Chp_13_2大学物理

1、P.1/52波动光学波动光学光源光源(light source)：发光的物体发光的物体两大类光源：两大类光源： 普通光源普通光源激光光源激光光源(laser)普通光源按光的激发分为以下几种普通光源按光的激发分为以下几种：热光源热光源: :电致发光电致发光(electroluminescence): :光致发光光致发光(photoluminescence):化学发光化学发光(chemiluminescence):P.2/52波动光学波动光学间歇性间歇性(intermittence) 各原子发光是间歇的，平均发各原子发光是间歇的，平均发光时间光时间 t t约为约为1010-8-81010-11-1

2、1s s，所，所发出的是一段长为发出的是一段长为 L L= =c c t t的光波的光波列列(light wave train)。 每次发光是随机的，所发出各每次发光是随机的，所发出各波列的振动方向、频率和振动初波列的振动方向、频率和振动初相位都不相同。相位都不相同。随机性随机性(randomness)P.3/52波动光学波动光学 光是某一波段的光是某一波段的电磁波电磁波 可见光可见光(visible light)的波长为的波长为400 760nm 具有一定频率的光称为具有一定频率的光称为单色光单色光 各种频率的光复合起来称为各种频率的光复合起来称为复合光复合光 光波描述光波描述)2cos(0

3、rtEE光强光强(intensity of light)正比于光矢量正比于光矢量(light vector)振幅的平方，即振幅的平方，即20EI P.4/52波动光学波动光学相干条件：相干条件：相干光相干光(coherent light)：能产生干涉现象的光。能产生干涉现象的光。相干光源相干光源(coherent source)：能产生相干光的光源。能产生相干光的光源。干涉定义：干涉定义： 满足相干条件的两列或两列以上的光波，满足相干条件的两列或两列以上的光波，它们在空间的重叠区域内各点相遇时，它们在空间的重叠区域内各点相遇时，将发生干涉现象。将发生干涉现象。P.5/52波动光学波动光学)co

4、s(:S11011tEE)2cos(2122120102202100rrEEEEE)cos(:S22022tEE)cos(:0tEEP2221122112rr合振幅：合振幅：相位差：相位差：P.6/52波动光学波动光学212设设 12若若,21021212kkkrr,)(,)(210122121212kkkrr2201002min)(EEEI2201020max)(EEEI光强极大光强极大若若光强极小光强极小P.7/52波动光学波动光学P.8/52波动光学波动光学P.9/52波动光学波动光学 加强, 2 , 1 , 012kkrr减弱, 3 , 2 , 12) 12(12kkrr1r2rP.1

5、0/52波动光学波动光学杨氏双缝光程差杨氏双缝光程差r2r1 xPSS1S2DdO角很小,aD Dxtansin加强加强, 2 , 1 , 0kkDxd减弱减弱 , 3 , 2 , 1212kkDxdsin12drrP.11/52波动光学波动光学干涉条纹在屏幕上的分布干涉条纹在屏幕上的分布, 2 , 1 , 0kdDkx屏幕中央（屏幕中央（k = 0）为中央明纹）为中央明纹), 2 , 1(212kdDkx其中其中k称为条纹的级次称为条纹的级次暗纹：暗纹：明纹：明纹：01-12-2明纹级数明纹级数12-1-2暗纹级数暗纹级数P.12/52波动光学波动光学相邻明纹或暗纹的间相邻明纹或暗纹的间距距

6、dDxxxkk1条纹为等间距分布条纹为等间距分布复色光照射双缝时条纹复色光照射双缝时条纹?P.13/52波动光学波动光学dDx dx1(1) 双缝间距双缝间距(2) 光波的波长光波的波长dDx x(3) 屏与缝间距屏与缝间距dDx DxP.14/52波动光学波动光学dss1s2PODxr1r212rr P.15/52波动光学波动光学dss1s2PODxr1r2薄玻璃片盖住上缝时：则薄玻璃片盖住上缝时：则中央明纹上移中央明纹上移)(12neerrP.16/52波动光学波动光学dss1s2PODxr1r2薄玻璃片盖住下缝时：则薄玻璃片盖住下缝时：则中央明纹下移中央明纹下移12)(rneerP.17

