大物-下物理課件4光干涉

第十四章波動光學(xué)發(fā)展史粒子說：17世紀(jì)～19世紀(jì)波動說：19世紀(jì)～20世紀(jì)主要內(nèi)容：光的干涉現(xiàn)象與性質(zhì)光的衍射現(xiàn)象與性質(zhì)光的偏振現(xiàn)象與性質(zhì)波粒二象性：20世紀(jì)初以來波動性質(zhì)14.1光的相干性一、光矢量（lightvector)（自然界干涉現(xiàn)象）產(chǎn)生感光和生理作用主要是電矢量可見光：400～760nm光是電磁波，電場強(qiáng)度矢量稱為光矢量。二、光的相干性滿足條件若干束光波的相遇區(qū)域里，有些點(diǎn)振動始終加強(qiáng)（亮條紋），有些點(diǎn)振動始終減弱（暗條紋），稱為干涉現(xiàn)象。光源：普通光源，自發(fā)輻射，非相干光激光光源，受激輻射，相干光相干條件頻率相同振動方向相同相遇點(diǎn)相位相同或相位差恒定三、獲得相干光(coherentlight)的方法分波面法:SS1S2楊氏雙縫費(fèi)涅爾雙鏡勞埃鏡分振幅法:aaa'a"補(bǔ)充條件薄膜劈尖牛頓環(huán)振幅相差不能太大；光程差不能太大。14.2雙縫干涉(double-slitinterference)一、楊氏雙縫干涉Daxr2r1oS1S2PSIx01.實(shí)驗(yàn)裝置2.干涉加強(qiáng)、減弱條件r2DPaxr1o++=2222)2(axDr-+=2221)2(axDr波程差由極值條件：（明紋）（暗紋）得到3.條紋特征相鄰條紋等間距(2)用白色光源時(shí)，中央條紋為白色，其它各級形成彩色條紋分布。(1)明暗條紋對稱分布在中央明紋兩側(cè)。Δxr2DPaxr1o二、洛埃鏡實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)意義驗(yàn)證了半波損失的存在。S2MLS114.3光程薄膜干涉一、光程與光程差1.光程(opticalpath)

光程是指光在同樣時(shí)間里，在真空中通過的幾何路程。

光程等于光在媒質(zhì)中通過的幾何路程與媒質(zhì)折射率的乘積。注意：2.光程差(opticalpathdifference)兩束光的光程之差，稱為光程差。Lrnn2=n1=

n

時(shí)，2o光通過薄透鏡時(shí)不產(chǎn)

生附加的光程差。d=

n2r2-n1r11o

光程差與位相差關(guān)系是Sacb··SFacb·ABCFacb·ABCF二、薄膜干涉（filminterference)肥皂膜干涉白光入射單色光入射由折射定律

n1sin

i=n2sinr考察光源發(fā)出任一光線1.均勻薄膜干涉（n2>n1）

i

erABCn1n2n1PSLD干涉極值條件是：10對厚度均勻的薄膜，e一定,同一條干涉條紋上各點(diǎn)對應(yīng)入射線的入射角相同，稱為等傾干涉(equalinclinationfringes)。垂直入射時(shí)：（i=0）觀察等傾條紋的實(shí)驗(yàn)裝置和光路inMLS

f屏幕條紋變化式中]2[l依情況而定20半波損失視折射率分布而定考慮半波損失不考慮半波損失當(dāng)當(dāng)e2n3ni1n30透射光干涉（n2>n1）

i

erABCn1n2n1DEF34如果

i=0，則40增透（射）膜和增反射膜增透膜:由透射光加強(qiáng)條件注意：也可以利用反射減弱條件照相機(jī)鏡頭是藍(lán)紫色由反射光加強(qiáng)條件增反膜:注意：也可以利用透射減弱條件2.非均勻薄膜干涉(1)劈尖（wedgefilm）夾角很小兩個(gè)平面所構(gòu)成的薄膜叫劈尖。en

Ann(設(shè)n>

n

)反射光2反射光1S*單色平行光·12

1、2兩束反射光例如在膜面上(A點(diǎn)）來自同一束入射光，它們可以產(chǎn)生干涉。干涉形成：可行成明暗條紋。對垂直入射，光程差為：反射光1單色平行光垂直入射ennn·A反射光2(設(shè)n>

n

)明紋暗紋對空氣劈尖，n2=1labn1n2＝1n110對一定入射角光線,同一條干涉條紋上各點(diǎn)對應(yīng)入射線的厚度相同，稱為等厚干涉(equalthicknessfringes)。形成平行于棱邊的明暗相間干涉條紋.20

相鄰兩條紋間隔對應(yīng)的薄膜厚度差De

=

ek+1-

ek空氣劈尖

n=1leekek+1明紋暗紋nD(2)牛頓環(huán)(Newtonring)

將平凸鏡與一塊平板玻璃疊放在一起，用單色平行光垂直照射，由平凸鏡下表面和平板玻璃上表面兩束反射光干涉，產(chǎn)生牛頓環(huán)干涉條紋。平凸透鏡平晶光程差：如圖所示考慮到得到利用極值條件得到條紋半徑：暗紋明紋∴條紋間距，內(nèi)圈的條紋級次低。思考▲平凸透鏡向上移,條紋▲白光入射條紋情況如何？

牛頓環(huán)裝置簡圖平晶S分束鏡M顯微鏡0平凸透鏡.怎樣移動?▲透射光條紋情況如何？白光條紋條紋變化三.薄膜條紋的應(yīng)用1.劈尖的應(yīng)用▲測波長：已知θ、n，測l可得

