《大學物理光的干涉》課件

1、大學物理光的干涉PPT課件大學物理光的干涉PPT課件二.光的機械波動說（19世紀初-后半世紀） 英國人托馬斯.楊(T.Young)和法國人菲涅爾(A.T.Fresnel)通過干涉、衍射、偏振等實驗證明了光的波動性及光的橫波性。性質(zhì)：彈性機械波，在機械以太中傳播。三.光的電磁說（19世紀的后半期-）19世紀后半期Maxwell建立電磁理論，提出了光的電磁性，1887年赫茲用實驗證實。性質(zhì)：電磁波在電磁以太中傳播四.光的量子說（20世紀初-） 電磁波動說在解釋“熱幅射實驗”及“光電效應”等實驗遇到困難。二.光的機械波動說（19世紀初-后半世紀） 英國人托馬 1900年普朗克提出了“熱幅射量子理論”

2、，愛因斯坦提出了光子理論，將光看成一束粒子流與電磁波動說相抗衡 二者各自統(tǒng)治著自已的領域。 1924年法國人德布羅意（De.Broglie)大膽提出了“物質(zhì)波”的概念，爾后薛定諤、海森伯等人創(chuàng)建了量子力學，又將二者統(tǒng)一起來。 光是一個復雜的客體，它的本性只能通過它的表現(xiàn)來確定。它的某些方面象波而另一方面象微粒（波粒二象性）。但它既不是經(jīng)典的波，也不是經(jīng)典的微粒，也不是二者的混合體?！吧街厮畯鸵蔁o路，柳暗花明又一村” 1900年普朗克提出了“熱幅射量子理論”，愛因斯坦提出了分類：1）幾何光學-研究光的直線傳播及光學儀器的 制造；2）波動光學-研究光的波動性；3）量子光學-研究光與物質(zhì)的相互作用。

3、 從20世紀50年代起，出現(xiàn)了“相干光學”、“纖維光學”、“全息光學與全息技術(shù)”.它是既年輕又古老的科學，也是現(xiàn)代技術(shù)的基礎光學的發(fā)展仍可用“方興未艾，前途無量”來形容 分類：1）幾何光學-研究光的直線傳播及光學儀器的2）波動光復習 波的干涉1. 相干條件 同頻率、同振動方向、相位差恒定2. 相長與相消干涉條件 加強 減弱 復習 波的干涉1. 相干條件 加強 減弱 第14章 光的干涉14.1 相干光及其獲得 14.2 光程 光程差14.3 分割波面法產(chǎn)生的光的干涉 14.4 分割振幅法產(chǎn)生的光的干涉 14.5 邁克爾遜干涉儀 * 14.6 干涉條紋的可見度 時間相干性與空間相干性 第14章 光

4、的干涉14.1 相干光及其獲得 * 14.6 干14.1 相干光及其獲得一.光矢量、光強度二.光源、熱光源的特點三.光波的疊加相干疊加與非相干疊加四.相干光：同頻率、同振動方向、相位差恒定 五.相干光的獲得 1)分波陣面法 2)分振幅法14.1 相干光及其獲得一.光矢量、光強度相干疊加與非相干疊14.2 光程 光程差 一.問題的提出二.光程三.干涉加強與干涉減弱的條件四.透鏡的等光程性 在光路中引入透鏡不產(chǎn)生附加的光程差14.2 光程 光程差 一.問題的提出四.透鏡的等光程性 14.3 分割波面法產(chǎn)生的光的干涉一.楊氏雙縫干涉 明暗紋位置二. 菲涅爾雙面鏡三. 洛埃鏡實驗干涉條紋的間距14.3

