《光的干涉部分》PPT课件.ppt

There is no such thing as a great talent without great will-power.-Balzac 没有伟大的意志力，便没有雄才大略。没有伟大的意志力，便没有雄才大略。-巴尔扎克巴尔扎克 一一 光的干涉光的干涉 1 理解理解相干光的条件及获得相干光的方法相干光的条件及获得相干光的方法.2 掌握掌握光程的概念以及光程差和相位差的关光程的概念以及光程差和相位差的关系，理解在什么情况下的反射光有相位跃变系，理解在什么情况下的反射光有相位跃变.3 能能分析杨氏双缝干涉条纹及薄膜等厚干涉分析杨氏双缝干涉条纹及薄膜等厚干涉条纹的位置条纹的位置.4 了解了解迈克耳孙干涉仪的工作原理迈克耳孙干涉仪的工作原理.教学基本要求教学基本要求 2 理解理解用波带法来分析单缝的夫琅禾费衍射条纹用波带法来分析单缝的夫琅禾费衍射条纹分布规律的方法，会分析缝宽及波长对衍射条纹分分布规律的方法，会分析缝宽及波长对衍射条纹分布的影响布的影响.3 理解理解光栅衍射公式光栅衍射公式,会确定光栅衍射谱线的位会确定光栅衍射谱线的位置，会分析光栅常数及波长对光栅衍射谱线分布的置，会分析光栅常数及波长对光栅衍射谱线分布的影响影响.4 了解了解衍射对光学仪器分辨率的影响衍射对光学仪器分辨率的影响.5 了解了解x射线的衍射现象和布拉格公式的物理意义射线的衍射现象和布拉格公式的物理意义.二二 光的衍射光的衍射 1 了解了解惠更斯菲涅耳原理及它对光的衍射现象惠更斯菲涅耳原理及它对光的衍射现象的定性解释的定性解释.三光的偏振三光的偏振 理解理解自然光与偏振光的区别自然光与偏振光的区别;理解理解布儒斯特定律和马吕斯定律布儒斯特定律和马吕斯定律;了解了解双折射现象双折射现象;了解了解线偏振光的获得方法和检验方法线偏振光的获得方法和检验方法.光学通常分为以下三个部分：光学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，主要研究以光的直线传播规律为基础，主要研究各种成象光学仪器的理论。各种成象光学仪器的理论。波动光学波动光学：研究光的电磁性质和传播规律，特别是研究光的电磁性质和传播规律，特别是干涉、衍射、偏振的理论和应用。干涉、衍射、偏振的理论和应用。量子光学量子光学：以光的量子理论为基础，研究光与物质以光的量子理论为基础，研究光与物质相互作用的规律。相互作用的规律。光是什么？光是什么？近代物理认为，光既是一种波动近代物理认为，光既是一种波动(电电磁波磁波)，又是一种粒子，又是一种粒子(光子光子)。就是说，光具有。就是说，光具有波动和粒子二重特性波动和粒子二重特性波粒二象性。波粒二象性。引言引言这里只介绍波动光学的内容。这里只介绍波动光学的内容。相干光相干光相干光相干光第一节第一节第一节第一节一一 光源光源 光矢量光矢量 用用 矢量表示光矢量矢量表示光矢量,它在引起人眼视它在引起人眼视觉和底片感光上起主要作用觉和底片感光上起主要作用.光是一种电磁波，光是一种电磁波，可见光是能引起人的视觉的电磁波。可见光是能引起人的视觉的电磁波。4000紫7600红单色光：具有色光：具有单一一频率的光波。率的光波。二、二、单色光单色光 复色光复色光 波列波列 原子能级及发光跃迁原子能级及发光跃迁基态基态激激发发态态自发辐射自发辐射三、普通光源的发光机制三、普通光源的发光机制同一原子先后发的光彼此独立，同一原子先后发的光彼此独立，是非相干光是非相干光不同原子同时发的光彼不同原子同时发的光彼 此独立，此独立，是非相干光是非相干光1 1、光是由光源中的原子或分子的运动状态发生变化、光是由光源中的原子或分子的运动状态发生变化时辐射出来的。时辐射出来的。3、各原子发光是随机的，无固定相位差。各原子发光是随机的，无固定相位差。2、原子发光的时间很短，只有原子发光的时间很短，只有10-8秒。秒。