大學(xué)物理12光的干涉課件

第五篇波動(dòng)光學(xué)研究光的波動(dòng)特性：干涉、衍射、偏振光的干涉第十二章§12-1光的單色性和相干性§12-2雙縫干涉§12-3光程與光程差§12-4薄膜干涉--等傾條紋§12-5薄膜干涉--等厚條紋§12-6邁克爾遜干涉儀§12-7光的相干性§12-1光源光的特性激發(fā)輻射發(fā)光持續(xù)時(shí)間激發(fā)態(tài)上電子的壽命一、熱光源發(fā)光特點(diǎn)(1)發(fā)光是間歇的光波列----長(zhǎng)度有限、頻率一定、振動(dòng)方向一定的光波§12-1

光源光的特性(2)不同原子激發(fā)、輻射時(shí)彼此沒有聯(lián)系(3)同一原子不同時(shí)刻所發(fā)出的波列，振動(dòng)方向和相位各不相同二、相干性兩個(gè)獨(dú)立的光源或同一光源的兩部分發(fā)出的光都不是相干光同一原子同一次發(fā)出的光在空間相遇時(shí)是相干光§12-1

光源光的特性

三、單色性光波：的電磁波色散：紅橙黃綠青藍(lán)紫----可見光譜四、相干光的獲得方法1.分波陣面法：從同一波陣面上取出兩部分作為相干光源楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)§12-1

光源光的特性2.分振幅法：利用光在兩種介質(zhì)分界面上的反射光和透射光作為相干光薄膜干涉§12-1

光源光的特性§12-2雙縫干涉一、楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)1.裝置原理§12-2

雙縫干涉

2.干涉明暗條紋的位置波程差§12-2

雙縫干涉干涉明暗條紋的位置明紋暗紋其中§12-2

雙縫干涉討論：(1)k=0的明紋：中央明紋，

k=1,k=2,：第一級(jí),第二級(jí)，明紋(2)相鄰兩明(或暗)紋的間距----明暗相間的等間隔條紋§12-2

雙縫干涉一定時(shí)(3)白光照射：----條紋變稀疏d和D一定時(shí)----條紋變密集中央明紋為白色，其它各級(jí)為彩色，內(nèi)紫外紅§12-2

雙縫干涉d或Dxd或Dxxx若

，則明紋光強(qiáng)暗紋光強(qiáng)(4)光強(qiáng)分布----I1、I2為兩相干光單獨(dú)在P點(diǎn)處的光強(qiáng)§12-2

雙縫干涉二、菲涅耳雙鏡實(shí)驗(yàn)----明暗條紋分布與楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)相同等效為兩個(gè)虛光源光的干涉§12-2

雙縫干涉三、洛埃鏡實(shí)驗(yàn)光在鏡面反射時(shí)有半波損失----結(jié)果與楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)相反暗紋§12-2

雙縫干涉即在反射點(diǎn)反射波的相位有突變----半波損失§12-2

雙縫干涉

一、光程§12-3光程與光程差設(shè)c為真空中的光速，v為光在折射率為n的媒質(zhì)中的傳播速度由折射率定義

t

時(shí)間內(nèi)光在介質(zhì)中傳播距離§12-3

光程與光程差

t

時(shí)間內(nèi)，光在真空中傳播的距離光程：光在媒質(zhì)中走過的幾何路程r與該媒質(zhì)折射率n的乘積nr介質(zhì)中真空中§12-3

光程與光程差意義：將媒質(zhì)中的路程折算成真空中的路程，以便比較光程差：相位差：：光在真空中的波長(zhǎng)§12-3

光程與光程差二、透鏡的等光程性AF、CF：空氣中傳播距離長(zhǎng)BF：透鏡中傳播距離長(zhǎng)AF、CF和BF的光程相等：會(huì)聚F點(diǎn)形成亮點(diǎn)透鏡不會(huì)引起附加的光程差§12-3

光程與光程差§12-3

光程與光程差三、反射光的相位突變和附加光程差1、或無(wú)附加光程差2、或有附加光程差3、對(duì)于折射光，無(wú)任何相位突變11’22’[例1]在楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)中，用折射率n=1.58的透明薄膜蓋在上縫上，并用λ=6.32810－7m的光照射，發(fā)現(xiàn)中央明紋向上移動(dòng)了5條，求薄膜厚度解：P點(diǎn)為放入薄膜后中央明紋的位置§12-3

