Chp_13_2大學(xué)物理

1、P.1/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)光源光源(light source)：發(fā)光的物體發(fā)光的物體兩大類(lèi)光源：兩大類(lèi)光源： 普通光源普通光源激光光源激光光源(laser)普通光源按光的激發(fā)分為以下幾種普通光源按光的激發(fā)分為以下幾種：熱光源熱光源: :電致發(fā)光電致發(fā)光(electroluminescence): :光致發(fā)光光致發(fā)光(photoluminescence):化學(xué)發(fā)光化學(xué)發(fā)光(chemiluminescence):P.2/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)間歇性間歇性(intermittence) 各原子發(fā)光是間歇的，平均發(fā)各原子發(fā)光是間歇的，平均發(fā)光時(shí)間光時(shí)間 t t約為約為1010-8-81010-11-1

2、1s s，所，所發(fā)出的是一段長(zhǎng)為發(fā)出的是一段長(zhǎng)為 L L= =c c t t的光波的光波列列(light wave train)。 每次發(fā)光是隨機(jī)的，所發(fā)出各每次發(fā)光是隨機(jī)的，所發(fā)出各波列的振動(dòng)方向、頻率和振動(dòng)初波列的振動(dòng)方向、頻率和振動(dòng)初相位都不相同。相位都不相同。隨機(jī)性隨機(jī)性(randomness)P.3/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué) 光是某一波段的光是某一波段的電磁波電磁波 可見(jiàn)光可見(jiàn)光(visible light)的波長(zhǎng)為的波長(zhǎng)為400 760nm 具有一定頻率的光稱(chēng)為具有一定頻率的光稱(chēng)為單色光單色光 各種頻率的光復(fù)合起來(lái)稱(chēng)為各種頻率的光復(fù)合起來(lái)稱(chēng)為復(fù)合光復(fù)合光 光波描述光波描述)2cos(0

3、rtEE光強(qiáng)光強(qiáng)(intensity of light)正比于光矢量正比于光矢量(light vector)振幅的平方，即振幅的平方，即20EI P.4/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)相干條件：相干條件：相干光相干光(coherent light)：能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的光。能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的光。相干光源相干光源(coherent source)：能產(chǎn)生相干光的光源。能產(chǎn)生相干光的光源。干涉定義：干涉定義： 滿(mǎn)足相干條件的兩列或兩列以上的光波，滿(mǎn)足相干條件的兩列或兩列以上的光波，它們?cè)诳臻g的重疊區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)相遇時(shí)，它們?cè)诳臻g的重疊區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)相遇時(shí)，將發(fā)生干涉現(xiàn)象。將發(fā)生干涉現(xiàn)象。P.5/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué))co

4、s(:S11011tEE)2cos(2122120102202100rrEEEEE)cos(:S22022tEE)cos(:0tEEP2221122112rr合振幅：合振幅：相位差：相位差：P.6/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)212設(shè)設(shè) 12若若,21021212kkkrr,)(,)(210122121212kkkrr2201002min)(EEEI2201020max)(EEEI光強(qiáng)極大光強(qiáng)極大若若光強(qiáng)極小光強(qiáng)極小P.7/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)P.8/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)P.9/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué) 加強(qiáng), 2 , 1 , 012kkrr減弱, 3 , 2 , 12) 12(12kkrr1r2rP.1

5、0/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)楊氏雙縫光程差楊氏雙縫光程差r2r1 xPSS1S2DdO角很小,aD Dxtansin加強(qiáng)加強(qiáng), 2 , 1 , 0kkDxd減弱減弱 , 3 , 2 , 1212kkDxdsin12drrP.11/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)干涉條紋在屏幕上的分布干涉條紋在屏幕上的分布, 2 , 1 , 0kdDkx屏幕中央（屏幕中央（k = 0）為中央明紋）為中央明紋), 2 , 1(212kdDkx其中其中k稱(chēng)為條紋的級(jí)次稱(chēng)為條紋的級(jí)次暗紋：暗紋：明紋：明紋：01-12-2明紋級(jí)數(shù)明紋級(jí)數(shù)12-1-2暗紋級(jí)數(shù)暗紋級(jí)數(shù)P.12/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)相鄰明紋或暗紋的間相鄰明紋或暗紋的間距距

