大學物理光的干涉課件

1、 17 光的干涉水膜在白光下白光下的肥皂膜1第1頁，共45頁。蟬翅在陽光下蜻蜓翅膀在陽光下白光下的油膜肥皂泡玩過嗎?2第2頁，共45頁。等傾條紋牛頓環(huán)(等厚條紋)測油膜厚度平晶間空氣隙干涉條紋3第3頁，共45頁。光的電磁理論光矢量： 可見光：波長：頻率：光強光是一定波段的電磁波17-1 相干光17.1.1 光的特性與產(chǎn)生機制4第4頁，共45頁。17.1.2 光的單色性圖 譜線及其寬度譜線寬度光波的描述理想的單色光場波函數(shù)單色光準單色光光譜曲線 （譜線）波長強度5第5頁，共45頁。光波疊加原理遵從波的獨立傳播原理, 多列波交疊區(qū)有:條件: 介質(zhì)是線性的, 光波服從疊加原理光的干涉6第6頁，共45

2、頁。P相干波頻率相同振動方向相同有恒定相位差相位差合振幅光的強度或明暗在空間非均勻的穩(wěn)定分布- 光的干涉7第7頁，共45頁。17.1.3 光程 光程差光程:- 光所經(jīng)過的介質(zhì)的折射率 ni 與相應的幾何路程 si 乘積.光速幾何距離光程差:相位差:8第8頁，共45頁。加強減弱 ( k = 0 1 2) 加強和減弱的條件:相位:加強減弱 ( k = 0 1 2) 光程差:9第9頁，共45頁。從普通光源獲得相干光方法:分波前法分振幅法分振動面法17.2.1 獲得相干光方法普通光源的發(fā)光特點:1) 一個原子每一次發(fā)光只能發(fā)出一個波列2) 原子的發(fā)光是斷續(xù)的3) 各原子的各次發(fā)光是完全相互獨立的 兩個

3、普通光源或同一普通光源的不同部分所發(fā)出的光是不相干的17-2 楊氏雙縫干涉10第10頁，共45頁。楊(T.Young)在1801年首先發(fā)現(xiàn)光的干涉現(xiàn)象，并首次測量了光波的波長。11第11頁，共45頁。17.2.2 楊氏雙縫干涉 實驗裝置分波陣面干涉12第12頁，共45頁。 楊氏干涉條紋P點光強S1 和 S2 振動方向相同, 相位相同頻率相同13第13頁，共45頁。光強極大極小交替出現(xiàn), 形成明暗相間、等亮度、等間距的條紋.明紋中心:暗紋中心:條紋間距(亮亮或暗暗)14第14頁，共45頁。討論:光強極大極小交替出現(xiàn), 形成明暗相間、等亮度、等間距的條紋.明紋中心:暗紋中心:條紋間距(亮亮或暗暗)

4、15第15頁，共45頁。白光入射的楊氏雙縫干涉照片紅光入射的楊氏雙縫干涉照片您能判斷0級條紋在哪嗎？16第16頁，共45頁。菲涅耳雙棱鏡、雙面鏡和勞埃德鏡圖 菲涅耳雙面鏡圖 勞埃德鏡圖 菲涅耳雙棱鏡暗紋為什么？半波損失！17第17頁，共45頁。例 用波長為 的光進行雙縫試驗，雙縫到屏的距離雙縫間距為 ，測得中央亮條紋兩側兩條第10級明條紋中心的距離為 。（1）求波長（2）用一厚度 ，折射率n=1.58的云母片覆蓋上面的一條縫后，零級條紋將向何方移動？移到原來第幾條明紋處？（3）若將原裝置放入液體中，觀察到空氣中的第三級明紋正好是液體中的第四級明紋，求液體的折射率。解 （1）兩條第10級明紋中心