注意注意注意注意各原子发光是随机的，无固定相位差各原子发光是随机的，无固定相位差两普通光源发出的光是否相干光？两普通光源发出的光是否相干光？问题问题 两个频率相同的钠光灯不能产生干涉现象，两个频率相同的钠光灯不能产生干涉现象，既使是同一个单色光源的两部分发出的光，也既使是同一个单色光源的两部分发出的光，也不能产生干涉。不能产生干涉。无干涉现象无干涉现象1.频率相同；频率相同；2.振动方向一致；振动方向一致；3.有恒定的相位差；有恒定的相位差；四、相干光四、相干光五、获得相干光的方法五、获得相干光的方法波阵面分割法波阵面分割法*光源光源振幅分割法振幅分割法掌握掌握第二节第二节杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉 杨氏在杨氏在1801年首先用年首先用实验的方法研实验的方法研究了光的干涉究了光的干涉现象，为光的现象，为光的波动理论确定波动理论确定了实验基础。了实验基础。一、杨氏双缝干涉装置一、杨氏双缝干涉装置 doS1S2Pdr1r2x双双缝缝单单缝缝S屏屏干干涉涉条条纹纹点光源二、条纹分布规律二、条纹分布规律条纹位置条纹位置PIxr2r1S1S2 d波程差波程差:掌握掌握 减弱减弱加强加强暗纹暗纹明纹明纹加强、减弱条件加强、减弱条件明纹、暗纹位置明纹、暗纹位置讨论讨论IO1.明纹位置明纹位置k=0时：时：0 零级明纹位于屏幕零级明纹位于屏幕中央，只有一条。中央，只有一条。其它各级明纹都有其它各级明纹都有两条，且对称分布。两条，且对称分布。2.暗纹位置暗纹位置对称分布在屏幕中央两侧对称分布在屏幕中央两侧IO3.条纹间距条纹间距相邻明纹与相邻暗纹的间距都相同，所以条纹相邻明纹与相邻暗纹的间距都相同，所以条纹明暗相间平行等距明暗相间平行等距。一定时，若一定时，若 变化，则变化，则 将怎样变化？将怎样变化？1）4.条纹间距与各量之间的关系条纹间距与各量之间的关系2）条纹间距条纹间距 与与 的关系如何？的关系如何？一定时，一定时，1.在双缝干涉实验中，为使屏上的干涉条在双缝干涉实验中，为使屏上的干涉条纹间距变大，可以采取的办法是纹间距变大，可以采取的办法是（A）使屏靠近双缝。）使屏靠近双缝。（B）使两缝的间距变小。）使两缝的间距变小。（C）把两个缝的宽度稍微调窄。把两个缝的宽度稍微调窄。（D）改用波长较小的单色光源。改用波长较小的单色光源。B P三三 双双 镜镜四四 劳埃德镜劳埃德镜PML问题：当屏移到当屏移到 位置位置时，在屏上的，在屏上的L点点应该出出现暗条暗条纹还是明条是明条纹？半波损失半波损失条件条件：1 1、光从、光从折射率折射率较小小介介质射向射向折射率折射率较大大介介质。2、反射光反射光的相位较之入射光的相位跃变了的相位较之入射光的相位跃变了 ，相当于反射光与入射光之间相当于反射光与入射光之间附加了半个波长附加了半个波长的波的波程差，称为程差，称为半波损失半波损失.有半波损失有半波损失无半波损失无半波损失折射光都无半波损失折射光都无半波损失思考思考掌握掌握 书例书例2 以单色光照射到相距为以单色光照射到相距为0.2mm的双缝上的双缝上,双缝双缝与屏幕的垂直距离为与屏幕的垂直距离为1m.(1)从第一级明从第一级明 纹纹 到同侧到同侧 的第四级明的第四级明 纹的距离为纹的距离为7.5mm,求单色光的波长求单色光的波长;(2)若入射光的波长为若入射光的波长为600nm,求相邻两明纹间的距离求相邻两明纹间的距离.解解 （1）（2）C解解 计算波程差计算波程差BA12 ,求求 第一次测到极大时，射电星的方位第一次测到极大时，射电星的方位与湖面所成的角与湖面所成的角 .如图如图 离湖面离湖面 处有一电磁波接收器位于处有一电磁波接收器位于 C，当一射电星从地平面渐渐升起时，当一射电星从地平面渐渐升起时，接收器断续接接收器断续接收收 到一系列极大值到一系列极大值.