6、dDxxxkk1條紋為等間距分布條紋為等間距分布復(fù)色光照射雙縫時(shí)條紋復(fù)色光照射雙縫時(shí)條紋?P.13/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)dDx dx1(1) 雙縫間距雙縫間距(2) 光波的波長(zhǎng)光波的波長(zhǎng)dDx x(3) 屏與縫間距屏與縫間距dDx DxP.14/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)dss1s2PODxr1r212rr P.15/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)dss1s2PODxr1r2薄玻璃片蓋住上縫時(shí)：則薄玻璃片蓋住上縫時(shí)：則中央明紋上移中央明紋上移)(12neerrP.16/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)dss1s2PODxr1r2薄玻璃片蓋住下縫時(shí)：則薄玻璃片蓋住下縫時(shí)：則中央明紋下移中央明紋下移12)(rneerP.17

7、/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)dss1s2PODxr1r2sindP.18/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)ss1s2PODxr1r2向上移動(dòng)光源時(shí)，則：向上移動(dòng)光源時(shí)，則：中央明紋下移中央明紋下移sinsinddP.19/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué) 上下移動(dòng)光源時(shí)，觀察條紋的移動(dòng)。上下移動(dòng)光源時(shí)，觀察條紋的移動(dòng)。ss1s2PODxr1r2中央明紋上移中央明紋上移向下移動(dòng)光源時(shí)，則：向下移動(dòng)光源時(shí)，則：sinsinddP.20/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)P.21/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)P.22/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué) 當(dāng)光由光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)，在界面上發(fā)生反射時(shí)，當(dāng)光由光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)，在界面上發(fā)生反射時(shí)，在反射點(diǎn)處反射光

8、的光矢量相對(duì)于入射光光矢量的相位發(fā)生在反射點(diǎn)處反射光的光矢量相對(duì)于入射光光矢量的相位發(fā)生大小為大小為 的突變。的突變。P.23/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)例題例題13-3 楊氏雙縫的間距為楊氏雙縫的間距為0.2mm，距離屏幕為，距離屏幕為1m。(1) 若第一到第四明紋距離為若第一到第四明紋距離為7.5mm，求入射光波長(zhǎng)。，求入射光波長(zhǎng)。(2) 若入射光的波長(zhǎng)為若入射光的波長(zhǎng)為600nm，求相鄰兩明紋的間距。，求相鄰兩明紋的間距。解解: 14144, 1kkdDxxxmm3m103m102 . 01061337dDx, 2 , 1 , 0kkdDxm105m14107.51100.2733,1441k

9、kxDdP.24/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)P.25/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué) 介質(zhì)薄膜受到照明而產(chǎn)生的介質(zhì)薄膜受到照明而產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象，稱(chēng)干涉現(xiàn)象，稱(chēng)薄膜干涉薄膜干涉(film interference)。 獲得相干光束的方法屬于獲得相干光束的方法屬于分分振幅法振幅法。 薄膜干涉一般分為兩類(lèi)，即薄膜干涉一般分為兩類(lèi)，即等傾干涉等傾干涉(equal inclination interference)和和等厚干涉等厚干涉(equal thickness interference)。P.26/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)iABADsiniesintan2coseBCAC光程差：光程差：ADnBCACn12)()si

10、nsin(cos212inne干涉條件推導(dǎo)干涉條件推導(dǎo)eP.27/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué))sin1 (cos222encos22en22222sin2nneinne22122sin2sinsin12nni 考慮半波損失：考慮半波損失：2sin222122inneeP.28/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)薄膜干涉條件薄膜干涉條件kinne2sin222122, 2 , 1k加強(qiáng)：加強(qiáng)：2) 12(2sin222122kinne, 2 , 1 , 0k相消：相消：等傾干涉：等傾干涉：條紋級(jí)次取決于入射角的干涉條紋級(jí)次取決于入射角的干涉 特點(diǎn)特點(diǎn)：傾角相同的光線對(duì)應(yīng)同一條干涉條紋傾角相同的光線對(duì)應(yīng)同一條干涉條紋

11、P.29/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)等傾干涉條紋是一組內(nèi)疏外密的同心圓環(huán)，越向等傾干涉條紋是一組內(nèi)疏外密的同心圓環(huán)，越向內(nèi)，級(jí)次越高。入射角減小，圓半徑減小。內(nèi)，級(jí)次越高。入射角減小，圓半徑減小。 等傾干涉演示等傾干涉演示P.30/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)增透膜和增反膜增透膜和增反膜 在透鏡表面鍍一層厚度均在透鏡表面鍍一層厚度均勻的透明介質(zhì)膜，使其上、下表面對(duì)某種色光的反射勻的透明介質(zhì)膜，使其上、下表面對(duì)某種色光的反射光產(chǎn)生相消干涉，其結(jié)果是減少了該光的反射，增加光產(chǎn)生相消干涉，其結(jié)果是減少了該光的反射，增加了它的透射。了它的透射。照相機(jī)鏡頭照相機(jī)鏡頭眼鏡眼鏡P.31/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)激光器諧振腔激