▲測折射率：已知θ、，測l可得n

▲測細(xì)小直徑、h待測塊規(guī)λ標(biāo)準(zhǔn)塊規(guī)平晶

▲測表面不平度等厚條紋待測工件平晶待測樣品石英環(huán)λ平晶干涉膨脹儀依據(jù)公式厚度、微小變化：2.牛頓環(huán)的應(yīng)用▲測透鏡球面的半徑R

▲

測波長

▲

檢驗(yàn)透鏡球表面質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)規(guī)待測透鏡暗紋已知,測

m、rk+m、rk，可得R。已知R，測出m、rk+m、rk，

可得。

依據(jù)公式若條紋如圖，說明待測透鏡球表面不規(guī)則，且半徑有誤差。一圈條紋對應(yīng)的球面半徑誤差。暗紋標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)規(guī)待測透鏡暗紋標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)規(guī)待測透鏡如何區(qū)分如下兩種情況?思考14.4邁克爾遜干涉儀（Michelsoninterferometer）邁克爾遜在工作

邁克爾遜（A.A.Michelson）因創(chuàng)造精密光學(xué)儀器，用以進(jìn)行光譜學(xué)和度量學(xué)的研究，并精確測出光速，獲1907年諾貝爾物理獎。美籍德國人一、儀器結(jié)構(gòu)、光路補(bǔ)償板補(bǔ)償兩臂的附加光程差M12211半透半反膜補(bǔ)償板反射鏡反射鏡光源觀測裝置薄膜SM2M1G1G2E儀器結(jié)構(gòu)二、工作原理光束2′和1′發(fā)生干涉原理演示十字叉絲等厚條紋注意：若M1平移d時(shí)等厚干涉條紋移過N條；等傾干涉條紋中心吞（吐）N個(gè)條紋。等傾條紋

若M1、M2平行等傾條紋

若M1、M2有小夾角等厚條紋M12211半透半反膜補(bǔ)償板反射鏡反射鏡光源觀測裝置薄膜SM2M1G1G2E例1.[1]若測得同側(cè)第[2]若入射光波長是6×10-7m,相鄰兩明紋的間距。在楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，雙縫間距是屏幕到雙縫的垂直距離是一級明紋到第四級明紋距離是7.5mm,求光波長解:[1]由[2]當(dāng)λ＝6×10-7m時(shí)，相鄰明紋間隔是例2.楊氏裝置中，光波長是6.4×10-7m，兩縫間隔a=0.4mm,距離D=50cm,求：[1]兩個(gè)第三級明紋的距離；[2]若屛上P點(diǎn)距離中心是0.1mm,則從雙縫發(fā)出的兩束光在P點(diǎn)的位相差是多少？解：[1][2]例3.覆蓋其中的一條狹縫，屏幕上的第七級明條紋恰好移到第二級明條紋的位置。如果入射光的波長為，則這云母片的厚度應(yīng)為多少？Δx在雙縫裝置中，用一很薄的云母片（n=1.58）解：未加介質(zhì)片時(shí)加介質(zhì)片后例4.白色平行光垂直入射到相距為0.25mm的雙縫上，距縫50cm處放置屏幕。試分別求出第一級和第五級明紋彩色帶的寬度。（設(shè)白光的波長范圍是4000?~7600?)解:由干涉條紋位置公式k=1時(shí)：k=5時(shí)：例5.一薄玻璃片,其厚度為

,折射率為1.5

置于空氣中。用白光垂直照射，問在可見光的范圍內(nèi)，哪些波長的光在反射中加強(qiáng)，哪些波長的光在透射中加強(qiáng)？欲反射加強(qiáng),則有:在可見光范圍內(nèi)取：解：欲透射加強(qiáng),則有:在可見光范圍內(nèi)?。豪?.在折射率為的照相機(jī)鏡頭表面鍍有一層折射率為的增透膜，如果此膜適用于波長的光，問膜的最小厚度應(yīng)是多少？解：對該波長滿足相消條件對最薄情況，?。豪?.一單色光垂直照射在厚度均勻的薄油膜上，油膜覆蓋在玻璃板上，油的折射率為1.3,玻璃的折射率為1.5，若單色光的波長可由光源連續(xù)可調(diào),并觀察到5000?與7000?這兩個(gè)波長的單色光在反射中消失,求油膜的厚度。解：根據(jù)反射相消條件：例9.一劈尖,折射率,尖角

[1]此單色光在空氣中的波長；[2]劈尖長3.5cm，可出現(xiàn)多少條明紋。試求：在某一單色光的垂直照射下，可測得兩相鄰明條紋之間的距離為。解：[1][2]明紋總數(shù)是注：棱邊為暗紋，L被l整除，暗紋15條，明紋14條例10.用波長為的單色光垂直照射油膜。[2]油膜繼續(xù)展開過程中干涉條紋怎樣變化？中央點(diǎn)明暗如何？干涉條紋怎樣分布？[1]若油膜中心最厚是，膜上共有幾條明紋？解：[1]根據(jù)半波損失判斷：外邊為暗紋[2]油膜繼續(xù)展開的過程中干射條紋半徑擴(kuò)大，個(gè)數(shù)減少，變稀，中心處明暗交替改變。例9用波長為500nm的單色光垂直照射到由兩塊光學(xué)平玻璃構(gòu)成的空氣劈尖上。在觀察反射光的干涉現(xiàn)象中，距劈尖棱邊l=1.56cm的A處是從棱邊算起的第四條暗條紋中心。試求：（1）此空氣劈尖的劈尖角；（2）改用600nm的單色光垂直照射到此劈尖上仍觀察反射光的干涉條紋，