光程與光程差又因P點(diǎn)是未放薄膜時(shí)第N級(jí)的位置可得：§12-3

光程與光程差一、薄膜干涉光程差1.反射光干涉§12-4薄膜干涉-等傾條紋其中等于或0，由光束在薄膜上下表面反射時(shí)，有無(wú)附加光程差決定?！?2-4薄膜干涉--等傾條紋光程差折射定律§12-4薄膜干涉-等傾條紋§12-4薄膜干涉-等傾條紋明、暗紋條件----暗紋----明紋討論：----等傾干涉(1)由知，光源不同位置發(fā)出光的傾角相同時(shí)，均對(duì)應(yīng)同一干涉級(jí)k§12-4薄膜干涉-等傾條紋(2)等傾干涉條紋是一組明暗相間的同心圓環(huán)，圓環(huán)分布內(nèi)疏外密；半徑大的圓環(huán)對(duì)應(yīng)的i大，而干涉級(jí)k低§12-4薄膜干涉-等傾條紋薄膜反射板透鏡屏幕§12-4薄膜干涉-等傾條紋(3)

e增大，則k增大，圓環(huán)中心處有圓環(huán)冒出；反之，則圓環(huán)中心處有圓環(huán)吞入(4)垂直入射時(shí)有----明----暗§12-4薄膜干涉-等傾條紋2.透射光干涉光程差透射光明、暗紋條件----明----暗反射光和透射光互補(bǔ)，反射光干涉加強(qiáng)時(shí)，透射光干涉減弱§12-4薄膜干涉-等傾條紋[例2]在白光下，觀察一層折射率為1.30的薄油膜，若觀察方向與油膜表面法線成300角時(shí)，可看到油膜呈藍(lán)色(波長(zhǎng)為4800?)，試求油膜的最小厚度。若從法向觀察，反射光呈什么顏色?解:

需考慮半波損失。根據(jù)明紋條件§12-4薄膜干涉-等傾條紋k=1時(shí)有§12-4薄膜干涉-等傾條紋從法向觀察，i=0:k=1時(shí)：k=2時(shí)：----綠色光----紫外光，不可見§12-4薄膜干涉-等傾條紋

二、應(yīng)用1.增透膜玻璃MgF2光在膜的上下表面反射時(shí)都有半波損失反射光干涉相消時(shí)有§12-4薄膜干涉-等傾條紋膜的最小厚度為或----光學(xué)厚度----此時(shí)透射光增強(qiáng)即光學(xué)厚度為某一波長(zhǎng)的1/4時(shí)，則膜為該波長(zhǎng)的增透膜§12-4薄膜干涉-等傾條紋2.高反射膜考慮半波損失第一層最小光學(xué)厚度第二層最小光學(xué)厚度即每層膜的光學(xué)厚度都為/4時(shí)，可得到該波長(zhǎng)的高反射膜§12-4薄膜干涉-等傾條紋§12-5薄膜干涉-等厚條紋§12-5薄膜干涉--等厚條紋一、等厚干涉條紋利用等傾條紋光程差的相同方法當(dāng)不變時(shí)，光程差僅與膜的厚度有關(guān)。凡厚度相同處，光程差相同，對(duì)應(yīng)同一條干涉條紋，稱等厚干涉條紋。§12-5薄膜干涉-等厚條紋----暗----明實(shí)際中，明紋和暗紋條件介質(zhì)劈二、劈尖膜設(shè)光垂直入射----明----暗棱邊處(e=0)，對(duì)應(yīng)k=0的暗紋§12-5薄膜干涉-等厚條紋空氣劈對(duì)空氣劈，光程差(1)每級(jí)明或暗條紋與一定的膜厚e相對(duì)應(yīng)討論：----等厚干涉(2)干涉條紋為平行于棱邊的明暗相間的直條紋。棱邊(e=0)處有半波損失時(shí)形成暗紋§12-5薄膜干涉-等厚條紋(3)相鄰兩明(或暗)紋對(duì)應(yīng)劈尖的厚度差對(duì)空氣劈§12-5薄膜干涉-等厚條紋(4)相鄰兩明(或暗)紋之間的距離----等間距變大時(shí)條紋變密，反之則變疏§12-5薄膜干涉-等厚條紋(5)劈尖上表面向上平移，干涉條紋間距不變，條紋向棱邊移動(dòng)；反之條紋向相反方向移動(dòng)對(duì)空氣層：平移距離時(shí)有一條條紋移過§12-5薄膜干涉-等厚條紋[例3]為測(cè)定Si上SiO2厚度d，可用化學(xué)方法將SiO2膜的一部分腐蝕成劈尖形。現(xiàn)用=5893?的光垂直入射,觀察到7條明紋，問d=?

