理學(xué)大學(xué)物理PPT課件

1、電磁波譜 電 磁 波 譜可見光的范圍:400 760nm15-1 光的相干性光的相干性一、光的電磁理論一、光的電磁理論光是頻率在一定范光是頻率在一定范圍內(nèi)，對(duì)人眼能產(chǎn)圍內(nèi)，對(duì)人眼能產(chǎn)生視覺的電磁波。生視覺的電磁波。第1頁/共43頁光矢量平面簡(jiǎn)諧電磁波 電磁波是電場(chǎng)強(qiáng)度電磁波是電場(chǎng)強(qiáng)度 與磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度 的矢量波的矢量波EHuEHOxyz 能夠引起視覺的是能夠引起視覺的是 矢量矢量。E 電磁波是橫波， 和 互相垂直，且與波的傳播方向垂直。EH001c 真空中電磁波的傳播速度（光速）真空中電磁波的傳播速度（光速）82.998 10 m/s第2頁/共43頁二、光的相干性二、光的相干性干涉現(xiàn)象是一

2、切波動(dòng)所具有的共同特性。1) 頻率相同頻率相同2) 存在平行的光振動(dòng)分量存在平行的光振動(dòng)分量3) 在相遇點(diǎn)相位差恒定在相遇點(diǎn)相位差恒定 兩列光的相干條件 14II 0I 兩列光相干疊加時(shí)干涉加強(qiáng)與減弱的條件 2k 相位差 時(shí)，干涉加強(qiáng)1)2(k相位差 時(shí)，干涉減弱 第3頁/共43頁三、普通光源發(fā)光微觀機(jī)制的特點(diǎn)原子能級(jí)及發(fā)光躍遷原子能級(jí)及發(fā)光躍遷基態(tài)基態(tài)激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)nE躍遷躍遷自發(fā)輻射自發(fā)輻射普通光源的發(fā)光機(jī)制普通光源的發(fā)光機(jī)制自發(fā)輻射自發(fā)輻射hE P21s1010:108t 普通光源發(fā)光特點(diǎn)普通光源發(fā)光特點(diǎn)： 原子發(fā)光是原子發(fā)光是斷續(xù)的斷續(xù)的，每次發(fā)光形成一長(zhǎng)度每次發(fā)光形成一長(zhǎng)度有限的波列有

3、限的波列, 各原子各原子各次發(fā)光相互獨(dú)立，各次發(fā)光相互獨(dú)立，各波列各波列互不相干互不相干。第4頁/共43頁激光束干涉實(shí)驗(yàn)激光束干涉實(shí)驗(yàn)單色激光光源不同原子所單色激光光源不同原子所發(fā)的光具有相干性發(fā)的光具有相干性（頻率、相位、振動(dòng)方向、傳播方向都相同）激光光源受激輻射hEE/12E2E1完全一樣第5頁/共43頁 獲取相干光的方法：獲取相干光的方法：把光源上把光源上同一點(diǎn)同一點(diǎn)發(fā)出的光設(shè)法發(fā)出的光設(shè)法分成兩部分，然后再使這兩部分疊加起來。分成兩部分，然后再使這兩部分疊加起來。分波面干涉法分波面干涉法*光源光源1s2s楊氏雙縫干涉楊氏雙縫干涉分振幅干涉法薄膜干涉薄膜干涉第6頁/共43頁cvvcn 介

4、質(zhì)中的波長(zhǎng)介質(zhì)中的波長(zhǎng)n真空真空補(bǔ)充：光程和光程差 設(shè)光的頻率為 ，在真空中的速度為c，波長(zhǎng)為 ，在折射率為n的介質(zhì)中的速度為v，波長(zhǎng)為 ，則n 分析：分析：光分別在真空和介質(zhì)中光分別在真空和介質(zhì)中傳播相同的距離傳播相同的距離D，相位變化？，相位變化？真空中：2D介質(zhì)中：2D2nD 即在介質(zhì)中光線經(jīng)過即在介質(zhì)中光線經(jīng)過D距離所發(fā)生的相位改變，距離所發(fā)生的相位改變，等于真空中經(jīng)過等于真空中經(jīng)過nD所發(fā)所發(fā)生的相位改變。生的相位改變。 第7頁/共43頁 1、光程：、光程：光在某一介質(zhì)中行進(jìn)的幾何路程光在某一介質(zhì)中行進(jìn)的幾何路程 l與該介與該介質(zhì)的折射率質(zhì)的折射率 n 的乘積的乘積 n l 叫做叫做

