大學(xué)物理——光的干涉ppt課件

1 第十章波動光學(xué) 10 1光的相干性 10 2分波面干涉 10 3分振幅干涉 2 一 光源 10 1光的相干性 光源的最基本發(fā)光單元是分子 原子 普通光源 自發(fā)輻射 1 光源的發(fā)光機理 3 光波是電磁波 光波中參與與物質(zhì)相互作用 感光作用 生理作用 的是E矢量 稱為光矢量 E矢量的振動稱為光振動 2 光強 在波動光學(xué)中 主要討論的是相對光強 因此在同一介質(zhì)中直接把光強定義為 光強 在光學(xué)中 通常把平均能流密度稱為光強 用I表示 4 二 光的相干性 要使兩列波在P處產(chǎn)生相干疊加 兩列波的條件 1 頻率相同 2 振動方向相同 3 具有固定的位相差 相干光 5 1分波前的方法楊氏干涉 2分振幅的方法等傾干涉 等厚干涉 普通光源獲得相干光的途徑 方法 p S 分波面法 分振幅法 p 薄膜 S 6 光在介質(zhì)中傳播幾何路程為r 相應(yīng)的位相變化為 三光程和光程差 7 光程表示在相同的時間內(nèi)光在真空中通過的路程 即 光程這個概念可將光在介質(zhì)中走過的路程 折算為光在真空中的路程 8 光程差 若兩相干光源不是同位相的 兩相干光源同位相 干涉條件 9 不同光線通過透鏡要改變傳播方向 會不會引起附加光程差 問題 A B C的位相相同 在F點會聚 互相加強 A B C各點到F點的光程都相等 AaF比BbF經(jīng)過的幾何路程長 但BbF在透鏡中經(jīng)過的路程比AaF長 透鏡折射率大于1 折算成光程 AaF的光程與BbF的光程相等 解釋 使用透鏡不會引起各相干光之間的附加光程差 10 10 2分波面干涉 一 楊氏雙縫干涉 11 楊氏干涉條紋 波程差 干涉加強明紋位置 干涉減弱暗紋位置 12 1 明暗相間的條紋對稱分布于中心O點兩側(cè) 干涉條紋特點 2 相鄰明條紋和相鄰暗條紋等間距 與干涉級k無關(guān) 兩相鄰明 或暗 條紋間的距離稱為條紋間距 若用復(fù)色光源 則干涉條紋是彩色的 方法一 方法二 3 D d一定時 由條紋間距可算出單色光的波長 13 二 其他分波陣面干涉裝置 1 菲涅耳雙面鏡 虛光源 平行于 明條紋中心的位置 屏幕上O點在兩個虛光源連線的垂直平分線上 屏幕上明暗條紋中心對O點的偏離x為 暗條紋中心的位置 14 2洛埃鏡 當(dāng)屏幕E移至E 處 從S1和S2到L點的光程差為零 但是觀察到暗條紋 驗證了反射時有半波損失存在 15 例10 2如圖所示 將折射率為n 1 58的薄云母片覆蓋在楊氏干涉實驗中的一條狹縫S1上 這時屏幕上的零級明紋上移到原來的第七級明紋的位置上 如果入射光波長為550nm 試求此云母片的厚度 解設(shè)屏上原來第七級明條紋在P處 覆蓋云母片前兩束相干光在P點的光程差為 設(shè)云母片厚度為d 在S1上復(fù)蓋云母片后 按題意 兩相干光在P點光程差為零 得 16 所以云母片厚度為6 6 m 上式同時也提供了一種測量透明介質(zhì)折射率的方法 17 利用薄膜上 下兩個表面對入射光的反射和折射 可在反射方向 或透射方向 獲得相干光束 一 薄膜干涉 擴展光源照射下的薄膜干涉 在一均勻透明介質(zhì)n1中放入上下表面平行 厚度為e的均勻介質(zhì)n2 n1 用擴展光源照射薄膜 其反射和透射光如圖所示 一薄膜干涉 10 3分振幅干涉 18 光線a2與光線a1的光程差為 由折射定律和幾何關(guān)系可得出 19 干涉條件 20 不論入射光的的入射角如何 額外程差的確定 滿足n1n3 或n1 