5、 分割波面法產(chǎn)生的光的干涉一.楊氏雙縫干涉二. 菲涅例1：雙縫干涉中，雙縫間距d=0.5mm，雙縫至屏的距離為 D=25cm，若光源是由波長 為400nm 和600nm 的兩種單色光組成，則：1.干涉條紋間距分別為多少？2.距中央明紋多遠處兩種光線的亮紋第一次重合，各為第幾級？ 解：1.2. 第一次 重合例1：雙縫干涉中，雙縫間距d=0.5mm，雙縫至屏的距離為 例2：雙縫干涉中，入射光波長為，雙縫至屏的距離為D，在一縫后放一厚為b的透明薄膜，此時中央明紋處仍為明紋，求該明紋的干涉級解：S1S2dDXOPnbO例2：雙縫干涉中，入射光波長為，雙縫至屏的距離為D，在一縫例3：在楊氏雙縫實驗中，當

6、作如下調(diào)節(jié)時，觀察屏上的干涉條紋將如何變化并說明理由 1). 2a 不變，D 減小； 2).單色光源S 變成復色縫光源 ； 3).用一云母片蓋住任一個縫 ； 4).整個雙縫實驗裝置放入水中 例3：在楊氏雙縫實驗中，當作如下調(diào)節(jié)時，觀察屏上的干涉條紋將復習： 14-1，2，3預習： 14-4作業(yè)： 練習十二 復習： 14-1，2，3預習： 14-例3：在楊氏雙縫實驗中，當作如下調(diào)節(jié)時，觀察屏上的干涉條紋將如何變化并說明理由 1).2a 不變，D 減小； 2).單色光源S 變成復色縫光源 ； 3).用一云母片蓋住任一個縫； 4).整個雙縫實驗裝置放入水中 例3：在楊氏雙縫實驗中，當作如下調(diào)節(jié)時，觀

7、察屏上的干涉條紋將第14章 光的干涉14.1 相干光及其獲得 14.2 光程 光程差14.3 分割波面法產(chǎn)生的光的干涉 14.4 分割振幅法產(chǎn)生的光的干涉 14.5 邁克爾遜干涉儀 * 14.6 干涉條紋的可見度 時間相干性與空間相干性 第14章 光的干涉14.1 相干光及其獲得 * 14.6 干14.1 相干光及其獲得一.光矢量、光強度二.光源、熱光源的特點三.光波的疊加相干疊加與非相干疊加四.相干光：同頻率、同振動方向、相位差恒定 五.相干光的獲得 1)分波陣面法 2)分振幅法14.1 相干光及其獲得一.光矢量、光強度相干疊加與非相干疊14.2 光程 光程差 一.問題的提出二.光程三.干涉

8、加強與干涉減弱的條件四.透鏡的等光程性 在光路中引入透鏡不產(chǎn)生附加的光程差14.2 光程 光程差 一.問題的提出四.透鏡的等光程性 14.3 分割波面法產(chǎn)生的光的干涉一.楊氏雙縫干涉二.菲涅爾雙面鏡三.洛埃鏡實驗明暗紋位置干涉條紋的間距14.3 分割波面法產(chǎn)生的光的干涉一.楊氏雙縫干涉二.菲涅爾14-4 分割振幅法產(chǎn)生的光的干涉薄膜干涉PLDC34E5A1B214-4 分割振幅法產(chǎn)生的光的干涉薄膜干涉PLDC34E514-4 分割振幅法產(chǎn)生的光的干涉一. 薄膜干涉（最典型）討論：1.i 恒定，則等傾干涉等厚干涉2.e 恒定，則問題：k 能取0 嗎？14-4 分割振幅法產(chǎn)生的光的干涉一. 薄膜干

9、涉（最典型）14-4 分割振幅法產(chǎn)生的光的干涉一. 薄膜干涉（最典型）二. 等厚干涉1.劈尖干涉14-4 分割振幅法產(chǎn)生的光的干涉一. 薄膜干涉（最典型）設每一干涉條紋對應的薄膜厚度分別為：=明紋暗紋(1)1.劈尖干涉設每一干涉條紋對應的薄膜厚度分別為：=明紋暗紋(1)1如條紋間距離為由明紋公式：(2)(4)(3)(5)(4)式-(3)式:代入（2）：如條紋間距離為由明紋公式：(2)(4)(3)(5)A）劈尖的等厚干涉條紋是等間距的結(jié)論：B）劈尖的棱角 越小，條紋間距越寬C）光波波長越長，條紋間距越大劈尖干涉的應用：A）劈尖的等厚干涉條紋是等間距的結(jié)論：B）劈尖的棱角 越小被檢體被檢體被檢體被