已知射电星发射的电磁波波长为已知射电星发射的电磁波波长为书例书例3 射电信号的接收射电信号的接收取取 极大极大时时 考虑半波损失时，附加波程差取考虑半波损失时，附加波程差取 均可，均可，符号不同，符号不同，取值不同，对问题实质无影响取值不同，对问题实质无影响.注意注意ACB12第三节第三节第三节第三节光程光程光程光程 薄膜干涉薄膜干涉薄膜干涉薄膜干涉光在真空中的速度光在真空中的速度光在介质中的速度光在介质中的速度真空中的波长真空中的波长介质的折射率介质的折射率介质中的波长介质中的波长一、光一、光程程 相位差相位差 *P*表明表明:光在介质中传播时光在介质中传播时,其相位的变化不仅其相位的变化不仅与光波传播的与光波传播的几何路程几何路程和光波在真空中的波和光波在真空中的波长有关外长有关外,还与介质的还与介质的折射率有关折射率有关。2 2、光程差、光程差光程差：光程差：1 1、光程、光程:媒质折射率与光的几何路程之积媒质折射率与光的几何路程之积=r1n1r2n2rinirnnn光程差与相位差关系：光程差与相位差关系：掌握掌握加强加强减弱减弱3 3、用光程差表示的干涉加、用光程差表示的干涉加强、减弱条件：、减弱条件：掌握掌握光程差计算练习：光程差计算练习：1.21.51.2（1）（2）nS1S2r1r2dP思考思考AB二、透镜不引起附加的光程差二、透镜不引起附加的光程差AB焦平面焦平面三、薄膜干涉三、薄膜干涉有半波损失有半波损失无半波损失无半波损失i熟练熟练掌握掌握注意注意:指反射指反射光光PLDC34E5A1B2设：设：反射光反射光的光程差的光程差为：由由折射折射定律定律注意注意:条条件件 反射光反射光的光程差的光程差光程差仅由薄膜厚度决定光程差仅由薄膜厚度决定增反膜增反膜增透膜增透膜垂直照射：垂直照射：根据具体根据具体情况而定情况而定 透透射光射光4 4、5 5的光程差的光程差注意：注意：透射光和反射光干涉具有透射光和反射光干涉具有互补性互补性,符合能量符合能量守恒定律守恒定律.P PL LD DC C3 34 4E E5 5A A1 1B B2 2垂直照射：垂直照射：增透膜增透膜增反膜增反膜四、镀膜技术四、镀膜技术 在光学器件中，由于表面上的反射与透射，在光学器件中，由于表面上的反射与透射，在器件表面镀膜，来改变反射与透射光的比例。在器件表面镀膜，来改变反射与透射光的比例。例如：例如：较高级的照相机的镜头由较高级的照相机的镜头由 6 个透镜组成，如不采个透镜组成，如不采取有效措施，反射造成的光能损失可达取有效措施，反射造成的光能损失可达 45%90%。为为增强透光，要镀增透膜，或减反膜。复杂的光学镜头采增强透光，要镀增透膜，或减反膜。复杂的光学镜头采用增透膜可使光通量增加用增透膜可使光通量增加 10 倍。倍。掌握掌握1.增透膜增透膜光学镜头为减少反射光，通常要镀增透膜。光学镜头为减少反射光，通常要镀增透膜。增透膜是增透膜是使膜上下两表面的反射光使膜上下两表面的反射光满足满足减弱条件减弱条件。依具体依具体情况定情况定例：例：为增强照相机镜头的透射光，往往在镜头（为增强照相机镜头的透射光，往往在镜头（n3=）上镀一层上镀一层 MgF2 薄膜（薄膜（n2），使对人眼和感光底片最敏），使对人眼和感光底片最敏感的黄绿光感的黄绿光 =555 nm 反射最小，假设光垂直照射镜反射最小，假设光垂直照射镜头，求：头，求：MgF2 薄膜的最小厚度。薄膜的最小厚度。解：解：减弱减弱23玻璃玻璃k=0,膜最薄膜最薄通常通常 k 取取 1，在该厚度下蓝紫光反射加强，所以我们看到镜在该厚度下蓝紫光反射加强，所以我们看到镜头表面为蓝紫色。头表面为蓝紫色。2.增反膜增反膜 减少透光量，增加反射光，减少透光量，增加反射光，使膜上下两表使膜上下两表面的反射光满足加强条件面的反射光满足加强条件。例如：激光器例如：激光器谐振腔反射振腔反射镜采用采用优质增反膜增反膜介介质薄膜薄膜层已达已达15层，其反射率，其反射率。