光的干涉 (2)PPT讲稿.ppt

光的干涉第1页，共58页，编辑于2022年，星期四 光学研究光学研究光的传播光的传播以及以及它和物质相互作用。它和物质相互作用。通常分为以下三个部分：通常分为以下三个部分：几何光学：几何光学：以光的直线传播规律为基础，以光的直线传播规律为基础，波动光学：波动光学：研究光的电磁性质和传播规律，研究光的电磁性质和传播规律，量子光学：量子光学：以光的量子理论为基础，以光的量子理论为基础，主要研究各种成象光学仪器。主要研究各种成象光学仪器。干涉、衍射、偏振的理论和应用。干涉、衍射、偏振的理论和应用。物质相互作用的规律。物质相互作用的规律。研究光与研究光与 波动光学和量子光学，统称为物理光学。波动光学和量子光学，统称为物理光学。第2页，共58页，编辑于2022年，星期四第第12章章 光学光学12.2 12.2 相干光、光的电磁特性相干光、光的电磁特性12.3 12.3 杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉12.4 12.4 光程光程12.5 12.5 薄膜干涉薄膜干涉12.6 12.6 麦克尔逊干涉仪麦克尔逊干涉仪12.7 12.7 光的衍射，惠更斯光的衍射，惠更斯-菲聂耳原理菲聂耳原理12.8 12.8 单缝的夫琅禾费衍射单缝的夫琅禾费衍射12.9 12.9 光学仪器的分辨本领光学仪器的分辨本领12.10 12.10 光栅衍射光栅衍射12.11 12.11 光的偏振光的偏振第3页，共58页，编辑于2022年，星期四12.1 相干光、光的电磁特性相干光、光的电磁特性一、光的电磁波本质一、光的电磁波本质：光速，真空中：光速，真空中：介质中介质中770nm350nm第4页，共58页，编辑于2022年，星期四第5页，共58页，编辑于2022年，星期四单色光单色光只含单一波长的光。只含单一波长的光。复色光复色光含多种波长的光含多种波长的光。（连续光谱）。（连续光谱）准单色光准单色光光波中包含波长范围，很窄的成分的光光波中包含波长范围，很窄的成分的光。谱线及其宽度谱线及其宽度强强度度波长波长钠灯：钠灯：0.1-10-3nm激光：激光：10-9nm第6页，共58页，编辑于2022年，星期四复色光复色光 第7页，共58页，编辑于2022年，星期四第8页，共58页，编辑于2022年，星期四二、光源二、光源（light source）白炽灯白炽灯日光灯日光灯LED激光激光第9页，共58页，编辑于2022年，星期四光源发光，是大量原子、分子的微观过程。光源发光，是大量原子、分子的微观过程。=(E2-E1)/hE1E2能级跃迁辐射能级跃迁辐射波列波列波列长波列长 L=c 能级、跃迁、辐射、波列能级、跃迁、辐射、波列持续时间持续时间 108s第10页，共58页，编辑于2022年，星期四2、激光光源：、激光光源：受激辐射受激辐射 =(E2-E1)/hE1 完全一样完全一样E21、普通光源：、普通光源：自发辐射自发辐射独立独立（同一原子先后发的光）同一原子先后发的光）独立独立（不同原子发的光）（不同原子发的光）（传播方向，（传播方向，频率，频率，位相，位相，振动方向）振动方向）第11页，共58页，编辑于2022年，星期四 光波中与物质相互作用的光波中与物质相互作用的是主要是主要 E 矢量矢量，称为，称为光矢光矢量。量。三三、光强、光强光强：光强：在光学中，通常把平均能流密度称为光强，在光学中，通常把平均能流密度称为光强，用用 I 表示。表示。在波动光学中，主要讨论的是在波动光学中，主要讨论的是相对光强相对光强，因此在，因此在同一同一介质中直接把光强定义介质中直接把光强定义为：为：第12页，共58页，编辑于2022年，星期四四、光的相干性：四、光的相干性：1.