10、檢體1)檢查平面與直角：被檢體被檢體被檢體被檢體1)檢查平面與直角：被檢體被檢體標準角規(guī)標準角規(guī)2）測量微小厚度和微小厚度變化1)檢查平面與直角：被檢體被檢體標標2）測量微小厚度和微小厚度變化1)檢查平面與dL用測微顯微鏡測出L、l，即可得到d紙n2=12）測量微小厚度和微小厚度變化dL用測微顯微鏡測出L、l，即可得到d紙n2=12）測量微小 薄膜厚度增加時，條紋下移，厚度減小時條紋上移。 薄膜的 增加時，條紋下移， 減小時條紋上移。顯然，從視場中移動了m個條紋，薄膜厚度改變了：2）測量微小厚度和微小厚度變化 薄膜厚度增加時，條紋下移，厚度減小時 薄膜14-4 分割振幅法產(chǎn)生的光的干涉一. 薄

11、膜干涉（最典型）二. 等厚干涉1.劈尖干涉條紋為平行于棱邊明暗相間等間隔的直條紋，棱邊處(e=0)為暗紋14-4 分割振幅法產(chǎn)生的光的干涉一. 薄膜干涉（最典型）2.增透與增反 問題：組合透鏡中，反射光能損失20左右解決辦法：在透鏡表面鍍膜 增反：增透(減反)：可由此波長推出要鍍膜的厚度？思考：計算光程差時，什么情況下要加上2.增透與增反 問題：組合透鏡中，反射光能損失20左右增反3.牛頓環(huán)A-曲率半徑很大的凸透鏡1)裝置：B-平面光學玻璃AB干涉圖樣：半反射鏡顯微鏡r隨著r的增加而變密！3.牛頓環(huán)A-曲率半徑很大的凸透鏡1)裝置：B-平面光學RORO2)定量分析垂直入射時的干涉條件明紋(1)

12、暗紋(2)n=1中，n2 = 1RORO2)定量分析垂直入射時的干涉條件明紋(1)暗紋OROn=1明紋(1)暗紋(2)明環(huán)暗環(huán)代入（1）、（2）式：OROn=1明紋(1)暗紋(2)明環(huán)暗環(huán)代入（1）、（3)討論： r = 0 的地方，是零級暗紋； 條紋不是等間距的，越外越小 明環(huán)暗環(huán)3)討論： r = 0 的地方，是零級暗紋； 條紋不是等白光入射時將出現(xiàn)由紫到紅的彩色條紋明環(huán)暗環(huán)3)討論： r = 0 的地方，是零級暗紋； 條紋不是等間距的，越外越小 中間填充介質(zhì)，仍有一條光線有半波損失 白光入射時將出現(xiàn)明環(huán)暗環(huán)3)討論： r = 0 的地方，4)應用：1）測量光波長；2）檢查平面玻璃是否平坦

13、， 凹透鏡的曲率是否付合要求4)應用：1）測量光波長；2）檢查平面玻璃是否平坦，被檢體被檢體被檢體被檢體標準透鏡被檢體被檢體被檢體被檢體標準透鏡例1.牛頓環(huán)的R4.5m，第k級暗環(huán)半徑第k+5級暗環(huán)半徑求：入射光波長及條紋級數(shù) k = ?例1.牛頓環(huán)的R4.5m，第k級暗環(huán)半徑第k+5級暗環(huán)半徑例2.將平面玻璃片覆在平凹柱面透鏡的凹面上 1)若單色平行光垂直照射，從反射光中觀察現(xiàn)象，試說明干涉條紋的形狀及其分布情況； 2)當照射光波長 時，平凹透鏡中央 A處是暗的，然后連續(xù)改變照射光波波長直到波長變?yōu)?時，A處又重新變暗，求A處平面玻璃片和柱面之間空氣隙的高度 例2.將平面玻璃片覆在平凹柱面透