解解 (1)书例书例 一油轮漏出的油一油轮漏出的油(折射率折射率 =1.20)污染了某污染了某海域海域,在海水在海水(=1.30)表面形成一层薄薄的油污表面形成一层薄薄的油污.(1)如果太阳正位于海域上空如果太阳正位于海域上空,一直升飞机的驾一直升飞机的驾驶员从机上向下观察驶员从机上向下观察,他所正对的油层厚度为他所正对的油层厚度为460nm,则他将观察到油层呈什么颜色则他将观察到油层呈什么颜色?(2)如果一潜水员潜入该区域水下如果一潜水员潜入该区域水下,又将看到油又将看到油层呈什么颜色层呈什么颜色?绿色绿色(2)透射光的光程差透射光的光程差红光红光紫光紫光紫紫红红色色 Fear not that the life shall come to an end,but rather fear that it shall never have a beginning.-J.H.Newman 不要害怕你的生活将要结束，应该担不要害怕你的生活将要结束，应该担心你的生活永远不会真正开始。心你的生活永远不会真正开始。-纽曼纽曼 第四节第四节第四节第四节等厚干涉等厚干涉 劈尖、牛顿环劈尖、牛顿环劈尖角劈尖角一一 劈劈 尖尖明纹明纹暗纹暗纹2、光程差、光程差1、实验装置、实验装置1 1、相邻明纹（暗纹）间的厚度差、相邻明纹（暗纹）间的厚度差讨论讨论K K 级明纹：级明纹：K+1K+1级明纹：级明纹：结论结论:相邻明纹（暗纹）间对应的厚度差为相邻明纹（暗纹）间对应的厚度差为光在劈形膜中的波长的二分之一。光在劈形膜中的波长的二分之一。掌握掌握2 2、相邻明、相邻明(暗暗)纹间距纹间距3 3、测量微小物体的厚度、测量微小物体的厚度每一条纹对每一条纹对每一条纹对每一条纹对应劈尖内的应劈尖内的应劈尖内的应劈尖内的一个厚度，一个厚度，一个厚度，一个厚度，当此厚度位当此厚度位当此厚度位当此厚度位置改变时，置改变时，置改变时，置改变时，对应的条纹对应的条纹对应的条纹对应的条纹随之移动随之移动随之移动随之移动.4、干涉条纹的移动、干涉条纹的移动 例例 1 有一玻璃劈尖有一玻璃劈尖 ,放在空气中放在空气中 ,劈尖夹劈尖夹角角 ,用波长用波长 的单色光垂直的单色光垂直入射时入射时,测得干涉条纹的宽度测得干涉条纹的宽度 ,求求 这这玻璃的玻璃的 折射率折射率.解解空气空气 1）检验光学元件表面的平整度）检验光学元件表面的平整度2）测细丝的直径）测细丝的直径 劈尖干涉的应用劈尖干涉的应用例例2：测量钢球直径：测量钢球直径用波长为的钠黄光垂用波长为的钠黄光垂直照射长直照射长 L=20mm 的空气劈尖，测得条的空气劈尖，测得条纹间距为纹间距为求：钢球直径求：钢球直径d。解：解：二二 牛顿环牛顿环由一块平板玻璃和一平凸透镜组成由一块平板玻璃和一平凸透镜组成光程差光程差n1n2n3光程差光程差明纹明纹暗纹暗纹1 1、光程差、光程差加强加强减弱减弱2.牛顿环半径牛顿环半径明环明环暗环暗环掌握掌握3.牛顿环应用牛顿环应用测量未知单色平行光的波长测量未知单色平行光的波长用读数显微镜测量第用读数显微镜测量第 k 级和第级和第 m 级暗环级暗环半径半径 rk、rm检测光学镜头表面曲率是否合格检测光学镜头表面曲率是否合格 将玻璃验规盖于待将玻璃验规盖于待测镜头上，两者间形成测镜头上，两者间形成空气薄层，因而在验规空气薄层，因而在验规的凹表面上出现牛顿环，的凹表面上出现牛顿环，当某处光圈偏离圆形时，当某处光圈偏离圆形时，则该处有不规则起伏。则该处有不规则起伏。验规验规总结总结1 1）干涉条纹为光程差相同的点的干涉条纹为光程差相同的点的轨迹，即厚度相等的点的轨迹轨迹，即厚度相等的点的轨迹.2 2）半波损失需具体问题具体分析半波损失需具体问题具体分析.讨论讨论:(1)(1)不同材料组成的牛顿环不同材料组成的牛顿环1.521.521.621.621.621.621.751.751.521.52(2)(2)由不同曲面、凸面组成的牛顿环由不同曲面、凸面组成的牛顿环R R1 1R R2 2R R1 1R R2 2例例.