5、光程光程。 光程的意義：光程的意義： 設(shè)光在介質(zhì)設(shè)光在介質(zhì)n中的傳播速度為中的傳播速度為v ，在此種介質(zhì)中走，在此種介質(zhì)中走過過 l 的路程所需的時(shí)間為的路程所需的時(shí)間為 l / v，在相同的時(shí)間內(nèi)光在，在相同的時(shí)間內(nèi)光在真空中傳播走過的路程為：真空中傳播走過的路程為：lcuclvnl 即介質(zhì)中某一幾何路程的光程，等于光在與走這段即介質(zhì)中某一幾何路程的光程，等于光在與走這段路程相同時(shí)間內(nèi)在真空中走過的路程。路程相同時(shí)間內(nèi)在真空中走過的路程。 光程是一個(gè)折合量，在相位改變相同的條件下，光程是一個(gè)折合量，在相位改變相同的條件下，把光在介質(zhì)中傳播的路程折合為光在真空中傳播的把光在介質(zhì)中傳播的路程折合

6、為光在真空中傳播的相應(yīng)路程。相應(yīng)路程。光程第8頁/共43頁2、光程差、光程差 相位差與光程差的關(guān)系：相位差與光程差的關(guān)系：22 21 1n rn r11222rnrn一列光波如經(jīng)兩種媒質(zhì)，則光程為一列光波如經(jīng)兩種媒質(zhì)，則光程為SPrdnnnddrn)(說明,0,1, 2,kk 干涉干涉加強(qiáng)：加強(qiáng)： 干涉干涉減弱：減弱：(21),0,1,2,2kk 第9頁/共43頁一、楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象2SS1S15-2 楊氏雙縫干涉 明條紋明條紋明條紋明條紋明條紋明條紋明條紋明條紋明條紋明條紋第10頁/共43頁21sinrrdxB1r2rtanxD由由圖圖可可知知：:sintan當(dāng)當(dāng) 很很小小時(shí)時(shí)2

7、1tanrrdxdD由由S1、S2發(fā)出的光波到發(fā)出的光波到B點(diǎn)的光程差為：點(diǎn)的光程差為：OS1S2SdD理論分析理論分析第11頁/共43頁1、在、在B點(diǎn)發(fā)生干涉加強(qiáng)的條件為點(diǎn)發(fā)生干涉加強(qiáng)的條件為210, 1, 2,rrkk 2、在、在B點(diǎn)發(fā)生干涉減弱的條件為點(diǎn)發(fā)生干涉減弱的條件為21(21)1, 2, 3,2rrkk B點(diǎn)處出現(xiàn)明條紋。點(diǎn)處出現(xiàn)明條紋。k = 0的明紋稱為中央明紋，的明紋稱為中央明紋，k = 1，2，3，對(duì)應(yīng)明紋為第一級(jí)，第二級(jí)，第三對(duì)應(yīng)明紋為第一級(jí)，第二級(jí)，第三級(jí)，級(jí)，明紋。明紋。 B點(diǎn)處出現(xiàn)暗條紋。點(diǎn)處出現(xiàn)暗條紋。k = 1，2，對(duì)應(yīng)暗紋為對(duì)應(yīng)暗紋為第一級(jí)，第二級(jí)，第一級(jí)，

8、第二級(jí)，暗紋。暗紋。0, 1, 2,Dxkkd (21)1, 2, 3,2Dxkkd xdD第12頁/共43頁4、相鄰兩明紋、相鄰兩明紋(或暗紋或暗紋)中心間的距離為：中心間的距離為：Dxd 3、波程差為其它值的點(diǎn)，光強(qiáng)介于最明與最暗之間。、波程差為其它值的點(diǎn)，光強(qiáng)介于最明與最暗之間。因此上述兩條紋分別是明紋中心和暗紋中心。因此上述兩條紋分別是明紋中心和暗紋中心。 1) 干涉條紋是等距分布的，且各級(jí)明、暗條紋對(duì)稱干涉條紋是等距分布的，且各級(jí)明、暗條紋對(duì)稱分布在中央明紋兩側(cè)。分布在中央明紋兩側(cè)。Dxkd 2) 當(dāng)當(dāng)D、 一定時(shí)，一定時(shí)， x與與d成反比，成反比，d 越小，條紋分越小，條紋分辨越清

