波动光学光的干涉讲稿.ppt

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1、关于波动光学光的干涉第一页，讲稿共四十八页哦普通光源普通光源：自发辐射自发辐射独立独立(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光)发光的随机性发光的随机性 发光的间歇性发光的间歇性第二页，讲稿共四十八页哦 光波是电磁波。光波是电磁波。光波中参与与物质相互作用（感光作用、生理作用）光波中参与与物质相互作用（感光作用、生理作用）的的是是 E 矢量，称为矢量，称为光矢量光矢量。3、光强、光强单色光单色光只含单一波长的光。只含单一波长的光。复色光复色光含多种波长的光。含多种波长的光。准单色光准单色光光波中包含波长范围光波中包含波长范围 很窄的成分的光。很窄的成分的光

2、。2、光的颜色和光谱、光的颜色和光谱可见光频率范围可见光频率范围可见光波长范围可见光波长范围第三页，讲稿共四十八页哦 E 矢量的振动称为矢量的振动称为光振动光振动。在在波波动动光光学学中中，主主要要讨讨论论的的是是相相对对光光强强，因因此此在在同同一介质中直接把一介质中直接把光强光强定义为：定义为：二、光的相干性二、光的相干性相干波的条件：相干波的条件：同频率，同振动方向，相位差恒定同频率，同振动方向，相位差恒定干涉现象：在相干区域内，一些点振动始终加强，干涉现象：在相干区域内，一些点振动始终加强，一些点始终减弱。一些点始终减弱。第四页，讲稿共四十八页哦获得两束相干光的方法获得两束相干光的方法

3、分振幅法分振幅法 其原理是利用反射、其原理是利用反射、折射把波面上某处的振折射把波面上某处的振幅分成两部分，再使它幅分成两部分，再使它们相遇从而产生干涉现们相遇从而产生干涉现象。象。第五页，讲稿共四十八页哦*光源光源分波阵面法分波阵面法 光源发出的光源发出的某一波阵面上，某一波阵面上，取出两部分面元取出两部分面元作为相干光源作为相干光源第六页，讲稿共四十八页哦一、杨氏双缝干涉实验一、杨氏双缝干涉实验S1S2S*14-2 杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验 光程光程 劳埃德镜劳埃德镜第七页，讲稿共四十八页哦杨氏干涉条纹杨氏干涉条纹D d波程差：波程差：干涉加强干涉加强明纹位置明纹位置干涉减弱干涉减

4、弱暗纹位置暗纹位置第八页，讲稿共四十八页哦(1)明暗相间的条纹对称分布于中心明暗相间的条纹对称分布于中心O点两侧点两侧。干涉条纹特点干涉条纹特点：(2)相邻明条纹和相邻暗条纹等间距，与干涉级相邻明条纹和相邻暗条纹等间距，与干涉级k无关无关。两两相邻明（或暗）条纹间的距离称为相邻明（或暗）条纹间的距离称为条纹间距条纹间距。若用复色光源，则干涉条纹是彩色的。若用复色光源，则干涉条纹是彩色的。第九页，讲稿共四十八页哦方法一：方法一：方法二：方法二：(3)D,d一定时，由条纹间距可算出单色光的波长。一定时，由条纹间距可算出单色光的波长。(4)中央条纹由波程差中央条纹由波程差 确定。其位置不一定确定。其

5、位置不一定在坐标原点处。在坐标原点处。第十页，讲稿共四十八页哦1、菲涅耳双面镜、菲涅耳双面镜虚光源虚光源 、平行于平行于屏幕上屏幕上O点在两个虚光源连线的垂直平分线上，屏幕点在两个虚光源连线的垂直平分线上，屏幕上明暗条纹中心对上明暗条纹中心对O点的偏离点的偏离 x为为：二、其它分波阵面干涉装置二、其它分波阵面干涉装置光栏第十一页，讲稿共四十八页哦2 洛埃镜洛埃镜光栏第十二页，讲稿共四十八页哦 当屏幕当屏幕 E 移至移至 处，从处，从 S1和和 S2 到到 L点的光程点的光程差为零，但是观察到的是暗条纹，表明两光波在此差为零，但是观察到的是暗条纹，表明两光波在此干涉相消。相位差应为干涉相消。相位

