第三章光干涉精选PPT.ppt

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1、第三章 光干涉第1页，本讲稿共51页2.真空中的光速真空中的光速c=3.0108m/s，波长，波长，频率，频率;c/=折射率为折射率为n的媒质中光速的媒质中光速u，波长，波长 n，频率，频率 n；u/n=n u=c/n ；n/n；n=3.可见光波长范围：可见光波长范围：4000A(紫紫)7600A（红）（红）1A1010m 1nm=109m 1m1mm=106m 4.单色光：某一频率的光，如红光、紫光等；单色光：某一频率的光，如红光、紫光等；复色光复色光:多个频率的混合光多个频率的混合光 单色光单色光棱镜棱镜滤光片滤光片5.光强光强 ，I 大亮、大亮、I小暗小暗6.光波为横波光波为横波1.光是

2、一种电磁波，光是一种电磁波，振动的传播。振动的传播。称为光矢量称为光矢量,振动称为光振动：振动称为光振动：第2页，本讲稿共51页光学分类光学分类几何光学几何光学光的直线传播规律光的直线传播规律物理光学物理光学波动光学波动光学量子光学量子光学干涉、衍射、偏振干涉、衍射、偏振光和物质的相互作用光和物质的相互作用现代光学现代光学1960年年 梅曼梅曼 第一台红宝石激光器第一台红宝石激光器非非线线性性光光学学、激激光光光光谱谱、信信息息光光学学、全全息息、光光纤纤通讯、集成光学、统计光学等通讯、集成光学、统计光学等第3页，本讲稿共51页第三章第三章光的干涉光的干涉3.13.1光的干涉现象光的干涉现象一

3、、光的干涉一、光的干涉1.1.基本概念基本概念:光的干涉光的干涉相干光相干光相干光源相干光源2.2.光干涉强度分布：光干涉强度分布：光的相干条件光的相干条件P第4页，本讲稿共51页1）亮亮暗暗2）若）若S1、S2同相同相,j j20 20=j j10 10 (光学中一般满足此条件光学中一般满足此条件)亮亮暗暗亮亮暗暗或或第5页，本讲稿共51页1.1.光源的发光机理光源的发光机理光源的最基本发光单元是分子、原子光源的最基本发光单元是分子、原子 =(E2-E1)/hE1E2能级跃迁辐射能级跃迁辐射波列波列波列长波列长L=c普通光源：普通光源：独立独立(不同原子发的光不同原子发的光)独立独立大量原子

4、自发辐射大量原子自发辐射二二.相干光的获得相干光的获得两两个个普普通通台台灯灯发发出出的的光为何无干涉现象？光为何无干涉现象？(同一原子先后发的光同一原子先后发的光)一个原子一一个原子一次发光：次发光：产生一产生一个波列：个波列：10-8s h为普朗克常数为普朗克常数第6页，本讲稿共51页薄膜薄膜自身相干自身相干pS*分波面法分波面法分振幅法分振幅法p2.2.获得相干光的两种方法获得相干光的两种方法S*干涉条件干涉条件同频率同频率同方向同方向恒定相差恒定相差对普通光源：对普通光源：两个光源两个光源一个光源的两一个光源的两个不同部分个不同部分不能观察到干涉现象不能观察到干涉现象第7页，本讲稿共5

5、1页3.3.激光光源：激光光源：=(E2-E1)/hE1E2 完全一样完全一样(频频率率,位位相相,振振动动方方向向,传播方向传播方向)受激辐射受激辐射第8页，本讲稿共51页一一 、杨氏双缝干涉、杨氏双缝干涉1.实验装置实验装置及实验结果及实验结果:2.理论分析：理论分析：3.23.2杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉 单色光入射单色光入射D d(d 1010-4 4m,D m)OxI x第9页，本讲稿共51页托马斯托马斯 .杨杨第10页，本讲稿共51页2)2)几何关系（几何关系（q q很小）：很小）：1)1)明暗纹条件：明暗纹条件：明明暗暗3)3)明暗纹位置：明暗纹位置：明明暗暗第11页，本讲稿共51