相干光相干光 同频率、同振动方向、恒定位相差同频率、同振动方向、恒定位相差S1S2P第13页，共58页，编辑于2022年，星期四相干叠加相干叠加满足相干条件的两束光叠加后满足相干条件的两束光叠加后位相差恒定，有干涉现象位相差恒定，有干涉现象若若干涉相长干涉相长干涉相消干涉相消第14页，共58页，编辑于2022年，星期四2、由普通光源获得相干光的途径、由普通光源获得相干光的途径 PS*分振幅法：分振幅法：P薄膜薄膜S*两束相干两束相干光在光在 P 点点相干叠加相干叠加分波面法：分波面法：第15页，共58页，编辑于2022年，星期四r1 r2 xdxD0单色光入射单色光入射d ，D d （d 10-4m，D 1m）波程差：波程差：相位差：相位差：P 12.2 双缝干涉及实验双缝干涉及实验 一、双缝干涉实验一、双缝干涉实验第16页，共58页，编辑于2022年，星期四明纹：明纹：暗纹：暗纹：条纹间距：条纹间距：x0 xI xr1 r2 xdxD0P第17页，共58页，编辑于2022年，星期四二二、双缝干涉光强公式、双缝干涉光强公式设设 I1=I2=I0，则光强为，则光强为光强曲线光强曲线k012-1-2I0 2-2 4-4 4I0sin 0 /d-/d-2 /d2 /dx0 x1x2第18页，共58页，编辑于2022年，星期四白光入射的杨氏双缝干涉照片白光入射的杨氏双缝干涉照片红光入射的杨氏双缝干涉照片红光入射的杨氏双缝干涉照片第19页，共58页，编辑于2022年，星期四（1）一系列平行的明暗相间的条纹；）一系列平行的明暗相间的条纹；（3）中间级次低，两边级次高）中间级次低，两边级次高（4）三、双缝干涉条纹的特点三、双缝干涉条纹的特点（2）不太大时条纹等间距；不太大时条纹等间距；白光入射时，白光入射时，0级明纹中心为白色级明纹中心为白色（可用来定（可用来定0级位置），级位置），其余级明纹构成彩带，其余级明纹构成彩带，第第2级开始出现重叠级开始出现重叠第20页，共58页，编辑于2022年，星期四例1：用白光作光源观察双缝干涉，设缝间距为d，试求能观察到的清晰可见光谱的级次分析：分析：1 1、在较高的级次，谱会发生重叠、在较高的级次，谱会发生重叠第一级第三级第二级02、红光在外，紫光在内 k级红与k+1紫发生重叠3、重叠处x相同 kl红=(k+1)l紫第21页，共58页，编辑于2022年，星期四kk红红=（k+1k+1）紫紫只有一级完全分开的清晰的谱只有一级完全分开的清晰的谱第22页，共58页，编辑于2022年，星期四12-3 光程与光程差光程与光程差 一：光程和光程差一：光程和光程差假如连续经历了多种介质，则总光程总光程为：第23页，共58页，编辑于2022年，星期四ddxs1s2PS S1 1和和S S2 2的光程差的光程差第24页，共58页，编辑于2022年，星期四 在杨氏双缝干涉实验中，入射光波长为600nm，今若用折射率n=1.50，厚度为d1的透明薄膜覆盖双缝之一，干涉条纹移动2级。今若在另一缝上用折射率n2=1.20，厚度为d2的透明薄膜覆盖，恰好可以使干涉条纹移回原位，求两薄膜厚度。未加入薄膜时，2级亮条纹处光程差加入薄膜后，原2级亮条纹变成0级条纹：第25页，共58页，编辑于2022年，星期四第26页，共58页，编辑于2022年，星期四二、透镜的等光程性二、透镜的等光程性A、B、C 的的位相相同位相相同，在，在F点会聚，互相点会聚，互相加强加强A、B、C 各点到F点的光程都相等光程都相等。即：即：透镜不会引起附加的光程差透镜不会引起附加的光程差第27页，共58页，编辑于2022年，星期四三、相位突变和附加光程三、相位突变和附加光程若：若：n0 nc 同时同时nc n2 光从光疏介质到光密介质时发生反射，反射光从光疏介质到光密介质时发生反射，反射光有光有 相位突变，称相位突变，称半波损失，它相当于一个附加半波损失，它相当于一个附加光程：光程：n0n2nc上下两个表面反射光的光程差为：12第28页，共58页，编辑于2022年，星期四12.4 薄膜干涉一、等倾干涉条纹一、等倾干涉条纹l日常见到的薄膜干涉：日常见到的薄膜干涉：肥皂泡上的彩色、肥皂泡上的彩色、雨天地上油膜的彩色、雨天地上油膜的彩色、昆虫翅膀的彩色昆虫翅膀的彩色。第29页，共58页，编辑于2022年，星期四l薄膜干涉应用：薄膜干涉应用：第30页，共58页，编辑于2022年，星期四等倾干涉：等倾干涉：dn1n1nrBCDiA 对于两反射光（对于两反射光（nn1）：）：半波损半波损失失第31页，共58页，编辑于2022年，星期四SLM观察屏观察屏薄膜薄膜等倾干涉条纹的实验装置等倾干涉条纹的实验装置第32页，共58页，编辑于2022年，星期四n0n2nc在镜头或者介质表面镀一层薄膜，如图，若：上下表面反射光的上下表面反射光的光程差光程差为：为：二、增透膜和高反射膜二、增透膜和高反射膜12第33页，共58页，编辑于2022年，星期四n0n2nc光程差光程差为：为：反射增强：反射增强：反射相消：反射相消：增透膜增透膜增反膜增反膜12第34页，共58页，编辑于2022年，星期四 例题例题 在玻璃表面镀上一层在玻璃表面镀上一层MgF2薄膜，使波长为薄膜，使波长为=5500 的绿光全部通过。