14、鏡的凹面上 1)若單色平行光復習： 14-4預習： 14-5，*6作業(yè)： 練習十三 復習： 14-4預習： 14-5，*6第14章 光的干涉14.1 相干光及其獲得 14.2 光程 光程差14.3 分割波面法產(chǎn)生的光的干涉 14.4 分割振幅法產(chǎn)生的光的干涉 14.5 邁克爾遜干涉儀 * 14.6 干涉條紋的可見度 時間相干性與空間相干性 第14章 光的干涉14.1 相干光及其獲得 * 14.6 干相干光的獲得1.分波陣面法 楊氏雙縫干涉2.分振幅法反射，n2 最大或最小時 i 恒定，等厚干涉等傾干涉e 恒定，相干光的獲得1.分波陣面法反射，n2 最大i 恒定，等厚干涉等厚干涉1.劈尖干涉條紋

15、為平行于棱邊明暗相間等間隔的直條紋，棱邊處(e=0)為暗紋2.增透與增反 增反：增透(減反)：等厚干涉1.劈尖干涉條紋為平行于棱邊明暗相間等間隔的直條紋，3.牛頓環(huán)明環(huán)暗環(huán)白光入射時將出現(xiàn)由紫到紅的彩色條紋 r = 0 的地方，是零級暗紋； 條紋不是等間距的，越外越小 中間填充介質(zhì)，仍有一條光線有半波損失 3.牛頓環(huán)明環(huán)暗環(huán)白光入射時將出現(xiàn) r = 0 的地方，4)應用：1）測量光波長；2）檢查平面玻璃是否平坦， 凹透鏡的曲率是否付合要求4)應用：1）測量光波長；2）檢查平面玻璃是否平坦，被檢體被檢體被檢體被檢體標準透鏡被檢體被檢體被檢體被檢體標準透鏡例1.牛頓環(huán)的R4.5m，第k 級暗環(huán)半徑

16、第k+5 級暗環(huán)半徑求：入射光波長及條紋級數(shù) k = ?例1.牛頓環(huán)的R4.5m，第k 級暗環(huán)半徑第k+5 級暗環(huán)例2.將平面玻璃片覆在平凹柱面透鏡的凹面上 1)若單色平行光垂直照射，從反射光中觀察現(xiàn)象，試說明干涉條紋的形狀及其分布情況； 2)當照射光波長 時，平凹透鏡中央 A處是暗的，然后連續(xù)改變照射光波波長直到波長變?yōu)?時，A處又重新變暗，求A處平面玻璃片和柱面之間空氣隙的高度 例2.將平面玻璃片覆在平凹柱面透鏡的凹面上 1)若單色平行光例3. 在一潔凈的玻璃片上放一滴油，當油滴展開成油膜時，在=600nm的單色光垂直照射下，從反射光中觀察到油膜所形成的干涉條紋，若n油=1.2, n玻=1

17、.5, 求：1)當油膜中的最高點與玻璃上表面相距H=1200nm時，試描述所觀察到的條紋特征 2)油膜擴展時，條紋如何變化？例3. 在一潔凈的玻璃片上放一滴油，當油滴展開成油膜時，在14-5 邁克爾遜干涉儀 一.構(gòu)造及光路圖S透鏡半涂銀鏡補償透鏡反射鏡眼或望遠鏡M1M2G1G2LEM1光源14-5 邁克爾遜干涉儀 一.構(gòu)造及光路圖S透鏡半涂銀鏡補償二.干涉原理ESM1M2G1G2L當M2移動半個波長時光程差改變一個波長 視場中將看到一條條紋移過當視場中看到N條條紋移過時，M2平移的距離為：二.干涉原理ESM1M2G1G2L當M2移動半個波長時光程差三.應用 測量微小長度的變化 測量光波波長 測