6、页3.讨论讨论(3)(3)相邻明（暗）纹中心间隔：相邻明（暗）纹中心间隔：OxI x(1)(1)一系列平行的明暗相间的等间距直条纹；一系列平行的明暗相间的等间距直条纹；(2)(2)r2-r10 0时，时，x=0,=0,k0 0中央明纹中央明纹0级亮纹级亮纹+1级亮纹级亮纹+2级亮纹级亮纹-1级亮纹级亮纹-2级亮纹级亮纹 x 观察屏观察屏暗纹暗纹 单色光入射时双缝干涉的条纹单色光入射时双缝干涉的条纹 第12页，本讲稿共51页(5)若白光入射，则中央明纹仍为白色，其它干涉条纹是彩色若白光入射，则中央明纹仍为白色，其它干涉条纹是彩色的，形成各级光谱。光谱不重叠的条件为的，形成各级光谱。光谱不重叠的条

7、件为(4)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,且在屏幕上且在屏幕上会会发生重叠，对重叠处有发生重叠，对重叠处有第13页，本讲稿共51页二二.洛埃镜实验洛埃镜实验半波损失半波损失洛埃镜洛埃镜当屏幕当屏幕P移至移至P处，从处，从S1和和 S2 到到N点的距离差为零，点的距离差为零，应为零级明纹，但是实际观察到暗条纹，应为零级明纹，但是实际观察到暗条纹，验证了反验证了反射时有半波损失存在射时有半波损失存在。当光从光疏媒质当光从光疏媒质(n 小小)向光密媒质向光密媒质(n 大大)入射时，反射光波有半波损失入射时，反射光波有半波损失.r2-r10 0明明暗暗(r2-/2)-

8、r1-/2半波损失半波损失:第14页，本讲稿共51页三三.菲涅耳双镜干涉菲涅耳双镜干涉菲涅耳双镜菲涅耳双镜第15页，本讲稿共51页3.33.3光程和光程差光程和光程差一一.光程、光程差光程、光程差 真空中真空中 媒质中媒质中1.1.定义光程定义光程:nrr1r2S1S2Pr1r2S1S2n1n22.2.光程差光程差:3.3.位位 相相 差差 与与光程差关系：光程差关系：注意：注意：为真为真空中波长空中波长第16页，本讲稿共51页由由明纹明纹暗纹暗纹4.4.用光程差用光程差d d表示的干涉加强、减弱条件表示的干涉加强、减弱条件明纹明纹暗纹暗纹 注意与光程差对应的波长总是真空中波长注意与光程差对应

9、的波长总是真空中波长!！得得第17页，本讲稿共51页 例例11S1S2r1r2dnp求：求：P点光程差、位相差？点光程差、位相差？光程差：光程差：位相差：位相差：第18页，本讲稿共51页 例例22S1S2r1r2P如如图图若若将将杨杨氏氏双双缝缝装装置置置置于于折折射射率率为为n的的液液体体中中，求：求：P点光程差点光程差.光程差：光程差：n第19页，本讲稿共51页3.43.4等厚条纹等厚条纹一一.劈尖（劈形膜）：劈尖（劈形膜）：夹角很小的两个平面所构成的薄膜夹角很小的两个平面所构成的薄膜 e n n nA反射光反射光2反射光反射光1入射光入射光(单色平行光垂直入射单色平行光垂直入射)光程差光

10、程差明纹：明纹：暗纹：暗纹：同一厚度同一厚度e对应同一级条纹对应同一级条纹:等厚条纹等厚条纹 ekek+1明纹明纹暗纹暗纹上表面上表面下表面下表面棱棱边边劈尖表面附近形成的是一系列与棱边平行劈尖表面附近形成的是一系列与棱边平行的、明暗相间等距的直条纹。的、明暗相间等距的直条纹。第20页，本讲稿共51页讨论：讨论：ekek+1明纹明纹暗纹暗纹1.1.在棱边处（在棱边处（e=0）：）：暗纹暗纹2.2.相邻明相邻明(暗暗)纹高度差纹高度差3.3.相邻明相邻明(暗暗)纹之间距离纹之间距离ll 与与反比反比仅与仅与有关有关l第21页，本讲稿共51页二二.空气劈尖（劈形空气膜）：空气劈尖（劈形空气膜）：夹

