反射光的光程差符合相消干涉条件来减少反射，从而使透射增干涉条件来减少反射，从而使透射增强强。增反膜增反膜-利用薄膜上、下表面反射光的光程差利用薄膜上、下表面反射光的光程差满满足相足相长长干涉，因此反射光因干涉而加干涉，因此反射光因干涉而加强强。.问问：若反射光相消干涉的条件中：若反射光相消干涉的条件中取取 k=1，膜的厚度，膜的厚度为为多少？此增多少？此增透膜在可透膜在可见见光范光范围围内有没有增反？内有没有增反？例例 已知已知用波用波长长 ，照相机，照相机镜头镜头n3=1.5，其，其上涂一上涂一层层 n2=1.38的氟化的氟化镁镁增透膜，光增透膜，光线线垂直入射。垂直入射。解解：因：因为为 ，所以反射光，所以反射光经历经历两次半波两次半波损损失。反射光相干相失。反射光相干相消的条件是：消的条件是：代入代入k 和和 n2 求得：求得：.此膜此膜对对反射光相干相反射光相干相长长的条件：的条件：可可见见光波光波长长范范围围 400700nm波波长长412.5nm的可的可见光有增反。光有增反。问问：若反射光相消干涉的条件中：若反射光相消干涉的条件中取取 k=1，膜的厚度，膜的厚度为为多少？此增多少？此增透膜在可透膜在可见见光范光范围围内有没有增反？内有没有增反？.一、一、劈尖干涉劈尖干涉夹夹角很小的两个平面所构成的薄膜角很小的两个平面所构成的薄膜空气劈尖空气劈尖棱棱边边楔角楔角平行平行单单色光色光垂直照射垂直照射空气劈尖上，上、下表面的空气劈尖上，上、下表面的反射光将反射光将产产生干涉，厚度生干涉，厚度为为e 处处，两相干光的光，两相干光的光程差程差为为 16-1-5 劈尖干涉劈尖干涉 牛牛顿环顿环.干涉条件干涉条件劈尖上厚度相同的地方，两相干光的光程差相同，劈尖上厚度相同的地方，两相干光的光程差相同，对对应应一定一定k值值的明或暗条的明或暗条纹纹。等厚干涉等厚干涉棱棱边处边处，e=0,=/2，出，出现现暗条暗条纹纹有有“半波半波损损失失”实实心劈尖心劈尖实实心劈尖心劈尖.空气劈尖任意相空气劈尖任意相邻邻明条明条纹对应纹对应的的厚度差：厚度差：任意相任意相邻邻明条明条纹纹(或暗条或暗条纹纹)之之间间的距离的距离 l 为为：在入射在入射单单色光一定色光一定时时，劈尖的楔角，劈尖的楔角 愈小，愈小，则则l愈大，愈大，干涉条干涉条纹纹愈疏；愈疏；愈大，愈大，则则l愈小，干涉条愈小，干涉条纹纹愈密。愈密。当用白光照射当用白光照射时时，将看到由劈尖，将看到由劈尖边缘边缘逐逐渐渐分开的分开的彩色直条彩色直条纹纹。.劈尖干涉的劈尖干涉的应应用用-干涉膨干涉膨胀仪胀仪利用空气劈尖干涉原理利用空气劈尖干涉原理测测定定样样品的品的热热膨膨胀胀系数系数样样品品平板平板玻璃玻璃石英石英圆环圆环空气劈尖空气劈尖 上平板玻璃向上平移上平板玻璃向上平移/2的距离，上下表面的的距离，上下表面的两反射光的光程差增加两反射光的光程差增加。劈尖各。劈尖各处处的干涉条的干涉条纹发纹发生生明明暗暗明明(或或暗暗明明暗暗)的的变变化。如果化。如果观观察察到某到某处处干涉条干涉条纹纹移移过过了了N条，即表明劈尖的上表条，即表明劈尖的上表面平移了面平移了N/2的距离。的距离。.二二、牛、牛顿环顿环空气薄空气薄层层中，任一厚度中，任一厚度e处处上下表面反射光的干涉条件：上下表面反射光的干涉条件：.略去略去e2各各级级明、暗干涉条明、暗干涉条纹纹的半径：的半径：随着牛随着牛顿环顿环半径的增大，条半径的增大，条纹变纹变得越来越密。