9、。辨越清。說明 3) 當(dāng)當(dāng)D 、d 一定時(shí)，一定時(shí)， x與與 成正比，波長(zhǎng)大的相鄰成正比，波長(zhǎng)大的相鄰條紋間距大，波長(zhǎng)小的相鄰條紋間距小。條紋間距大，波長(zhǎng)小的相鄰條紋間距小。第13頁/共43頁 、 D一定時(shí)條紋間距 x與 d 的關(guān)系第14頁/共43頁d、 D一定時(shí)， x隨 的變化第15頁/共43頁 用白光做光源時(shí)，除中央明紋是白光外，其它各級(jí)用白光做光源時(shí)，除中央明紋是白光外，其它各級(jí)條紋是彩色的，紫在內(nèi)紅在外；不同級(jí)次的條紋可能條紋是彩色的，紫在內(nèi)紅在外；不同級(jí)次的條紋可能發(fā)生重疊。發(fā)生重疊。第16頁/共43頁三、勞埃德鏡1sPM2sdDPL在在L處為一暗紋處為一暗紋結(jié)論：結(jié)論： 當(dāng)光波由光

10、疏介質(zhì)當(dāng)光波由光疏介質(zhì)(折射率較小折射率較小)射向光密介質(zhì)射向光密介質(zhì)(折射折射率較大率較大)時(shí)，被光密介質(zhì)反射的光在反射點(diǎn)有相位時(shí)，被光密介質(zhì)反射的光在反射點(diǎn)有相位 的的躍變，這一躍變相當(dāng)于反射光與入射光這間躍變，這一躍變相當(dāng)于反射光與入射光這間附加了半附加了半個(gè)波長(zhǎng)的波程差個(gè)波長(zhǎng)的波程差，故稱作，故稱作半波損失半波損失。第17頁/共43頁 例1 如圖雙縫，已知入射光波長(zhǎng)為 ，將折射率為 n 的劈尖緩慢插入光線 2 中，在劈尖移動(dòng)過程中，問 1）干涉條紋間距是否變化？ 2）條紋如何移動(dòng)？S1s2s1r2roS1s2s1r2roe1r2roneerr)(21 解：解：1）條紋條紋間距不變。間距

11、不變。O點(diǎn)為零級(jí)明紋位置零級(jí)明紋位置下移21rr 210rr 2）無劈尖時(shí)2()rene有劈尖時(shí)1r第18頁/共43頁 例2 在雙縫實(shí)驗(yàn)中，入射光的波長(zhǎng)為550nm，用一厚 e =2.85104cm的透明薄片蓋著S1縫，結(jié)果中央明紋移到原來第三條明紋處，求透明薄片的折射率。解：解：加透明薄片后，加透明薄片后，光路的光程為光路的光程為 enrneer) 1(11 P點(diǎn)是中央明紋，兩點(diǎn)是中央明紋，兩光路的光程差應(yīng)等于光路的光程差應(yīng)等于0 0) 1(12enrrenrr) 1(12不加透明薄片時(shí)，在不加透明薄片時(shí)，在P點(diǎn)處有：點(diǎn)處有：312 rr由以上兩式可得：由以上兩式可得：13en58. 1是云

12、母片。是云母片。S1S2SdDOP1r2r第19頁/共43頁P(yáng)1n1n2n1M2MeLE2AC1B2115-3 薄膜干涉 薄膜薄膜 油膜、肥皂膜、透明的電介質(zhì)薄板、夾在兩油膜、肥皂膜、透明的電介質(zhì)薄板、夾在兩塊玻璃板之間的空氣薄層或其它流體薄層。塊玻璃板之間的空氣薄層或其它流體薄層。1n ADcosACCBersinADABi2 tansineri21sinsinnirn212nn iDrr一、薄膜干涉一、薄膜干涉2()nACCB1、2光的光程差：i212sin2sincoscos2n erneirr2221 sincos2enrr22cos2n er第20頁/共43頁222212sin2e