11、夹角角很很小小的的两两个个平平玻玻璃璃板板之之间所形成的空气薄膜间所形成的空气薄膜:楔角愈小，干涉条纹分布就愈稀疏；楔角愈小，干涉条纹分布就愈稀疏；明纹中心明纹中心暗纹中心暗纹中心2.2.相邻明相邻明(暗暗)纹高度差纹高度差3.3.相邻明相邻明(暗暗)纹之间距离纹之间距离 l 与与反比反比1.1.光程差光程差上表面上表面下表面下表面nn变化时条纹如何变？变化时条纹如何变？问题问题1 1：问题问题2 2：上板平移，：上板平移，条纹如何变？条纹如何变？第22页，本讲稿共51页劈尖的应用劈尖的应用:测波长：测波长：已知已知、n，测测 l 可得可得 测折射率：测折射率：已知已知、，测测 l 可得可得n

12、 测细小直径、厚度、微小变化测细小直径、厚度、微小变化(几千几千)干涉膨胀仪干涉膨胀仪如如何何测测你你头头发发的的直直径径、一页纸的厚度？一页纸的厚度？第23页，本讲稿共51页 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工工件件有有何何种种缺缺陷陷？凹、凸多少？凹、凸多少？l凸起凸起肉肉眼眼凡凡胎胎无无法法观观测测如如此微小的凸起！此微小的凸起！第24页，本讲稿共51页例：例：两两个个直直径径有有微微小小差差别别的的彼彼此此平平行行滚滚柱柱之之间间的的距距离离为为L L，夹夹在在两两块块平平晶晶之之间间，形形成成空空气气劈劈尖尖，单单色色光光入入射射时时，产产生生等厚条纹

13、，如果减小等厚条纹，如果减小L L，则在，则在L L范围内干涉条纹的范围内干涉条纹的A.A.数目减少，间距变大数目减少，间距变大B.B.数目不变，间距变小数目不变，间距变小C.C.数目增加，间距变小数目增加，间距变小D.D.数目减少，间距不变数目减少，间距不变L第25页，本讲稿共51页三三.牛顿环牛顿环.S分束镜分束镜M显微镜显微镜o erR平晶平晶平凸透镜平凸透镜 暗环暗环 o 牛顿环牛顿环装置简图装置简图平凸透镜平凸透镜平晶平晶光程差：光程差：2.2.接触点接触点ee=0=0暗斑暗斑明明暗暗1.1.同一同一e 处形成同一级条纹处形成同一级条纹3.3.相邻明（暗）纹对应厚度差：相邻明（暗）纹

14、对应厚度差：相邻明（暗）纹对应间距：相邻明（暗）纹对应间距：以接触点为中心的同心圆环牛顿环以接触点为中心的同心圆环牛顿环以接触点为中心的内疏外密的同心圆环牛顿环以接触点为中心的内疏外密的同心圆环牛顿环第26页，本讲稿共51页明环：明环：暗环：暗环：明明 环环半径：半径：暗暗环环半半径：径：4.4.明暗环半径：明暗环半径：若透镜与平晶之间充以折射率为n的介质，则第27页，本讲稿共51页透射条纹与反射条纹互补透射条纹与反射条纹互补5.5.透射光干涉条纹：透射光干涉条纹：明明暗暗光程差：光程差：第28页，本讲稿共51页牛顿环的应用：牛顿环的应用：测透镜球面的半径测透镜球面的半径R：已知已知,测测 m

15、、rk+m、rk，可可得得R。测波长测波长,：已知已知R，测出测出m、rk+m、rk，可可得得,。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 对暗环对暗环第29页，本讲稿共51页例例：如如图图，用用单单色色光光 垂垂直直照照射射透透镜镜半半径径为为R的的牛牛顿顿环环，求求反反射射光光形形成成的的牛牛顿顿环环各各暗暗环环半径。半径。第30页，本讲稿共51页将将代入代入可得可得解解:设某暗环半径为设某暗环半径为r，由图所示几何关系，近似有，由图所示几何关系，近似有 由空气膜上、下两表面的反射光由空气膜上、下两表面的反射光干涉减弱条件干涉减弱条件 k为整数为整数 其