7、/52波动光学波动光学dss1s2PODxr1r2sindP.18/52波动光学波动光学ss1s2PODxr1r2向上移动光源时，则：向上移动光源时，则：中央明纹下移中央明纹下移sinsinddP.19/52波动光学波动光学 上下移动光源时，观察条纹的移动。上下移动光源时，观察条纹的移动。ss1s2PODxr1r2中央明纹上移中央明纹上移向下移动光源时，则：向下移动光源时，则：sinsinddP.20/52波动光学波动光学P.21/52波动光学波动光学P.22/52波动光学波动光学 当光由光疏介质射向光密介质，在界面上发生反射时，当光由光疏介质射向光密介质，在界面上发生反射时，在反射点处反射光

8、的光矢量相对于入射光光矢量的相位发生在反射点处反射光的光矢量相对于入射光光矢量的相位发生大小为大小为 的突变。的突变。P.23/52波动光学波动光学例题例题13-3 杨氏双缝的间距为杨氏双缝的间距为0.2mm，距离屏幕为，距离屏幕为1m。(1) 若第一到第四明纹距离为若第一到第四明纹距离为7.5mm，求入射光波长。，求入射光波长。(2) 若入射光的波长为若入射光的波长为600nm，求相邻两明纹的间距。，求相邻两明纹的间距。解解: 14144, 1kkdDxxxmm3m103m102 . 01061337dDx, 2 , 1 , 0kkdDxm105m14107.51100.2733,1441k

9、kxDdP.24/52波动光学波动光学P.25/52波动光学波动光学 介质薄膜受到照明而产生的介质薄膜受到照明而产生的干涉现象，称干涉现象，称薄膜干涉薄膜干涉(film interference)。 获得相干光束的方法属于获得相干光束的方法属于分分振幅法振幅法。 薄膜干涉一般分为两类，即薄膜干涉一般分为两类，即等倾干涉等倾干涉(equal inclination interference)和和等厚干涉等厚干涉(equal thickness interference)。P.26/52波动光学波动光学iABADsiniesintan2coseBCAC光程差：光程差：ADnBCACn12)()si

10、nsin(cos212inne干涉条件推导干涉条件推导eP.27/52波动光学波动光学)sin1 (cos222encos22en22222sin2nneinne22122sin2sinsin12nni 考虑半波损失：考虑半波损失：2sin222122inneeP.28/52波动光学波动光学薄膜干涉条件薄膜干涉条件kinne2sin222122, 2 , 1k加强：加强：2) 12(2sin222122kinne, 2 , 1 , 0k相消：相消：等倾干涉：等倾干涉：条纹级次取决于入射角的干涉条纹级次取决于入射角的干涉 特点特点：倾角相同的光线对应同一条干涉条纹倾角相同的光线对应同一条干涉条纹

11、P.29/52波动光学波动光学等倾干涉条纹是一组内疏外密的同心圆环，越向等倾干涉条纹是一组内疏外密的同心圆环，越向内，级次越高。入射角减小，圆半径减小。内，级次越高。入射角减小，圆半径减小。 等倾干涉演示等倾干涉演示P.30/52波动光学波动光学增透膜和增反膜增透膜和增反膜 在透镜表面镀一层厚度均在透镜表面镀一层厚度均匀的透明介质膜，使其上、下表面对某种色光的反射匀的透明介质膜，使其上、下表面对某种色光的反射光产生相消干涉，其结果是减少了该光的反射，增加光产生相消干涉，其结果是减少了该光的反射，增加了它的透射。了它的透射。照相机镜头照相机镜头眼镜眼镜P.31/52波动光学波动光学激光器谐振腔激

12、光器谐振腔宇航服宇航服利用薄膜干涉原理，使薄膜上、下表面对某利用薄膜干涉原理，使薄膜上、下表面对某种色光的反射光发生相长干涉，其结果是增加了该光种色光的反射光发生相长干涉，其结果是增加了该光的反射，减少了它的透射。的反射，减少了它的透射。P.32/52波动光学波动光学解解: 例题例题13-4 照相机透镜常镀上一层透明薄膜，目的就是照相机透镜常镀上一层透明薄膜，目的就是利用干涉原理减少表面的反射，使更多的光进入透镜，利用干涉原理减少表面的反射，使更多的光进入透镜，常用的镀膜物质是常用的镀膜物质是MgF2，折射率，折射率n=1.38，为使可见光，为使可见光谱中谱中 =550nm的光有最小反射，问膜