在牛顿环装置中，透镜与玻璃平板间充以液在牛顿环装置中，透镜与玻璃平板间充以液体时，第体时，第 10 个暗环的直径由个暗环的直径由 1.40cm 变为变为，求，求该液体的折射率。该液体的折射率。解：由暗环公式解：由暗环公式空气中：空气中：介质中：介质中：第五节第五节第五节第五节迈克尔逊迈克尔逊干涉仪干涉仪美国物理学家美国物理学家。18521852年年1212月月1919日出生于普日出生于普鲁士斯特雷士斯特雷诺（现属属波波兰），后随父母移居美国，），后随父母移居美国，毕业于美国海于美国海军学院，曾任芝加哥大学学院，曾任芝加哥大学教授，美国科学促教授，美国科学促进协会主席会主席,美国美国科学院院科学院院长；还被被选为法国科学院法国科学院院士和院士和伦敦皇家学会会敦皇家学会会员，19311931年年5 5月月9 9日在帕日在帕萨迪迪纳逝世。逝世。迈克耳克耳逊主要从事光学和光主要从事光学和光谱学方面的研究，学方面的研究，他以他以毕生精力从事光速的精密生精力从事光速的精密测量，一直是光速量，一直是光速测定的国定的国际中心人物。他中心人物。他发明了一种用以明了一种用以测定微定微小小长度、折射率和光波波度、折射率和光波波长的的迈克耳克耳孙干涉干涉仪，在研究光在研究光谱线方面起着重要的作用。方面起着重要的作用。迈克克尔逊由于由于创制了精密的光学制了精密的光学仪器和利用器和利用这些些仪器所完成的光器所完成的光谱学和基本度量学研究，学和基本度量学研究，迈克克耳耳逊于于19071907年年获诺贝尔物理学物理学奖金。金。18871887年他与美国物理学家年他与美国物理学家E.W.E.W.莫雷合作，莫雷合作，进行了著名的行了著名的迈克耳克耳逊-莫雷莫雷实验，这是一个是一个最重大的否定性最重大的否定性实验，它，它动摇了了经典物理学典物理学的基的基础。他研制出高分辨率的光。他研制出高分辨率的光谱学学仪器，器，经改改进的衍射光的衍射光栅和和测距距仪。迈克耳克耳逊首倡首倡用光波波用光波波长作作为长度基准，提出在天文学中度基准，提出在天文学中利用干涉效利用干涉效应的可能性，并且用自己的可能性，并且用自己设计的的星体干涉星体干涉仪测量了恒星参宿四的直径。量了恒星参宿四的直径。单单色色光光源源反反射射镜镜反射镜反射镜一一 迈克耳逊干涉仪迈克耳逊干涉仪与与 成成 角角补偿板补偿板 分光板分光板 移动导轨移动导轨反反射射镜镜反射镜反射镜单单色色光光源源光程差光程差 的像的像当当 不垂直于不垂直于 时，可形成劈尖时，可形成劈尖型等厚干涉条纹型等厚干涉条纹.反反射射镜镜反射镜反射镜单单色色光光源源干涉干涉条纹条纹移动移动数目数目二、迈克尔孙干涉仪的测长原理二、迈克尔孙干涉仪的测长原理移移动动距距离离明纹明纹掌握掌握插入介质片后光程差插入介质片后光程差光程差变化光程差变化干涉条纹移动数目干涉条纹移动数目介质片厚度介质片厚度光程差光程差三、其它应用三、其它应用例例.在迈克耳逊干涉仪的一条光路，放入一厚在迈克耳逊干涉仪的一条光路，放入一厚度为度为 t，折射为，折射为 n 的透明薄片，放入后，这条的透明薄片，放入后，这条光路的光程改变了光路的光程改变了(A)2(n1)t;(B)2nt;(C)2(n+1)t+/2;(D)nt;(E)(n1)t.A 长的玻璃管，其中一个抽成真空，长的玻璃管，其中一个抽成真空，另另一个则储有压强为一个则储有压强为 的空气的空气,用以测用以测量空气的折射率量空气的折射率 .设所用光波波长为设所用光波波长为546nm，实，实验时，向真空玻璃管中逐渐充入空气验时，向真空玻璃管中逐渐充入空气 ，直至压强，直至压强达到达到 为止为止.在此过程中在此过程中，观察到，观察到107.2条干涉条纹的移动，试求空气的折射率条干涉条纹的移动，试求空气的折射率 .书例书例 在迈克耳孙干涉仪的两臂中，分别插入在迈克耳孙干涉仪的两臂中，分别插入解解