16、中其中k为整数，且为整数，且第31页，本讲稿共51页例例：一一牛牛顿顿环环干干涉涉装装置置各各部部分分折折射射率率如如图图示示，大大致致画画出出反反射射光光的的干干涉涉条纹分布。条纹分布。1.501.621.501.751.62第32页，本讲稿共51页使用透镜不会产生附加光程差使用透镜不会产生附加光程差S acbS物物点点到到象象点点各各光光线线之之间的光程差为零间的光程差为零3.53.5等倾干涉等倾干涉一、透镜的等光程差性一、透镜的等光程差性第33页，本讲稿共51页二二.点光源照明均匀薄膜时的干涉条纹分析点光源照明均匀薄膜时的干涉条纹分析光束光束1 1、2 2的光程差：的光程差：得得L fP

17、oB en1n1n2 n1i g gA CD21Siii 第34页，本讲稿共51页明纹明纹暗纹暗纹倾角倾角i相同的光线对应同一条干涉条纹相同的光线对应同一条干涉条纹 等倾条纹。等倾条纹。条纹特点条纹特点:一系列同心圆环一系列同心圆环光程差光程差L fPoB en1n1n2 n1i g gA CD21Si 第35页，本讲稿共51页三三.面光源照射时，干涉条纹的分析面光源照射时，干涉条纹的分析ifoen n n n 面光源面光源只只要要入入射射角角i相相同同，都都将将汇汇聚聚在在同同一一个个干干涉涉环环上上（非相干叠加）（非相干叠加）灿烂灿烂阳光下阳光下五五彩彩缤缤纷纷的油膜的油膜透射光条纹与反射

18、光相反（互补）透射光条纹与反射光相反（互补）第36页，本讲稿共51页第37页，本讲稿共51页四四.应用：增透膜、反射膜应用：增透膜、反射膜空气空气空气空气e1.1.增透增透2.2.增反增反12第38页，本讲稿共51页第39页，本讲稿共51页例例3.73.7 在在玻玻璃璃基基片片上上均均匀匀镀镀一一层层折折射射率率为为1.381.38的的透透明明介介质质膜膜。单单色色光光垂垂直直入入射射。欲欲使使膜膜上上下下表表面面反反射射光光干干涉涉相相消，介质膜至少应多厚？消，介质膜至少应多厚？光光学学镜镜头头的的增增透透膜膜一一般般对对应应550550nm的黄绿光。的黄绿光。玻璃玻璃第40页，本讲稿共51

19、页66迈克耳逊干涉仪迈克耳逊干涉仪第41页，本讲稿共51页一一.仪器结构、光路仪器结构、光路M 122 11 S半透半反膜半透半反膜M2M1G1G2E补偿板补偿板G1和和G2是两块材料相同厚薄均匀、几是两块材料相同厚薄均匀、几何形状完全相同的光学平晶。何形状完全相同的光学平晶。G1一侧镀有半透半反的薄银层。与水平方向一侧镀有半透半反的薄银层。与水平方向成成45o角放置；角放置；G2称为补偿板。称为补偿板。在在G1镀银层上方镀银层上方M1的虚象的虚象M1一束光在一束光在A处分振幅形成的两束光处分振幅形成的两束光1和和2的光程差，就相当于的光程差，就相当于由由M1和和M2形成的空气膜上下两个面反射

20、光的光程差形成的空气膜上下两个面反射光的光程差。A第42页，本讲稿共51页二二.工作原理工作原理光束光束22和和11发生干涉发生干涉 若若M 1 1、M2 2平行平行 等倾条纹等倾条纹 若若M 1 1、M2 2有小夹角有小夹角 等厚条纹等厚条纹若若M1 1平平移移 d 时时，干干涉涉条条移移过过N条条，则则有有：三三.应用：应用：微小位移测量微小位移测量测折射率测折射率21M 12 1 S半透半反膜半透半反膜M2M1G1G2E补偿板补偿板第43页，本讲稿共51页等等厚厚干干涉涉条条纹纹等等倾倾干干涉涉条条纹纹与与重重 合合第44页，本讲稿共51页例题：例题：在迈克耳孙干涉仪的两臂在迈克耳孙干涉