5、相距20個條紋寬度，所以 得 1s2s1r2rpoe1s2s1r2rpoe18第18頁，共45頁。（2）如圖所示，當上縫被云母片覆蓋時，光程差為零的零級條紋應向上移動，設移至原來的第k級明紋處。覆蓋云母片后零級明紋條件為未蓋云母片前，第k級明紋處， 代入上式得（3）液體中波長 ， 依題意 得 19第19頁，共45頁。例：波長為的平面單色光以角斜入射到縫間距為d的雙縫上，若雙縫到屏的距離為D（d）,如圖示，試求：（1） 各級明紋的位置；（2）條紋的間距；（3）若使零級明紋移至屏幕O點處，則應在縫S2處放置一厚度為多少的折射率n的透明介質(zhì)薄片。S1S2PODAB解：(1)P點處的光程差為：K級明紋

6、條件：20第20頁，共45頁。(2)明紋之間的距離為：（3）設在縫S2處放了厚度為t，折射率為n的透明介質(zhì)薄片后， 則在點o處兩光線的光程差為；若使零級條紋回到屏幕中心的O點，則有sin=0,=0,故有（ n-1)t-dsin=0因而折射率為n的透明介質(zhì)薄片的厚度為S1S2POD21第21頁，共45頁。1. 干涉條紋可見度(襯度)定義:*17.2.3 光源大小對干涉條紋的影響（光場的空間相干性）22第22頁，共45頁。2.光源寬度對干涉條紋影響 - 光場的空間相干性23第23頁，共45頁。 帶光源雙縫干涉的強度分布曲線24第24頁，共45頁。 設光源上邊緣處線光源 L產(chǎn)生的中央條紋 0L與下邊

7、緣出現(xiàn)光源 N 產(chǎn)生的第一級亮紋 1N 重合?？臻g相干性： 具有一定寬度的普通光源發(fā)出的光波，要使其波面上的兩點（ S1 和 S2）作為次波源能發(fā)生干涉現(xiàn)象，這兩點之間的距離必須小于某一值。25第25頁，共45頁。相干間隔 d0 ：干涉條紋剛好消失時，S1 和 S2 之間的距離最大張角 s ：S1 和 S2 對光源 S 的中心所張的角26第26頁，共45頁。準單色光： 中心波長為 譜線寬度為干涉條紋消失的位置： 波長為 +/2 成分的第 k 級明紋與波長為 -/2 成分的第 （k+1）級明紋重合的位置。相干長度*17.2.4 非單色性對干涉條紋的影響 （光場的時間相干性）27第27頁，共45頁

8、。白光與同數(shù)量級He-Ne激光長單色性好相干長度波列長度 L相干時間 時間相干性： 光源在同一時刻發(fā)的光分為兩束后又先后到達某一觀察點，只有這先后到達的時差小于某一值時才能在觀察點產(chǎn)生干涉。28第28頁，共45頁。亮點薄透鏡，近軸光線：透鏡不產(chǎn)生附加光程差一般在透鏡前找光程差fSS1S20Pxd亮暗亮暗條紋間距透鏡不引起附加的光程差29第29頁，共45頁。 分振幅干涉 定域干涉 點光源非定域干涉17.3 等傾干涉30第30頁，共45頁。n2 n1兩相干光的光程差亮紋暗紋當 e、n2、n1 確定，則相同入射角的入射光線有相同光程差。它們在透鏡焦平面上構成同一級條紋，稱等傾干涉。由31第31頁，共

9、45頁。 等傾干涉條紋32第32頁，共45頁。應用：增透膜與增反膜利用薄膜干涉適當選擇薄膜的折射率和厚度，用干涉方法抑制某一波長的反射光，相應加強透射光。增透膜n1=1.00n2=1.38n3=1.50MgF2對一定波長和介質(zhì)，控制鍍膜厚度，抑制反射光。利用薄膜干涉適當選擇薄膜的折射率和厚度，用干涉方法抑制某一波長的透射光，相應加強反射光。增反膜明暗33第33頁，共45頁。解：根據(jù)反射膜原理所以取所以，在可見光范圍內(nèi)波長為的藍色光將增強34第34頁，共45頁。例：一油滴(n=1.20)浮在水(n=1.33)面上,用白光垂直照射，如圖 所示。試求：（1）油滴外圍最薄的區(qū)域?qū)c亮區(qū)還是暗 區(qū)？（