(已知Si：n1=3.42，SiO2：n2=1.50)解：上下面都有半波損失§12-5薄膜干涉-等厚條紋SiO2Si因棱邊：k=0，d處明紋對(duì)應(yīng)于k=6§12-5薄膜干涉-等厚條紋SiO2Si[例4]利用劈尖干涉可對(duì)工件表面微小缺陷進(jìn)行檢驗(yàn)。當(dāng)波長(zhǎng)為的單色光垂直入射時(shí)，觀察到干涉條紋如圖。問(1)不平處是凸的，還是凹的?(2)凹凸不平的高度為多少?§12-5薄膜干涉-等厚條紋解：(1)等厚干涉，同一條紋上各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的空氣層厚度相等所以不平處是凸的(2)由相似三角形關(guān)系得§12-5薄膜干涉-等厚條紋平板玻璃平凸透鏡三、牛頓環(huán)在厚度為e

處----明----暗中心處(e=0):對(duì)應(yīng)k=0的暗紋§12-5薄膜干涉-等厚條紋討論：(1)光程差由厚度e

決定----等厚干涉(2)厚度相同的點(diǎn)是一系列以0為中心的同心圓環(huán)，因此干涉條紋是一系列同心圓環(huán)----牛頓環(huán)(3)干涉環(huán)半徑又§12-5薄膜干涉-等厚條紋明環(huán)半徑暗環(huán)半徑(4)干涉環(huán)間的距離----內(nèi)疏外密§12-5薄膜干涉-等厚條紋(5)平凸透鏡向上平移時(shí)，中心處有圓環(huán)吞入；反之則有圓環(huán)冒出對(duì)空氣層：平移距離時(shí)有一條條紋移過§12-5薄膜干涉-等厚條紋試問(1)油滴與玻璃交界處是明條還是暗條?(2)油膜的最大厚度是多少?(3)若油滴逐漸灘開，條紋將如何變化?

(油:n2=1.60,玻璃:n3=1.50）[例5]在平面玻璃板上滴一滴油，用=5760?的單色光垂直照射，從反射光中看到圖示的干涉條紋。§12-5薄膜干涉-等厚條紋解：(1)因n1<n2，n2>n3，所以要考慮半波損失由暗紋條件知：交界處e=0對(duì)應(yīng)于k=0的暗紋§12-5薄膜干涉-等厚條紋(2)中心點(diǎn)為k=4的暗紋(3)最外暗環(huán)逐漸向外擴(kuò)大，中心點(diǎn)明暗交替變化，條紋級(jí)數(shù)逐漸減少§12-5薄膜干涉-等厚條紋§12-6邁克爾遜干涉儀一、原理M2固定M1可移動(dòng)補(bǔ)償玻璃板半透明鍍銀層§12-6邁克爾遜干涉儀設(shè)M1與M2’之間的空氣層厚度為d討論：(1)M1和M2嚴(yán)格垂直:空氣薄膜干涉----圓環(huán)M1平移

：----干涉條紋移動(dòng)數(shù)目§12-6邁克爾遜干涉儀(2)M1和M2不嚴(yán)格垂直：空氣劈干涉M1移動(dòng)/2，則有一條紋移過二、應(yīng)用已知某光波波長(zhǎng)

，數(shù)出n，則可測(cè)長(zhǎng)度d數(shù)出n和讀出d，可測(cè)光波波長(zhǎng)§12-6邁克爾遜干涉儀§12-7光的相干性一、時(shí)間相干性1.相干長(zhǎng)度§12-7

光的相干性光程差不大光程差較大不相干相干相干長(zhǎng)度：兩個(gè)分光束能產(chǎn)生干涉效應(yīng)的最大光程差----光波列長(zhǎng)度相干時(shí)間：波列長(zhǎng)度所對(duì)應(yīng)的時(shí)間§12-7

光的相干性2.光源非單色性對(duì)干涉條紋的影響：譜線寬度(1)不同波長(zhǎng)光：非相干(2)

范圍內(nèi)同種波長(zhǎng)的光相干(3)干涉條紋的可見度下降§12-7

光的相干性最大光程差為-