21、仪的两臂中分别引入中分别引入 10 厘米长的厘米长的玻璃管玻璃管 A、B，其中一个，其中一个抽成真空，另一个在充以抽成真空，另一个在充以一个大气压空气的过程中一个大气压空气的过程中观察到观察到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？解：设空气的折射率为解：设空气的折射率为 n相邻条纹或说条纹移动一条时，相邻条纹或说条纹移动一条时，对应光程差的变化为一个波长，对应光程差的变化为一个波长，当观察到当观察到107.2 条移过时，光程条移过时，光程差的改变量满足：差的改变量满足：迈克耳孙干涉仪的两臂中迈克耳孙干涉仪的两臂中便于插放待测样品，由条

22、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。光程差光程差改变量改变量第45页，本讲稿共51页11光的相干性光的相干性22杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉 33光程光程44等厚干涉等厚干涉干涉装置干涉装置光程差光程差:dlpj2=D明纹：明纹：暗纹：暗纹：小结1.劈尖干涉劈尖干涉2.牛顿环牛顿环55等倾干涉等倾干涉1.增透膜增透膜2.增反膜增反膜66迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪条纹特点条纹特点第46页，本讲稿共51页1.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，用波长为，用波长为 的光照射双的光照射双缝缝S1和和S2，通过空气后在屏幕，通过空

23、气后在屏幕E上形成干涉条纹。已知上形成干涉条纹。已知P点处点处为第三级明条纹，则为第三级明条纹，则S1和和S2到到P点的光程差为点的光程差为 。若将整个装置放于某种透明液体中，若将整个装置放于某种透明液体中，P点为第四级明条点为第四级明条纹，则该液体的折射率纹，则该液体的折射率n=3 4/3第47页，本讲稿共51页2.如图所示，设有两个同相的相干点光源如图所示，设有两个同相的相干点光源S1和和S2，发出波长为，发出波长为 的光。的光。A是它们连线的中垂线上的一点。若在是它们连线的中垂线上的一点。若在S1与与A之间插入厚之间插入厚度为度为e、折射率为、折射率为n的薄玻璃片，则两光源发出的光在的薄

24、玻璃片，则两光源发出的光在A点的位相点的位相差差 j=若已知若已知 5000A，n=1.5，A点恰为第四级明纹中心，点恰为第四级明纹中心，则则e=S1S2A第48页，本讲稿共51页3.单色平行光垂直照射在薄膜上，经上下两表面反射的两单色平行光垂直照射在薄膜上，经上下两表面反射的两束光发生干涉，如图所示，若薄膜的厚度为束光发生干涉，如图所示，若薄膜的厚度为e，且，且n1n3，1 1为入射光在为入射光在n1中的波长，则两束反射光的光程差、位相差中的波长，则两束反射光的光程差、位相差分别为分别为入入射射光光反射光反射光1反射光反射光2e第49页，本讲稿共51页4.在如图所示的牛顿环装置中，把玻璃平凸透镜和平面玻在如图所示的牛顿环装置中，把玻璃平凸透镜和平面玻璃（设玻璃折射率璃（设玻璃折射率n1=1.50）之间的空气）之间的空气(n2=1.00)改换成水改换成水(n2=1.33)，求第，求第k个暗环半径的相对改变量个暗环半径的相对改变量（）第50页，本讲稿共51页5.波长为波长为 的单色光垂直照射由两块玻璃板构成的的单色光垂直照射由两块玻璃板构成的空气劈尖，已知劈尖角为空气劈尖，已知劈尖角为。如果劈尖角变为。如果劈尖角变为，从劈棱数起的第四条明条纹位移值从劈棱数起的第四条明条纹位移值x是多少是多少?第51页，本讲稿共51页