求：膜的最小厚度。的绿光全部通过。求：膜的最小厚度。解解：使反射绿光干涉相消使反射绿光干涉相消 由反射光干涉相消条件由反射光干涉相消条件取取k=0MgF2玻璃玻璃n2=1.38n1=1.50n0=1 =2 n2 e=(2k+1)/2=996()n0=1 12n1n2第35页，共58页，编辑于2022年，星期四高反射膜高反射膜(HLHLH)反射镜表面交替镀上反射镜表面交替镀上光学厚度均为光学厚度均为/4的高折射的高折射率率ZnS膜和低折射率的膜和低折射率的MgF2膜，形成多层高反射膜，形成多层高反射膜。膜。第36页，共58页，编辑于2022年，星期四三、三、劈尖劈尖夹角很小的两个平面所构成的薄膜叫夹角很小的两个平面所构成的薄膜叫劈尖。劈尖。1、2两束反射光相干叠加，两束反射光相干叠加，就可行成明暗条纹。就可行成明暗条纹。h nn n(设设n n )反射光反射光2反射光反射光1单色平行光单色平行光第37页，共58页，编辑于2022年，星期四 反射光反射光1 单色平行光垂直入射单色平行光垂直入射hn n nA反射光反射光2(设设n n )所以反射光所以反射光1、2的的明纹：明纹：暗纹：暗纹：光程差为：光程差为：反射光反射光2有半波半波损失有半波半波损失第38页，共58页，编辑于2022年，星期四 L hhkhk+1明明纹纹暗暗纹纹n第39页，共58页，编辑于2022年，星期四例例:为为了了测测量量金金属属细细丝丝的的直直径径，把把金金属属丝丝夹夹在在两两块块平平玻玻璃璃之之间间，形形成成劈劈尖尖，如如图图所所示示，如如用用单单色色光光垂垂直直照照射射 ，就就得得到到等等厚厚干干涉涉条条纹纹。测测出出干干涉涉条条纹纹的的间间距距，就就可可以以算算出出金金属属丝丝的的直直径径。某某次次的的测测量量结结果果为为：单单色色光光的的波波长长 =589.3nm=589.3nm金金属属丝丝与与劈劈间间顶顶点点间间的的距距离离L L=28.880mm=28.880mm，3030条条明明纹纹间间得得距距离离为为4.295mm,4.295mm,求金属丝的直径求金属丝的直径D D？LD l hhkhk+1明明纹纹暗暗纹纹n分析：相邻两条明纹间的间分析：相邻两条明纹间的间距距 其间空气层的厚度相差为其间空气层的厚度相差为/2于是于是其中其中 为劈间尖的交角，因为为劈间尖的交角，因为 很小，所以很小，所以 第40页，共58页，编辑于2022年，星期四解解:相邻两条明纹间的间相邻两条明纹间的间距距 其间空气层的厚度相差为其间空气层的厚度相差为/2于是于是其中其中 为劈间尖的交角，因为为劈间尖的交角，因为 很小，所以很小，所以 代入数据得代入数据得 第41页，共58页，编辑于2022年，星期四等厚干涉条纹等厚干涉条纹劈尖劈尖不规则表面不规则表面第42页，共58页，编辑于2022年，星期四白光入射白光入射单色光入射单色光入射肥皂膜的等厚干涉条纹肥皂膜的等厚干涉条纹第43页，共58页，编辑于2022年，星期四 测细小直径、厚度、微小变化测细小直径、厚度、微小变化h h待待测测块块规规标标准准块块规规平晶平晶 测表面不平度测表面不平度等厚条纹等厚条纹待测工件待测工件平晶平晶 检验透镜球表面质量检验透镜球表面质量标准验规标准验规待测透镜待测透镜暗纹暗纹 第44页，共58页，编辑于2022年，星期四 例题例题 利用空气劈尖的等厚干涉条纹可以检测工利用空气劈尖的等厚干涉条纹可以检测工 件表件表面存在的极小的加工纹路，面存在的极小的加工纹路，在经过精密加工的工件表在经过精密加工的工件表面上放一光学平面玻璃，使其间形成空气劈形膜，用面上放一光学平面玻璃，使其间形成空气劈形膜，用单色光照射玻璃表面，并在显微镜下观察到干涉条纹，单色光照射玻璃表面，并在显微镜下观察到干涉条纹，ab hba hek-1ek如图所示，试根据干涉条纹的如图所示，试根据干涉条纹的弯曲方向，判断工件表面是凹弯曲方向，判断工件表面是凹的还是凸的；并证明凹凸深度的还是凸的；并证明凹凸深度可用下式求得可用下式求得：第45页，共58页，编辑于2022年，星期四解解:如果工件表面是精确的平面如果工件表面是精确的平面,等厚干涉条纹应该是等距离的等厚干涉条纹应该是等距离的平行直条纹，现在观察到的干涉条纹弯向空气膜的左端。