12、光器諧振腔宇航服宇航服利用薄膜干涉原理，使薄膜上、下表面對(duì)某利用薄膜干涉原理，使薄膜上、下表面對(duì)某種色光的反射光發(fā)生相長(zhǎng)干涉，其結(jié)果是增加了該光種色光的反射光發(fā)生相長(zhǎng)干涉，其結(jié)果是增加了該光的反射，減少了它的透射。的反射，減少了它的透射。P.32/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)解解: 例題例題13-4 照相機(jī)透鏡常鍍上一層透明薄膜，目的就是照相機(jī)透鏡常鍍上一層透明薄膜，目的就是利用干涉原理減少表面的反射，使更多的光進(jìn)入透鏡，利用干涉原理減少表面的反射，使更多的光進(jìn)入透鏡，常用的鍍膜物質(zhì)是常用的鍍膜物質(zhì)是MgF2，折射率，折射率n=1.38，為使可見(jiàn)光，為使可見(jiàn)光譜中譜中 =550nm的光有最小反射，問(wèn)膜

13、厚的光有最小反射，問(wèn)膜厚e = ？n2=1.38n3=1.50n1=1反射最小反射最小 k=0,1,2,2) 12(22kennm.nm.min699381455042ne對(duì)應(yīng)于最小厚度對(duì)應(yīng)于最小厚度，k = 0得到得到， 說(shuō)明：入射光能量一定，反射光能量減弱必然使透入射光能量一定，反射光能量減弱必然使透 射能量增強(qiáng)，所以這種膜稱(chēng)為射能量增強(qiáng)，所以這種膜稱(chēng)為增透膜增透膜。P.33/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)例題例題13-5 空氣中肥皂膜（空氣中肥皂膜（n1=1.33），厚為），厚為0.32 m。如用白光垂直入射，問(wèn)肥皂膜呈現(xiàn)什么色彩？如用白光垂直入射，問(wèn)肥皂膜呈現(xiàn)什么色彩？解解: : ken2222

14、122ken1702nm4,1enk21nm56734,222enk340nm54,3enk23 2=567nm（黃光黃光）可見(jiàn)光范圍可見(jiàn)光范圍400760nmP.34/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)例題例題13-6 用薄云母片（用薄云母片（n=1.58）覆蓋在楊氏雙縫的其）覆蓋在楊氏雙縫的其中一條縫上，這時(shí)屏上的零級(jí)明紋移到原來(lái)的第七級(jí)中一條縫上，這時(shí)屏上的零級(jí)明紋移到原來(lái)的第七級(jí)明紋處。如果入射光波長(zhǎng)為明紋處。如果入射光波長(zhǎng)為550nm，問(wèn)云母片的厚度，問(wèn)云母片的厚度為多少？為多少？解：解：Po1r2rd1s2s原七級(jí)明紋原七級(jí)明紋P點(diǎn)處點(diǎn)處插入云母片后，插入云母片后，P點(diǎn)為零級(jí)明紋點(diǎn)為零級(jí)明紋01

15、2nddrr17 ndm106.64m11.58105507169nd7712rrP.35/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)薄膜干涉條件薄膜干涉條件（以空氣劈尖為例）（以空氣劈尖為例）kinne2sin222122, 2 , 1k加強(qiáng)：加強(qiáng)：2) 12(2sin222122kinne, 2 , 1 , 0k相消：相消：等厚干涉：等厚干涉：條紋級(jí)次取決于薄膜厚度的干涉條紋級(jí)次取決于薄膜厚度的干涉 特點(diǎn)：特點(diǎn)：同一條紋反映膜的同一厚度同一條紋反映膜的同一厚度 P.36/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)考慮垂直入射考慮垂直入射 情況：情況：0ikne22,2, 1k加強(qiáng)：加強(qiáng)：2)12(22kne, 2 , 1 , 0k相