13、nni22cos2n er222222sin2e nnr2,1, 2,2kk(21),0,1,2kk干涉加強(qiáng)干涉加強(qiáng)干涉減弱干涉減弱反反射光的光程差射光的光程差干涉條件為：干涉條件為： 當(dāng)光線垂直入射時(shí)當(dāng)光線垂直入射時(shí) 222ne0i1n1n2ne第21頁/共43頁討論討論(1) 透射光的光程差222212sine nni 透射光和反射光干涉透射光和反射光干涉具有互具有互 補(bǔ)補(bǔ) 性，符合性，符合能量守恒定律。能量守恒定律。(2) 透鏡不引起附加的光程差透鏡不引起附加的光程差FABo焦平面FAB焦平面P1n1n2n1M2MeL12nn iDB21E2ArrC1第22頁/共43頁半波損失半波損失S

14、MDTL二、等厚干涉二、等厚干涉劈尖干涉和牛頓環(huán)劈尖干涉和牛頓環(huán)劈尖角 1n1nne1、劈形膜、劈形膜 劈尖干涉劈尖干涉2ne2, 2 , 1,kk明紋明紋, 1 , 0,2) 12(kk暗紋暗紋第23頁/共43頁討 論2）在棱邊處：）在棱邊處：20e 為暗紋1()2 2ekn22nek1）相鄰明紋（暗紋）間的厚度差）相鄰明紋（暗紋）間的厚度差 e12iieeen 3）相鄰明紋（暗紋）中心間距離）相鄰明紋（暗紋）中心間距離l l e明紋暗紋sin2ln2 sinlnn2(明紋明紋)第24頁/共43頁劈尖干涉條紋的特點(diǎn)：劈尖干涉條紋的特點(diǎn)：(1) 是一組平行于棱邊、明暗相間、等間距的直條紋。是一

15、組平行于棱邊、明暗相間、等間距的直條紋。 (2) 劈尖角劈尖角 越大，越大， 條紋間距越小；當(dāng)條紋間距越?。划?dāng) 大到一定程度大到一定程度時(shí)，條紋過密而分辨不清，因此一般要求時(shí)，條紋過密而分辨不清，因此一般要求 角很小。角很小。 討論題：討論題：在下列三種情況下，干涉條紋將發(fā)生怎樣在下列三種情況下，干涉條紋將發(fā)生怎樣的變化？的變化？間距不變間距不變間距不變間距不變變密變密第25頁/共43頁2）測(cè)膜厚）測(cè)膜厚Sie1n2n2SiO1）干涉膨脹儀）干涉膨脹儀0ll2Nl 第26頁/共43頁工件表面紋工件表面紋路是凹的路是凹的3）檢驗(yàn)光學(xué)元件表面的平整度）檢驗(yàn)光學(xué)元件表面的平整度4）測(cè)細(xì)絲的直徑）測(cè)細(xì)

16、絲的直徑2Ldn l1nn1nLd1nsin2lndlL第27頁/共43頁 例例1 折射率為折射率為n=1.60的兩塊平面玻璃板之間形成一的兩塊平面玻璃板之間形成一空氣劈尖，用波長(zhǎng)空氣劈尖，用波長(zhǎng) =600nm的單色光垂直照射，產(chǎn)生的單色光垂直照射，產(chǎn)生等厚干涉條紋，若在劈尖內(nèi)充滿等厚干涉條紋，若在劈尖內(nèi)充滿n=1.40的液體，相鄰的液體，相鄰明紋間距縮小明紋間距縮小 l = 0.5mm，求劈尖角，求劈尖角 。 解：解：設(shè)空氣劈尖時(shí)相鄰明紋間距為設(shè)空氣劈尖時(shí)相鄰明紋間距為l1，液體劈尖時(shí)，液體劈尖時(shí)相鄰明紋間距為相鄰明紋間距為l2，由間距公式，由間距公式2211nlnnl2222)11 (2n

