波動光學-干涉ppt課件

1、 第一章第一章 光的干涉光的干涉 第二章第二章 光的衍射光的衍射 第三章第三章 光的偏振光的偏振波波 動動 光光 學學1.1.光學的發(fā)展光學的發(fā)展l幾何光學幾何光學波動光學波動光學量子光學量子光學幾幾何何光光學學：光光直直線線傳傳播播 光光學學儀儀器器的的成成象象理理論論波波動動光光學學：光光是是電電磁磁波波 干干涉涉、衍衍射射、偏偏振振量量子子光光學學：光光具具有有波波粒粒二二象象性性 光光與與物物質(zhì)質(zhì)的的相相互互作作用用l線性光學線性光學非線性光學非線性光學2.2.波動光學對光的描述波動光學對光的描述l光是電磁波光是電磁波l單色光：頻率恒定的一列無限長單色光：頻率恒定的一列無限長E E矢量

2、矢量l 的簡諧光波。的簡諧光波。 l與物質(zhì)相互作用感光、生理作用）與物質(zhì)相互作用感光、生理作用）l 的主要是的主要是E E矢量矢量- -光矢量。光矢量。E E矢量的振動矢量的振動l 稱為光振動。稱為光振動。第一章第一章 光的干涉光的干涉Interference of Interference of lightlight）1 1 光源的發(fā)光特性光源的發(fā)光特性一一. . 光光源源光源的最基本發(fā)光單元是分子、原子光源的最基本發(fā)光單元是分子、原子 =(E2-E1) /hE1E2能級躍遷輻射能級躍遷輻射波列波列波列長波列長 L =L = c c 10-8 10-8秒秒1. 1. 普通光源：自發(fā)輻射普通光

3、源：自發(fā)輻射互相獨立互相獨立互相獨立互相獨立同一原子先后發(fā)的光同一原子先后發(fā)的光不同原子發(fā)的光不同原子發(fā)的光互相獨立：前后發(fā)光間隔，頻率互相獨立：前后發(fā)光間隔，頻率,位相位相,振動方向振動方向,傳傳 播方向播方向2. 2. 激光光源：受激輻射激光光源：受激輻射頻率頻率, ,位相位相, ,振動振動方向方向, ,傳播方向傳播方向完全一樣！完全一樣！ =(E2-E1) /hE2E1 二二. . 光的相干性光的相干性 1. 兩列光波的疊加(只討論電振動) - -2121,E/EE令令光光矢矢量量)cos(1101 tEE)cos(2202 tEEP: 1 2 E0E 10E 20)cos(021 tE

4、EEE cos2201022021020EEEEE12 - - p12r1r2 cos 2 2121 IIIII l非相干光源普通光源）非相干光源普通光源） I = I 1 + I 2 I = I 1 + I 2 非相干疊加非相干疊加( (光強光強疊加疊加) )干涉項干涉項12 - - p12r1r20cos 干涉項的時間平均值為零干涉項的時間平均值為零 不恒定不恒定l完全相干光源如激光光源）完全相干光源如激光光源） coscos相長干涉明）相長干涉明） ,2 k 2121max2IIIIII (k = 0,1,2,3) 相消干涉暗）相消干涉暗） ,)12( k2121min2IIIIII-

5、- (k = 0,1,2,3) 決定于決定于P P點的位置點的位置 恒定恒定21II 21II Io2-24-44I1襯比度差襯比度差 (V (V d ，D d (dD d (d 10 -4m, D 10 -4m, D m) m)波程差：波程差：Dxdddrr - - tgsin12相位差：相位差： 2 明紋明紋2 , 1 , 0 , , kdDkxkk 暗紋暗紋 2)1 2( ,2)1 2( )12( dDkxkk 條紋間距條紋間距 dDx (1) (1) 一系列平行的明暗相間的條紋；一系列平行的明暗相間的條紋； (3) (3) 中間級次低；中間級次低；明紋明紋: : k k ，k =1,2

6、,3(k =1,2,3(整數(shù)整數(shù)級級) )暗紋暗紋: : (2k+1)/2 (2k+1)/2 (半整半整數(shù)級數(shù)級) )(4)(4) x 條紋特點：條紋特點：(2) (2) 不太大時條紋等間距；不太大時條紋等間距；某條紋級次某條紋級次 = = 該條紋相應(yīng)的該條紋相應(yīng)的 (r2-(r2-r1)/r1)/二二 . . 光強公式光強公式,cos22121 IIIII假設(shè)假設(shè) I1 = I2 = I1 = I2 = I0 ,I0 ,2cos420 II那那么么)2sin( d 光強曲線光強曲線I02-24-4k012-1-24I0 x0 x1x2x -2x -1s i n0 /d- /d-2 /d2 /