6、差应为 。说明反射时有相位突说明反射时有相位突变或半波损失存在。变或半波损失存在。结论：结论：光由光疏介质（光由光疏介质（垂直或掠垂直或掠）入射到光密介质界）入射到光密介质界面上时，反射光相对入射光产生面上时，反射光相对入射光产生 相位突跃变或相位突跃变或称半波损失称半波损失第十三页，讲稿共四十八页哦光程光程 干干涉涉现现象象决决定定于于两两束束相相干干光光的的相相位位差差。两两束束相相干干光光通通过不同的介质时，相位差不能单纯由几何路程差决定。过不同的介质时，相位差不能单纯由几何路程差决定。光在折射率为光在折射率为n n的介质中传播几何路程为的介质中传播几何路程为r，相应的相位，相应的相位变

7、化为变化为 三、光程与光程差三、光程与光程差波源的振动频率波源的振动频率第十四页，讲稿共四十八页哦 光光程程表表示示在在相相同同的的时时间间内内光光在在真真空空中中通通过过的的路路程程，它它避避免免了了介介质质中中波波长长的的概概念念，因因为为通通常常已已知知的的波波长长都都是是真空中的波长。真空中的波长。S1,S2初相位相同的初相位相同的相干光源相干光源定义定义 nr 为光程为光程第十五页，讲稿共四十八页哦光程差光程差光在真空中的波长光在真空中的波长若两相干光源不是同相位的若两相干光源不是同相位的两相干光源同相位，干涉条件两相干光源同相位，干涉条件第十六页，讲稿共四十八页哦ABCDEABCD

8、E透镜不会引起附加的光程差透镜不会引起附加的光程差LFFL透镜的等光程性透镜的等光程性透镜的等光程性第十七页，讲稿共四十八页哦不同光线通过透镜要改变传播方向，但不会引起附加不同光线通过透镜要改变传播方向，但不会引起附加光程差光程差A、B、C 的位相相的位相相同，在同，在F点会聚，互点会聚，互相加强相加强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经过的几何路程长，但经过的几何路程长，但BbF在透镜中经过的路在透镜中经过的路程比程比AaF长，透镜折射率大于长，透镜折射率大于1，折算成光程，折算成光程，AaF的光的光程与程与BbF的光程相等。的光程相等。解解释释使用透

9、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。第十八页，讲稿共四十八页哦问问：原来的零级条纹移至何处？若移至原来的第：原来的零级条纹移至何处？若移至原来的第 k 级明级明条纹处，其厚度条纹处，其厚度 h 为多少？为多少？：已知已知：S2 缝上覆盖缝上覆盖的介质厚度为的介质厚度为 h，折射率为，折射率为 n，设入射光的波长为，设入射光的波长为.解解：从：从S1和和S2发出的相干光所对应的光程差发出的相干光所对应的光程差当光程差为零时，对应当光程差为零时，对应所以零级明条纹下移所以零级明条纹下移例例第十九页，讲稿共四十八页哦原来原来 k 级明条纹位置满足：级明条纹位

10、置满足：设有介质时零级明条纹移到设有介质时零级明条纹移到原来第原来第 k 级处，它必须同时级处，它必须同时满足：满足：第二十页，讲稿共四十八页哦 利用薄膜上、下两个表面对入射光的反射和折射，可在利用薄膜上、下两个表面对入射光的反射和折射，可在反射方向（或透射方向）获得相干光束。反射方向（或透射方向）获得相干光束。肥肥皂皂泡泡的的干干涉涉条条纹纹14-3 薄膜干涉薄膜干涉 第二十一页，讲稿共四十八页哦油膜上的干涉条纹油膜上的干涉条纹蝉翼上的干涉条纹蝉翼上的干涉条纹其它干涉条纹其它干涉条纹第二十二页，讲稿共四十八页哦扩展光源照射下的薄膜干涉扩展光源照射下的薄膜干涉a1a2a 在一均匀透明介质在一均

11、匀透明介质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 的均匀介质的均匀介质 n2(n1)，用用扩展光源扩展光源照射薄膜，其照射薄膜，其反射和透射光如图所示反射和透射光如图所示第二十三页，讲稿共四十八页哦M1M2n1n3n2eLir2i134Pdabci光在界面处的相位跃变1.1.光路分析光路分析第二十四页，讲稿共四十八页哦2 光线光线a2与光线与光线 a1的光程差为：的光程差为：讨讨论论有有无无半波损失半波损失a1a2a第二十五页，讲稿共四十八页哦半波损失（额外程差）问题半波损失（额外程差）问题薄薄膜膜折折射射率率介介于于中中间间无无半半波波损失损失薄膜折射率比两边大或小时薄膜折