17、l)11 (2nlrad1072. 14第28頁/共43頁 例例2 制造半導(dǎo)體元件時(shí)，常需精確測(cè)定硅片上鍍有制造半導(dǎo)體元件時(shí)，常需精確測(cè)定硅片上鍍有二氧化硅薄膜的厚度，可用化學(xué)方法把薄膜的一部分二氧化硅薄膜的厚度，可用化學(xué)方法把薄膜的一部分腐蝕成劈尖形，用波長(zhǎng)腐蝕成劈尖形，用波長(zhǎng) =589.3nm的單色光從空氣垂的單色光從空氣垂直照射，二氧化硅的折射率直照射，二氧化硅的折射率 n=1.5，硅的折射率為，硅的折射率為 3.42，若觀察到如圖所示的，若觀察到如圖所示的7條明紋。問二氧化硅膜的條明紋。問二氧化硅膜的厚度厚度d =?2SiOSid 解：上下兩面都有半波損失，互相抵消，光程差為：ne2,

18、 2, 1, 0kk 棱邊處棱邊處 e=0 , 對(duì)應(yīng)于對(duì)應(yīng)于 k=0 , 所以厚度為所以厚度為 d 處的明紋處的明紋對(duì)應(yīng)于對(duì)應(yīng)于 k=6 , 故二氧化硅膜的厚度為故二氧化硅膜的厚度為:nd26m101786. 15 . 12103 .5896610第29頁/共43頁2、牛頓環(huán)、牛頓環(huán) 曲率半徑很大的平凸透鏡放在平玻璃板上，在其之間曲率半徑很大的平凸透鏡放在平玻璃板上，在其之間形成環(huán)狀劈形空氣層，用單色光垂直照射在平凸透鏡上形成環(huán)狀劈形空氣層，用單色光垂直照射在平凸透鏡上可以觀察到一組明暗相間的同心圓環(huán)，稱為可以觀察到一組明暗相間的同心圓環(huán)，稱為牛頓環(huán)牛頓環(huán)。第30頁/共43頁 牛頓環(huán)干涉圖樣顯

19、微鏡顯微鏡SL M半透半透半反鏡半反鏡T第31頁/共43頁厚度為厚度為e處空氣層上下表面反射光程差為：處空氣層上下表面反射光程差為：2222nee當(dāng)當(dāng) e = 0 時(shí)，時(shí)， = /2，中心暗斑。，中心暗斑。Re), 2 , 1(kk明紋明紋), 1 , 0()21(kk暗紋2222()2rRR eeR e20Ree2reRRkr)21( kRr 暗環(huán)半徑明環(huán)半徑R)2(r第32頁/共43頁1）牛頓環(huán)屬于等厚干涉，但條紋間距不等，為什么？2）將牛頓環(huán)置于n 1 的液體中，條紋如何變？討論), 2 , 1 , 0(k暗環(huán)半徑明環(huán)半徑), 3 , 2 , 1(kRkr)21( kRr nn條紋變密集

20、條紋變密集3）牛頓環(huán)的應(yīng)用：牛頓環(huán)的應(yīng)用：測(cè)量平凸透鏡的曲率半徑、測(cè)量平凸透鏡的曲率半徑、測(cè)量光波波長(zhǎng)等測(cè)量光波波長(zhǎng)等2121rrkk、暗暗環(huán)環(huán)的的半半徑徑為為、設(shè)設(shè)第第RkrRkr222121)(122122kkrrR第33頁/共43頁 例題例題 用氦氖激光器發(fā)出的波長(zhǎng)為用氦氖激光器發(fā)出的波長(zhǎng)為633nm的單色光做的單色光做牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)，測(cè)得第牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)，測(cè)得第 k 個(gè)暗環(huán)的半徑為個(gè)暗環(huán)的半徑為5.63mm，第，第 k+5 暗環(huán)的半徑為暗環(huán)的半徑為7.96mm，求平凸透鏡的曲率半徑，求平凸透鏡的曲率半徑R。解：解：kRrkRkrk)5(52255kkrrR22510.0m5kkrrR第34頁/共43頁 增透膜 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。照相機(jī)鏡頭眼鏡三、增反膜和增透膜第35頁/共43頁激光器諧振腔宇航服 增反膜 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)果是增加了該光的反射，減少了它的透射。第36頁/共43頁玻璃玻璃3ne1n2n氟化鎂為增透膜氟化鎂為增透膜 例題例題 照相機(jī)的鏡頭是折射率為照相機(jī)的鏡頭是折射率為1