得越来越密。e=0,两反射光的光程差两反射光的光程差 =/2，为为暗斑暗斑。.例例 已知：用紫光照射，借助于低倍已知：用紫光照射，借助于低倍测测量量显显微微镜测镜测得由中心往外数第得由中心往外数第 k 级级明明环环的半径的半径 ,k 级往上数往上数第第16 个明个明环半径半径 ，平凸透平凸透镜的曲率半径的曲率半径R=2.50m求：紫光的波求：紫光的波长长？解：根据明解：根据明环环半径公式：半径公式：.测细测细小直径、厚度、微小小直径、厚度、微小变变化化h h待待测测块块规规标标准准块块规规平晶平晶 测测表面不平度表面不平度等厚条等厚条纹纹待待测测工件工件平晶平晶 检验检验透透镜镜球表面球表面质质量量标标准准验规验规待待测测透透镜镜暗暗纹纹.一、一、迈迈克耳克耳逊逊干涉干涉仪仪光束光束2和和1发发生干涉生干涉若若M 1、M2平行平行 等等倾倾条条纹纹若若M 1、M2有有小小夹夹角角 等厚等厚条条纹纹若若条条纹纹为为等等厚厚条条纹纹，M1平平移移d时时，干涉条移，干涉条移过过N条，条，则则有有：M 122 11 S半透半反膜半透半反膜M2M1G1G2应应用：用：微小位移微小位移测测量量测测折射率折射率 16-1-6 迈迈克耳克耳逊逊干涉干涉仪仪.例例.在在迈迈克耳克耳逊逊干涉干涉仪仪的两臂中分的两臂中分别别引入引入 10 厘米厘米长长的玻璃管的玻璃管 A、B，其中一个抽成真空，另一个在充，其中一个抽成真空，另一个在充以一个大气以一个大气压压空气的空气的过过程中程中观观察到察到107.2 条条条条纹纹移移动动，所用波所用波长为长为546nm。求空气的折射率？。求空气的折射率？.解：解：设设空气的折射率空气的折射率为为 n相相邻邻条条纹纹或或说说条条纹纹移移动动一条一条时时，对应对应光程差的光程差的变变化化为为一个波一个波长长，当，当观观察到察到107.2 条移条移过时过时，光程差的改，光程差的改变变量量满满足：足：迈迈克耳克耳逊逊干涉干涉仪仪的两臂的两臂中便于插放待中便于插放待测样测样品，品，由条由条纹纹的的变变化化测测量有关量有关参数。参数。精度高精度高。.二、光源的非二、光源的非单单色性色性对对干涉条干涉条纹纹的影响的影响 （光（光场场的的时间时间相干性）相干性）光光总总是包含一定波是包含一定波长长范范围围，范，范围围内每一个波内每一个波长长的的光均匀形成各自的一套干涉条光均匀形成各自的一套干涉条纹纹。对对于于谱线宽谱线宽度度为为的的单单色光，干涉条色光，干涉条纹纹消失的消失的位置位置满满足足.与与该该干涉干涉级级kc对应对应的光程差的光程差 c，就是，就是实现实现最大光程差最大光程差光的光的单单色性（即色性（即的的宽宽度）决定了能度）决定了能产产生清晰干涉生清晰干涉条条纹纹的最大光程差的最大光程差.来自于原子来自于原子辐辐射射发发光光的的时间时间有限，所以波有限，所以波列有一定的列有一定的长长度度L。称波列称波列长长度度L为为相干相干长长度度。.波列波列长长度度L=c，其中，其中 为发为发光持光持续时间续时间。称称为为相干相干时间时间。时间时间相干性由光源的性相干性由光源的性质质决定。决定。氦氦氖氖激光的激光的时间时间相干性相干性远远比普通光源好。比普通光源好。钠钠Na 光，光，波波长长589.6nm，相干相干长长度度 3.410-2m氦氦氖氖激光激光，波，波长长632.8nm，相干相干长长度度 40 102m.