18、折射率 n另外，根據(jù)邁克爾遜干涉儀原理發(fā)展出了多種適合不同要求的光學干涉儀。如：顯微干涉儀(測定表面光潔度)法布里-珀羅干涉儀(測定光譜線波長)氣體檢測干涉儀測礦井瓦斯或潛水艇中CO2含量還有泰曼干涉儀、馬赫-曾德爾干涉儀等 三.應用 測量微小長度的變化 測量光波波長 測折射率 歷史上邁克爾遜曾用此干涉儀測定紅隔線的波長：150C.1atm的干燥空氣中1927年國際會議規(guī)定：1983年國際17屆計量會議規(guī)定：1960年國際會議規(guī)定：光速歷史上邁克爾遜曾用此干150C.1atm的干燥空氣中1927例：邁克爾遜干涉儀兩臂中分別加入20cm長的玻璃管，一個抽成真空，一個充以一個大氣壓的氬氣，今以汞光

19、線（=546nm）入射干涉儀，如將氬氣抽出，發(fā)現(xiàn)干涉儀中條紋移動了205條，求氬氣的折射率。ESM1M2G1G2L解：例：邁克爾遜干涉儀兩臂中分別加入20cm長的ESM1M2G1復習： 第十四章預習： 15-1，2作業(yè)： 練習十四 復習： 第十四章預習： 15-1，2*14-6 時間相干性和空間相干性 (Temporal Coherence and Spatial Coherence )一.干涉條紋的可見度 S1S2dDXO1.單色光入射時，只能在中央條紋附近看到 有限的為數(shù)不多的 幾條干涉條紋2）單縫或雙縫寬度增大時，干涉條紋變得模糊起來 S1S2dDXO為什么？*14-6 時間相干性和空間

20、相干性 (Temporal C2. 可見度：1）光的干涉除滿足同頻率、同振動方向、 相位差恒定以外，還要滿足：光程差： L (相干長度)光源線度：2）光的時間相干性是考慮光波縱向傳播的 相干性問題；光的空間相干性是考慮光的 橫向傳播的相干性問題。時間相干性空間相干性2. 可見度：1）光的干涉除滿足同頻率、同振動方向、光程差：二. 時間相干性XOS1S2dD 指由原子一次發(fā)光所持續(xù)的時間來確定的光的相干性問題-原子發(fā)光時間越長，觀察到清楚的干涉條紋就越多，時間相干性就越好。1)兩波列的光程差為零可產(chǎn)生相干疊加二. 時間相干性XOS1S2dD 指由原子一次發(fā)光所持續(xù)的時XOS1S2dD2)兩波列的

21、光程差較小，小于波列長度能參與產(chǎn)生相干疊加的波列長度減小干涉條紋變模糊了！P若是明紋，則明紋不亮；若是暗紋；暗紋不暗原因：XOS1S2dD2)兩波列的光程差較小，小于波列長度能參與產(chǎn)XOS1S2dD3)兩波列的光程差較大，大于波列長度波列不能在P點疊加產(chǎn)生干涉。干涉條紋消失了！原因：P此乃高干涉級條紋看不清或消失的原因之一結(jié)論：產(chǎn)生光的干涉還須加一附加條件：XOS1S2dD3)兩波列的光程差較大，大于波列長度波列不能4）相干時間與譜線寬度有如下關(guān)系：I0/2I0譜線寬度 可見，光的單色性越好，光的相干長度就越長，光的時間相干性也就越好譜線中心波長4）相干時間與譜線寬度有如下關(guān)系：I0/2I0譜線寬度 可幾種物質(zhì)的波長、線寬及波列長度發(fā)光物質(zhì)58935889。965895。93 0.13.410-25460.73 0.1310-2激光6328 1010-7 401036057 0.0047 1.0幾種物質(zhì)的波長、線寬及波列長度發(fā)光物質(zhì)58935889。96三.空間相干性S1S2dDXOIb光源總是有一定的線度的，當光源線度不大時：從S和S發(fā)出的光產(chǎn)生的干涉條紋疊加后，仍能分辯清楚明暗條紋。SS三.空間相干性S1S2dDX