7、d3 3 其他分波面干涉實驗其他分波面干涉實驗( (自學自學) )4 4 空間相干性空間相干性一一. . 空間相干性的概念空間相干性的概念光源寬度對干涉條紋襯比度的影響光源寬度對干涉條紋襯比度的影響設(shè)光源寬度為設(shè)光源寬度為b bBDI非相干疊加非相干疊加+1L0N0M0Lb/2d /2LMNS1S2xI合成光強合成光強0N x+1L0M0L-1N=D/d二二. . 極限寬度極限寬度當光源寬度當光源寬度b b增大到某個寬度增大到某個寬度b0b0時，干涉條時，干涉條設(shè)設(shè)BdBd和和b b - - )()(1122rrrr( (一級明紋一級明紋) )22sin Dxdd紋剛好消失，紋剛好消失，b0b

8、0稱為光源的極限寬度。稱為光源的極限寬度。do DB+1L r2r1 r 1r 2單色光源單色光源b0 /2xLx /2x /2 Bbdd2sin0 ( B b0 ,d )( B b0 ,d ) Bbd220 dBb 0光源的極限寬度0bb 時，才能觀察到干涉條紋。時，才能觀察到干涉條紋。do DB+1L r2r1 r 1r 2單色光源單色光源b0 /2xLx /2x /2 三三. . 相干間隔和相干孔徑角相干間隔和相干孔徑角1. 1. 相干間隔相干間隔假設(shè)假設(shè) b b 和和 B B一定，則要得到干涉條紋，一定，則要得到干涉條紋，必需必需)(00 bBddd 相干間隔相干間隔d0越大，光場的空

9、間相干性越好。越大，光場的空間相干性越好。2. 2. 相干孔徑角相干孔徑角S1S2b 0d0BbBd 00相干孔徑角相干孔徑角 0 0 越大空間相干性越好。越大空間相干性越好。激光光源可以不受以上限制激光光源可以不受以上限制在在0 0 范圍內(nèi)的光場中，正對光源的平范圍內(nèi)的光場中，正對光源的平面上的任意兩點的光振動是相干的。面上的任意兩點的光振動是相干的。四四. . 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例1.1.測遙遠星體的角直徑：測遙遠星體的角直徑：Bb bdB 星體星體bdB 星體星體 bBd00 d 考慮到衍射的影響，有考慮到衍射的影響，有022. 1d M1M2M3M4屏屏測星干涉儀測星干涉儀2.2.屏上條紋

10、消失時，反射屏上條紋消失時，反射鏡鏡M1M4M1M4間的距離就是間的距離就是d0d0， 測獵戶座星測獵戶座星 00nmnm測得測得m07. 30 d047. 022. 10 d 得得使使d =d0d =d0則條紋消失則條紋消失一一. . 光的非單色性光的非單色性1.1.理想的單色光理想的單色光 、 2.2.準單色光、譜線寬度準單色光、譜線寬度 準單色光：在某個中心波長頻率附準單色光：在某個中心波長頻率附近有一定波長頻率范圍的光。近有一定波長頻率范圍的光。 譜線寬度：譜線寬度： 0 oII0I0 /2譜線寬度譜線寬度(1) (1) 自然寬度自然寬度 Ei+1 Ei+1Ei EihEEii1 5

11、5 時間相干性時間相干性 造成譜線寬度的原因造成譜線寬度的原因(2)(2)多普勒增寬多普勒增寬 T ，T(3) (3) 碰撞增寬碰撞增寬 p )( ，一一定定Tpz二二. . 非單色性對干涉條紋的影響非單色性對干涉條紋的影響0123456012345Ix - (/2) + (/2)合成光強合成光強)2)(1()2( - - MMkk 干涉的最大級次干涉的最大級次 Mk三三. . 相干長度與相干時間相干長度與相干時間1.1.相干長度相干長度 兩列波能發(fā)生干涉的最大波程差兩列波能發(fā)生干涉的最大波程差 2MMk ：中心波長SS1S2c1c2b1b2a1a2 pS1S2Sc1c2b1b2a1a2p注注

12、: 等代表波列等代表波列只有同一波列分成的兩部分經(jīng)不同的光程只有同一波列分成的兩部分經(jīng)不同的光程再相遇時才能發(fā)生干涉。再相遇時才能發(fā)生干涉。波列長度就是波列長度就是相干長度相干長度 McM 光通過相干長度所需時間光通過相干長度所需時間2.2.相干時間相干時間6 6 光程光程一一. . 光程、光程差光程、光程差 真空中真空中dab 2dab - - 媒質(zhì)媒質(zhì)中中abndnn媒質(zhì)媒質(zhì) 2nabd - - n n媒質(zhì)中波媒質(zhì)中波長長nncncun / 2nd 光程光程 : L = nd: L = nd 真空中波真空中波長長n1n2nmd1d2dm 光程差光程差 ： = L2 = L2 - L1- L

13、1 2 例例 S1S2r1r2dnpP: P: 122LL - - 122rnddr- - - - dnrr1212- - - - 二二. .使用透鏡不會產(chǎn)生附加光程使用透鏡不會產(chǎn)生附加光程差差SacbS物點到象點各光線之間的物點到象點各光線之間的光程差為零光程差為零相位差和光程差的關(guān)系：相位差和光程差的關(guān)系：光 程光 程 L = L = ( ni di )( ni di )7 7 薄膜干涉薄膜干涉 ( (一一) ) 等厚條紋等厚條紋一一. . 劈尖劈形膜）劈尖劈形膜）夾角很小的兩個平面所構(gòu)成的薄膜夾角很小的兩個平面所構(gòu)成的薄膜rad 101054- - -： e nnn A反射光反射光2反射