12、射率比两边大或小时,有半波损失有半波损失两边为同种介质时是否有半波损失？两边为同种介质时是否有半波损失？薄膜薄膜aa1a2n1n2n3第二十六页，讲稿共四十八页哦干涉加强干涉加强干涉相消干涉相消若垂直入射，即若垂直入射，即i=0n1n3n2e123 干涉条件相同入射角（倾角）相同入射角（倾角）的光线干涉形成同一的光线干涉形成同一级条纹，因此这种干级条纹，因此这种干涉又名等倾干涉。涉又名等倾干涉。第二十七页，讲稿共四十八页哦M1M2n1n3n2e34bir光程差光程差加与不加的条件与反射光时的正好相反加与不加的条件与反射光时的正好相反 薄膜折射率介于中间时有半波损失；薄膜折射率薄膜折射率介于中间

13、时有半波损失；薄膜折射率比两边的大或小时无半波损失。比两边的大或小时无半波损失。4.透射光的干涉透射光的干涉第二十八页，讲稿共四十八页哦增透膜增透膜-利用薄膜上、下表面反射光的光程差符合相消干涉利用薄膜上、下表面反射光的光程差符合相消干涉条件来减少反射，从而使透射增强。条件来减少反射，从而使透射增强。增反膜增反膜-利用薄膜上、下表面反射光的光程差满足相长干涉利用薄膜上、下表面反射光的光程差满足相长干涉，因此反射光因干涉而加强。，因此反射光因干涉而加强。5、增透膜和增反膜、增透膜和增反膜第二十九页，讲稿共四十八页哦问问：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，膜的厚度为多

14、少？此增，膜的厚度为多少？此增透膜在可见光范围内有没有增反？透膜在可见光范围内有没有增反？例例 已知已知用波长用波长 ，照相机镜头，照相机镜头n3=1.5，其，其上涂一层上涂一层 n2=1.38的氟化镁增透膜，光线垂直入射。的氟化镁增透膜，光线垂直入射。解解：因为：因为 ，所以反射光，所以反射光光程差不考虑光程差不考虑/2。反射光干涉相。反射光干涉相消的条件是：消的条件是：代入代入k 和和 n2 求得：求得：第三十页，讲稿共四十八页哦此膜对反射光干涉相长的条件：此膜对反射光干涉相长的条件：可见光波长范围可见光波长范围 400700nm波长波长412.5nm的可见光有增反。的可见光有增反。第三十

15、一页，讲稿共四十八页哦一、一、劈尖干涉劈尖干涉夹角很小夹角很小的两个平面所构成的薄膜的两个平面所构成的薄膜D12空气劈尖空气劈尖棱边棱边楔角楔角劈尖干涉劈尖干涉（等厚干涉）（等厚干涉）牛顿环牛顿环第三十二页，讲稿共四十八页哦平行单色光平行单色光垂直照射垂直照射空气劈尖上，上、下表面的反射空气劈尖上，上、下表面的反射光将产生干涉，厚度为光将产生干涉，厚度为e 处，两相干光的光程差为处，两相干光的光程差为12neO第三十三页，讲稿共四十八页哦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，对应一定劈尖上厚度相同的地方，两相干光的光程差相同，对应一定k值的明或暗条纹。值的明或暗条纹。等厚

16、干涉等厚干涉棱边处，棱边处，e=0,=/2，出现暗条纹，出现暗条纹实心劈尖实心劈尖12n2eOn1n3第三十四页，讲稿共四十八页哦空气劈尖任意相邻明条纹对应的厚空气劈尖任意相邻明条纹对应的厚度差：度差：任意相邻明条纹任意相邻明条纹(或暗条纹或暗条纹)之间的距之间的距离离 l 为：为：在入射单色光一定时，劈尖的楔角在入射单色光一定时，劈尖的楔角 愈小，则愈小，则l愈大，干愈大，干涉条纹愈疏；涉条纹愈疏；愈大，则愈大，则l愈小，干涉条纹愈密。愈小，干涉条纹愈密。当用当用白光照射时，将看到由劈尖边缘逐渐分开的彩色直条纹。白光照射时，将看到由劈尖边缘逐渐分开的彩色直条纹。非空气劈尖非空气劈尖第三十五页