16、消：相消：劈尖膜劈尖膜(wedge film)的的干涉干涉 neP.37/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)neeekk21knek22) 1(221knekke1kee等厚干涉條紋特點(diǎn)等厚干涉條紋特點(diǎn)1. 條紋級(jí)次條紋級(jí)次 k 隨著劈尖的厚度而變化，因此這種干涉隨著劈尖的厚度而變化，因此這種干涉稱(chēng)為稱(chēng)為。條紋為一組平行于棱邊的平行線。條紋為一組平行于棱邊的平行線。2. 由于存在半波損失，棱邊上為零級(jí)暗紋。由于存在半波損失，棱邊上為零級(jí)暗紋。P.38/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)應(yīng)用一應(yīng)用一 薄膜端部厚度薄膜端部厚度d的測(cè)量的測(cè)量LdllnleLd2nlLd2Nnd2薄膜厚度：薄膜厚度：lLN 條紋數(shù)條紋數(shù)n測(cè)量原

17、理測(cè)量原理 在半導(dǎo)體元件生產(chǎn)中，測(cè)定硅片上的二氧化硅薄膜厚度的常用方法是：將薄膜的一部分磨成劈形膜，通過(guò)觀察垂直入射光在其上面產(chǎn)生的干涉條紋，計(jì)算出厚度。P.39/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)ke22)()(kkee22ke2說(shuō)明說(shuō)明: k反映了偏離直線條紋的程度。反映了偏離直線條紋的程度。應(yīng)用二應(yīng)用二 光學(xué)表面檢查光學(xué)表面檢查ee測(cè)量原理測(cè)量原理P.40/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)若因畸變使某處移動(dòng)了一若因畸變使某處移動(dòng)了一個(gè)條紋的距離，個(gè)條紋的距離， k=1=1，則，則 k-1 k k+1表面凸起表面凸起 ke1ke k-1 k k+1表面凹陷表面凹陷 2eke2P.41/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)例題例題1

18、3-7 有一玻璃劈尖，放在空氣中，劈尖夾角有一玻璃劈尖，放在空氣中，劈尖夾角 =8 10-5rad.波長(zhǎng)波長(zhǎng) =0.589 m的單色光垂直入射時(shí)，的單色光垂直入射時(shí)，測(cè)得干涉條紋的寬度為測(cè)得干涉條紋的寬度為l= 2.4mm，求玻璃的折射率。，求玻璃的折射率。解：解：nl2ln253. 1104 . 210821089. 5357LdlP.42/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)牛頓環(huán)的特點(diǎn)：牛頓環(huán)的特點(diǎn)： 干涉條紋是以平凸干涉條紋是以平凸透鏡與平面玻璃板的接透鏡與平面玻璃板的接觸點(diǎn)為圓心的明暗相間觸點(diǎn)為圓心的明暗相間的圓環(huán)，的圓環(huán)，對(duì)空氣牛頓環(huán)對(duì)空氣牛頓環(huán)中心為暗點(diǎn)；條紋間距中心為暗點(diǎn)；條紋間距不相等，且內(nèi)

19、疏外密。不相等，且內(nèi)疏外密。P.43/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)2) 12(22kne暗紋kne22明紋22222)(eeReRRr22eeReRRre22ORrerP.44/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)ORrernRkr2) 12(明環(huán)明環(huán)nkRr), 2 , 1 , 0(k暗環(huán)暗環(huán)), 2 , 1(kP.45/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)牛頓環(huán)的應(yīng)用牛頓環(huán)的應(yīng)用波長(zhǎng)測(cè)量波長(zhǎng)測(cè)量已知：用紫光照射，借助于低倍測(cè)量已知：用紫光照射，借助于低倍測(cè)量顯微鏡測(cè)得由中心往外數(shù)第顯微鏡測(cè)得由中心往外數(shù)第 k 級(jí)明環(huán)級(jí)明環(huán)的半徑的半徑 , k 級(jí)往上數(shù)級(jí)往上數(shù)第第16 個(gè)明環(huán)半徑個(gè)明環(huán)半徑 ，平凸透鏡的曲率半徑平凸透鏡的曲率半徑R=2.50mmrk3100 .3 m100 . 5316kr2 1)16(216 Rkrk 求：紫光的波長(zhǎng)？求：紫光的波長(zhǎng)？解：根據(jù)明環(huán)半徑公式：解：根據(jù)明環(huán)半徑公式：2) 12( Rkrk Rrrkk162216 m100 . 450. 216)100 . 3()100 . 5(72222RrCNMbOP.46/52波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)用鈉燈（用鈉燈（ = 589.3nm）觀察牛頓環(huán)，看到第）觀察牛頓環(huán)，看到第k條暗條暗環(huán)的半徑為環(huán)的半徑為r = 4mm，第，第k+5條暗環(huán)半徑條暗環(huán)半徑r = 6mm，求所用平凸透鏡的曲率半徑求所用平凸透鏡的曲率半徑R。解解:RkrkRkrk)5(