10、2）從油滴邊緣數(shù)起第3個藍色區(qū)域的油層約有多厚？ （3）為什么隨著油層變厚而彩色逐漸消失。油水解：（1）因為在兩個分界面上反射光都有半波損失因此干涉極大的條件為 2nd=k, k=0,1,2,.干涉極小的條件為： 2nd=(k+1/2), k=0,1,2,.最薄處d=0,因此對應的區(qū)域為亮區(qū)。（2）藍色的波長為480nm第3個 藍區(qū)對應的油層厚度為(3)因為油膜厚到一定程度后，其上下表面反射光的光程差接近 ，或大于光的相干長度，因而干涉條紋消失，彩色消失。 35第35頁，共45頁。例：一油船失事，把大量石油 （n=1.2)泄漏在海面上，形成了 一個很大的油膜。試求：（1）如果你從飛機上豎直地向

11、 下看油膜厚度為460nm的區(qū)域，哪些波長的可見光反射最 強？（2）如果你戴了水下呼吸器從水下豎直的向上看這 油膜同一區(qū)域，哪些波長的可見光透射最強？（水的折 射率為1.33）解：因為在油膜上下表面反射光都有半波損失，=2nd解：（1）反射光干涉加強：2nd=k當k=2時,=552nm為可見光反射最強。（2）反射光干涉相消時，透射光加強：2nd=（k+1/2）當k=1時,=736nm；k=2時， =442nm為可見光透射最強。36第36頁，共45頁。一 劈尖亮紋暗紋討論：1）2）3）e 相同的條紋在同一級上，稱為等厚干涉e=0 的棱邊處，是暗紋，這是半波損失一例證。任意相鄰明（暗）紋間距為 L

12、劈尖干涉17-4 等厚干涉37第37頁，共45頁。例：欲測一工件表面的平整度，將一平晶（非常平的標準玻璃）放 在待測工件上，使其間形成空氣劈尖，如圖（a）示，現(xiàn)用波長 的光垂直照射時，測得如圖（b）示的干涉條紋。問（1）不平處是凸的還是凹的？ （2）如果相鄰條紋間距 b ，條紋的最大彎曲處與該條紋的 距離 a ， 則不平處的高度或深度是多少？ 解： 等厚干涉中，每一條紋所在位置的 空氣膜具有同一厚度。 條紋向右彎，則工件表面紋路是凸的。 相鄰兩亮（或暗）條紋對應的空氣隙厚 度差ek 為/2，babaH38第38頁，共45頁。二 牛頓環(huán)1) 干涉圖樣：內(nèi)疏外密中心為暗點的圓環(huán)。2）明紋、暗紋條件

13、：亮紋暗紋牛頓環(huán)39第39頁，共45頁。3）明（暗）環(huán)的半徑：明環(huán)半徑暗環(huán)半徑40第40頁，共45頁。例3：如圖所示，牛頓環(huán)裝置的平凸透鏡與平板玻璃有一縫隙e， 現(xiàn)用波長為的單色光垂直照射，已知平凸透鏡的曲率半 徑為R，求反射光形成的牛頓環(huán)的各暗環(huán)半徑。eRre1解：41第41頁，共45頁。例：一個折射率為n1=1.5的平凸透鏡，其球面半徑為R1放在折 射率為n2= n1，n3= 1.75的兩種矩形平板玻璃上，如圖所示。 設用波長為的單色光正入射。試求：（1）在透鏡和平板 玻璃間為空氣時，第k級牛頓環(huán)的半徑；（2)在透鏡和平板 玻璃間 充滿n=1.6的透明液體時，牛頓環(huán)如何？解（1）如圖所示。設第k級牛頓環(huán)的半徑為rk,則該處空氣膜厚度該處光程差為對亮條紋有條紋是以接觸點為中心的同心圓環(huán)，