因此，平行直条纹，现在观察到的干涉条纹弯向空气膜的左端。因此，可判断工件表面是下凹的，如图所示。由图中相似直角三角形可判断工件表面是下凹的，如图所示。由图中相似直角三角形可可:所以所以:ab hba hek-1ek第46页，共58页，编辑于2022年，星期四.S分束镜分束镜M显微镜显微镜o 牛顿环牛顿环装置简图装置简图平凸透镜平凸透镜平晶平晶 牛牛顿顿环环：一一束束单单色色平平行行光光垂垂直直照照射射到到此此装装置置上上时时，所所呈呈现现的的等等厚厚条条纹纹是是一一组组以以接接触触点点O O为为中中心心的的同同心心圆环。圆环。(1)牛顿环实验装置及光路牛顿环实验装置及光路三三.牛顿环牛顿环第47页，共58页，编辑于2022年，星期四(2)反射光光程差的计算反射光光程差的计算eA12第48页，共58页，编辑于2022年，星期四 牛顿环干涉是一系列明暗相间的、内疏外密的同心牛顿环干涉是一系列明暗相间的、内疏外密的同心圆环圆环。(3)牛顿环干涉条纹的特征牛顿环干涉条纹的特征第49页，共58页，编辑于2022年，星期四牛顿环照片牛顿环照片第50页，共58页，编辑于2022年，星期四eA12思考：牛顿环试验中，入射光波长为思考：牛顿环试验中，入射光波长为600nm，若透镜和玻璃的折射率，若透镜和玻璃的折射率为为1.5，且浸润在折射率为，且浸润在折射率为2.0的油中，问中心为亮斑还是暗斑？假如的油中，问中心为亮斑还是暗斑？假如透镜缓慢往上移动透镜缓慢往上移动300nm，干涉条纹会怎么变化？，干涉条纹会怎么变化？第51页，共58页，编辑于2022年，星期四 12.5 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪（Michelson interferometer）一一.仪器结构、光路仪器结构、光路二二.工作原理工作原理光束光束2和和1发生干涉发生干涉M 122 11 半透半反膜半透半反膜补偿板补偿板反反射射镜镜反射镜反射镜光源光源观测装置观测装置薄膜薄膜补偿板可补偿两臂的附加光程差。补偿板可补偿两臂的附加光程差。SM2M1G1G2E第52页，共58页，编辑于2022年，星期四迈克尓逊在工作迈克尓逊在工作 迈克尔逊迈克尔逊（A.A.Michelson）因因创创造造精精密密光光学学仪仪器器，用用以以进进行行光光谱谱学学和和度度量量学学的的研研究究，并并精精确确测测出出光光速速，获获1907年年诺诺贝贝尔尔物物理奖。理奖。美籍德国人美籍德国人迈克尔逊干涉仪至今仍是许多光学仪器的核心。迈克尔逊干涉仪至今仍是许多光学仪器的核心。第53页，共58页，编辑于2022年，星期四三、迈克尔逊干涉仪的应用三、迈克尔逊干涉仪的应用l测介质折射率测介质折射率l测量微小位移测量微小位移ln光路光路1中插入待测介质，中插入待测介质，由此由此可测折射率可测折射率n。以波长以波长 为尺度，可精确到为尺度，可精确到 产生产生附加光程差：附加光程差：M11若相应移过若相应移过 N 个条纹，个条纹，则应有则应有第54页，共58页，编辑于2022年，星期四用迈克耳孙干涉仪测气流用迈克耳孙干涉仪测气流第55页，共58页，编辑于2022年，星期四总结杨氏双缝杨氏双缝劈劈光程差光程差xk=(D/d)k（明）（明）主要结论主要结论等厚薄膜等厚薄膜作业：12.10 12-14 12-20第56页，共58页，编辑于2022年，星期四如图波长为680nm的平行光垂直照射在L=0.12m长的两块玻片上，两玻片的一头相互接触，另一头被直径d=0.048mm的细钢丝隔开。求（1）相邻的两条明纹的高度差；（2）相邻的两条明纹的间距。第57页，共58页，编辑于2022年，星期四（1）L hhkhk+1明明纹纹暗暗纹纹n条纹间距：条纹间距：第58页，共58页，编辑于2022年，星期四