n2 n3 產(chǎn)生額外程差 滿足n1 n2 n3 或n1 n2 n3 不存在額外程差 對同樣的入射光來說 當(dāng)反射方向干涉加強時 在透射方向就干涉減弱 21 二 增透膜和增反膜 增透膜 利用薄膜上 下表面反射光的光程差符合相消干涉條件來減少反射 從而使透射增強 增反膜 利用薄膜上 下表面反射光的光程差滿足相長干涉 因此反射光因干涉而加強 22 例10 4如圖所示 在照相機玻璃鏡頭的表面涂有一層透明的氟化鎂 MgF2 薄膜 為了使對某種照相底片最敏感的波長為550nm的黃綠光透射增強 試問此薄膜的最小厚度應(yīng)為多少 已知玻璃的折射率為1 50 氟化鎂的折射率為1 38 解 因為 所以反射光經(jīng)歷兩次半波損失 23 薄膜最小厚度為0 1 m 取k 0 有 24 一 劈尖干涉 夾角很小的兩個平面所構(gòu)成的薄膜 棱邊楔角 平行單色光垂直照射空氣劈尖上 上 下表面的反射光將產(chǎn)生干涉 厚度為e處 兩相干光的光程差為 10 3 2劈尖干涉牛頓環(huán) 25 干涉條件 劈尖上厚度相同的地方 兩相干光的光程差相同 對應(yīng)一定k值的明或暗條紋 等厚干涉 棱邊處 e 0 2 出現(xiàn)暗條紋 有 半波損失 實心劈尖 26 空氣劈尖任意相鄰明條紋對應(yīng)的厚度差 任意相鄰明條紋 或暗條紋 之間的距離l為 在入射單色光一定時 劈尖的楔角 愈小 則l愈大 干涉條紋愈疏 愈大 則l愈小 干涉條紋愈密 當(dāng)用白光照射時 將看到由劈尖邊緣逐漸分開的彩色直條紋 27 劈尖干涉的應(yīng)用 干涉膨脹儀 利用空氣劈尖干涉原理測定樣品的熱膨脹系數(shù) 上平板玻璃向上平移 2的距離 上下表面的兩反射光的光程差增加 劈尖各處的干涉條紋發(fā)生明 暗 明 或暗 明 暗 的變化 如果觀察到某處干涉條紋移過了N條 即表明劈尖的上表面平移了N 2的距離 28 二 牛頓環(huán) 空氣薄層中 任一厚度e處上下表面反射光的干涉條件 29 略去e2 各級明 暗干涉條紋的半徑 隨著牛頓環(huán)半徑的增大 條紋變得越來越密 e 0 兩反射光的光程差 2 為暗斑 30 例10 8若用波長為589 3nm的鈉黃光觀察牛頓環(huán) 測得某級暗環(huán)的直徑為3 0mm 此環(huán)以外的第10個暗環(huán)的直徑為5 6mm 試求平凸透鏡的曲率半徑R 解按題意 rk 1 5mm rk N 2 8mm N 10 又根據(jù)暗環(huán)條件式 10 15 可得 31 測細(xì)小直徑 厚度 微小變化 測表面不平度 檢驗透鏡球表面質(zhì)量 32 10 3 3薄膜等傾干涉 干涉條紋的干級決定于入射光的入射角的干涉 干涉成因 薄膜 透鏡 擴展光源 1 2 3 4 光線 1 2 不是相干光 屏 33 對于不同傾角的光入射 入射角越小 光程差越大 條紋越在中心 明紋 暗紋 干涉公式 34 結(jié)論 1 不同的入射角的光線對應(yīng)著不同干涉級的條紋 傾角相同的光線產(chǎn)生相同干涉級條紋 等傾干涉 2 入射角越小 光程差越大 即越靠近中心 干級越高 討論 1 若膜厚發(fā)生變化 35 當(dāng)膜厚增加時 圓形干涉條紋向外擴展 明紋 盯住某條明紋 不變 條紋向外擴 e增加 增大 36 當(dāng)膜厚減小時 明紋 盯住某條明紋 不變 條紋向里收縮 e減小 減小 圓形干涉條紋向里收縮 37 一 邁克耳孫干涉儀 光束2 和1 發(fā)生干涉 若M 1 M2平行 等傾條紋 10 3 4邁克耳孫干涉儀 38 若條紋為等厚