14、光反射光1單色平行光單色平行光(設(shè)設(shè)n n )S121 1、2 2兩束反射光來自同兩束反射光來自同一一 束入射光，它們可束入射光，它們可以產(chǎn)生干涉以產(chǎn)生干涉 。 e nnnA反射光反射光2反射光反射光1入射光入射光(單色平單色平行光垂直入射行光垂直入射)(設(shè)設(shè)n n )A: 1A: 1、2 2的光程差的光程差)(22ene 明紋：明紋：1,2,3,= ,)(kke 暗紋：暗紋：0,1,2,= ,2)1 2()(kke 同一厚度同一厚度e e對應(yīng)同一級條紋對應(yīng)同一級條紋等厚條紋等厚條紋光程差可簡化為圖示情況計算。光程差可簡化為圖示情況計算。實際應(yīng)用中實際應(yīng)用中,大都是平行光垂直入射到劈尖上。大都

15、是平行光垂直入射到劈尖上。考慮到劈尖夾角極小考慮到劈尖夾角極小, 反射光反射光1、 2在膜面的在膜面的 L eekek+1明紋明紋暗紋暗紋條紋間距條紋間距 eL 又又 en2 nL2 二二. . 牛頓環(huán)牛頓環(huán) .S分束鏡分束鏡M顯微鏡顯微鏡o erR平晶平晶平凸透鏡平凸透鏡 暗環(huán)暗環(huán) o 牛頓環(huán)裝置簡圖平凸透鏡平凸透鏡平晶平晶光程差：光程差：22 eeeRRr 2)(222R - - - Rre22 (1)(1)2)12(22 ke ( k = 0 , 1 , 2, )(2)第第k個暗環(huán)半徑個暗環(huán)半徑kkRrk 暗環(huán)：暗環(huán)：三三. . 等厚條紋的應(yīng)用等厚條紋的應(yīng)用1. 1. 劈尖的應(yīng)劈尖的應(yīng)用

16、用 nL2 測波長：已知測波長：已知、n n，測，測L L可得可得 測折射率：已知測折射率：已知、，測，測L L可得可得n n 測細小直徑、厚度、微小變化測細小直徑、厚度、微小變化h待測塊規(guī)待測塊規(guī)標準塊規(guī)標準塊規(guī)平晶平晶 測表面不平度測表面不平度等厚條紋等厚條紋待測工件待測工件平晶平晶2. 2. 牛頓環(huán)的應(yīng)用牛頓環(huán)的應(yīng)用 mRrrkmk - - 22 測透鏡球面的半徑測透鏡球面的半徑R R： 知知, , 測測 m m、rk+mrk+m、rkrk，可得，可得R R 。 測波長測波長： 已知已知R R，測出，測出m m 、 rk+mrk+m、rkrk， 可得可得。 檢驗透鏡球表面質(zhì)量檢驗透鏡球表

17、面質(zhì)量標準驗規(guī)標準驗規(guī)待測透鏡待測透鏡暗紋暗紋 8 8 薄膜干涉二）薄膜干涉二） 等傾條紋等傾條紋一一. . 點光源照明時的干涉條紋分析點光源照明時的干涉條紋分析L fPo r環(huán)環(huán)B ennn ni rA CD21Siii光束光束1 1、2 2的光程差：的光程差：2 )( - - ADnBCABnreBCABcos iACADsin iresintg2 2cossinsin 2cos2 - - rirenrnerninsinsin 得得2cos2 rne )(2sin 2222iinne - - 或或明紋明紋, 3 , 2 , 1 ,)( kki 暗紋暗紋 , 2 , 1 , 0,212 kk

18、i 傾角傾角i i相同的光線對應(yīng)同一條干涉條紋相同的光線對應(yīng)同一條干涉條紋 等傾條紋。等傾條紋。 外形外形: :條紋特點條紋特點: :一系列同心圓環(huán)一系列同心圓環(huán)r r環(huán)環(huán)= f tg i= f tg i 條紋間隔分布條紋間隔分布: :內(nèi)疏外密內(nèi)疏外密 條紋級次分布條紋級次分布: :e e一定時，一定時， krik 波長對條紋的影響波長對條紋的影響: : kriek , , 一一定定 kriek,一定一定 膜厚變化時膜厚變化時, ,條紋的移動：條紋的移動：二二. . 面光源照明時，干涉條紋的分析面光源照明時，干涉條紋的分析iPifor環(huán)ennn n面光源面光源只要入射角只要入射角i i相同，都將匯聚在同一個干涉相同，都將匯聚在同一個干涉環(huán)上非相干疊加）環(huán)上非相干疊加）三三. . 運用：增透運用：增透( (