17、，讲稿共四十八页哦 测细小直径、厚度、微小变化测细小直径、厚度、微小变化h h待待测测块块规规标标准准块块规规平晶平晶 测表面不平度测表面不平度等厚条纹等厚条纹待测工件待测工件平晶平晶 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 第三十六页，讲稿共四十八页哦利用空气劈尖干涉原理测定样品的热膨胀系数利用空气劈尖干涉原理测定样品的热膨胀系数样品样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，上下表面的两反的距离，上下表面的两反射光的光程差增加射光的光程差增加。劈尖各处的干涉条纹发生。劈尖各处的干涉条纹发生明明暗

18、暗明明(或或暗暗明明暗暗)的变化。如果观察到某处干涉条纹移的变化。如果观察到某处干涉条纹移过了过了N条，即表明劈尖的上表面平移了条，即表明劈尖的上表面平移了N/2的距离。的距离。劈尖干涉的应用劈尖干涉的应用-干涉膨胀仪干涉膨胀仪第三十七页，讲稿共四十八页哦空气薄层中，任一厚度空气薄层中，任一厚度e处上下表面反射光的干涉条件：处上下表面反射光的干涉条件：二二、牛顿环、牛顿环第三十八页，讲稿共四十八页哦各级明、暗干涉条纹的半径：各级明、暗干涉条纹的半径：随着牛顿环半径的增大，条纹变得越来越密。随着牛顿环半径的增大，条纹变得越来越密。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。

19、第三十九页，讲稿共四十八页哦例例 已知：用紫光照射，借助于低倍测量已知：用紫光照射，借助于低倍测量显微镜测得由中心往外数第显微镜测得由中心往外数第 k 级明环级明环的半径的半径 ,k 级往上数级往上数第第16 个明环半径个明环半径 ，平凸透镜的曲率半径平凸透镜的曲率半径R=2.50m求：紫光的波长？求：紫光的波长？解：根据明环半径公式：解：根据明环半径公式：第四十页，讲稿共四十八页哦14-4 14-4 迈克耳逊干涉仪迈克耳逊干涉仪Albert Abrham Michelson,1852-1931 1907年诺贝尔物理学奖获得者第四十一页，讲稿共四十八页哦M 1S半透半反膜半透半反膜2 1 21

20、G1G2M1M2第四十二页，讲稿共四十八页哦一、迈克耳逊干涉仪一、迈克耳逊干涉仪光束光束2和和1发生干涉发生干涉若若M 1、M2平行平行 等倾等倾条纹条纹若若M 1、M2有有小夹角小夹角 等厚等厚条纹条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，干涉条移过干涉条移过N条，则有条，则有：M 122 11 S半透半反膜半透半反膜M2M1G1G2应用：应用：微小位移测量微小位移测量测折射率测折射率第四十三页，讲稿共四十八页哦例例.在迈克耳逊干涉仪的两臂中分别引入在迈克耳逊干涉仪的两臂中分别引入 10 厘米长厘米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

21、一个在充以一个大气压空气的过程中观察到以一个大气压空气的过程中观察到107.2 条条纹移动，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？第四十四页，讲稿共四十八页哦解：设空气的折射率为解：设空气的折射率为 n迈克耳逊干涉仪的两臂中迈克耳逊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。充气过程中折射率在变化，充气过程中折射率在变化，所以所以k也在变化。也在变化。第四十五页，讲稿共四十八页哦光总是包含一定波长范围，范围内每一个波长的光光总是包含一定波长范围，范围内每一个波长的光均匀形成各自的一套干涉条纹。均匀形成各自的一套干涉条纹。对于谱线宽度为对于谱线宽度为的单色光，干涉条纹消失的位置满的单色光，干涉条纹消失的位置满足足二、光源的非单色性对干涉条纹的影响二、光源的非单色性对干涉条纹的影响 （光场的时间相干性）（光场的时间相干性）第四十六页，讲稿共四十八页哦与该干涉级与该干涉级kc对应的光程差对应的光程差 c，就是实现最大光程差，就是实现最大光程差光的单色性（即光的单色性（即的宽度）决定了能产生清晰干涉条纹的的宽度）决定了能产生清晰干涉条纹的最大光程差最大光程差第四十七页，讲稿共四十八页哦感感谢谢大大家家观观看看第四十八页，讲稿共四十八页哦