13、厚的光有最小反射，问膜厚e = ？n2=1.38n3=1.50n1=1反射最小反射最小 k=0,1,2,2) 12(22kennm.nm.min699381455042ne对应于最小厚度对应于最小厚度，k = 0得到得到， 说明：入射光能量一定，反射光能量减弱必然使透入射光能量一定，反射光能量减弱必然使透 射能量增强，所以这种膜称为射能量增强，所以这种膜称为增透膜增透膜。P.33/52波动光学波动光学例题例题13-5 空气中肥皂膜（空气中肥皂膜（n1=1.33），厚为），厚为0.32 m。如用白光垂直入射，问肥皂膜呈现什么色彩？如用白光垂直入射，问肥皂膜呈现什么色彩？解解: : ken2222

14、122ken1702nm4,1enk21nm56734,222enk340nm54,3enk23 2=567nm（黄光黄光）可见光范围可见光范围400760nmP.34/52波动光学波动光学例题例题13-6 用薄云母片（用薄云母片（n=1.58）覆盖在杨氏双缝的其）覆盖在杨氏双缝的其中一条缝上，这时屏上的零级明纹移到原来的第七级中一条缝上，这时屏上的零级明纹移到原来的第七级明纹处。如果入射光波长为明纹处。如果入射光波长为550nm，问云母片的厚度，问云母片的厚度为多少？为多少？解：解：Po1r2rd1s2s原七级明纹原七级明纹P点处点处插入云母片后，插入云母片后，P点为零级明纹点为零级明纹01

15、2nddrr17 ndm106.64m11.58105507169nd7712rrP.35/52波动光学波动光学薄膜干涉条件薄膜干涉条件（以空气劈尖为例）（以空气劈尖为例）kinne2sin222122, 2 , 1k加强：加强：2) 12(2sin222122kinne, 2 , 1 , 0k相消：相消：等厚干涉：等厚干涉：条纹级次取决于薄膜厚度的干涉条纹级次取决于薄膜厚度的干涉 特点：特点：同一条纹反映膜的同一厚度同一条纹反映膜的同一厚度 P.36/52波动光学波动光学考虑垂直入射考虑垂直入射 情况：情况：0ikne22,2, 1k加强：加强：2)12(22kne, 2 , 1 , 0k相

16、消：相消：劈尖膜劈尖膜(wedge film)的的干涉干涉 neP.37/52波动光学波动光学neeekk21knek22) 1(221knekke1kee等厚干涉条纹特点等厚干涉条纹特点1. 条纹级次条纹级次 k 随着劈尖的厚度而变化，因此这种干涉随着劈尖的厚度而变化，因此这种干涉称为称为。条纹为一组平行于棱边的平行线。条纹为一组平行于棱边的平行线。2. 由于存在半波损失，棱边上为零级暗纹。由于存在半波损失，棱边上为零级暗纹。P.38/52波动光学波动光学应用一应用一 薄膜端部厚度薄膜端部厚度d的测量的测量LdllnleLd2nlLd2Nnd2薄膜厚度：薄膜厚度：lLN 条纹数条纹数n测量原

17、理测量原理 在半导体元件生产中，测定硅片上的二氧化硅薄膜厚度的常用方法是：将薄膜的一部分磨成劈形膜，通过观察垂直入射光在其上面产生的干涉条纹，计算出厚度。P.39/52波动光学波动光学ke22)()(kkee22ke2说明说明: k反映了偏离直线条纹的程度。反映了偏离直线条纹的程度。应用二应用二 光学表面检查光学表面检查ee测量原理测量原理P.40/52波动光学波动光学若因畸变使某处移动了一若因畸变使某处移动了一个条纹的距离，个条纹的距离， k=1=1，则，则 k-1 k k+1表面凸起表面凸起 ke1ke k-1 k k+1表面凹陷表面凹陷 2eke2P.41/52波动光学波动光学例题例题1

18、3-7 有一玻璃劈尖，放在空气中，劈尖夹角有一玻璃劈尖，放在空气中，劈尖夹角 =8 10-5rad.波长波长 =0.589 m的单色光垂直入射时，的单色光垂直入射时，测得干涉条纹的宽度为测得干涉条纹的宽度为l= 2.4mm，求玻璃的折射率。，求玻璃的折射率。解：解：nl2ln253. 1104 . 210821089. 5357LdlP.42/52波动光学波动光学牛顿环的特点：牛顿环的特点： 干涉条纹是以平凸干涉条纹是以平凸透镜与平面玻璃板的接透镜与平面玻璃板的接触点为圆心的明暗相间触点为圆心的明暗相间的圆环，的圆环，对空气牛顿环对空气牛顿环中心为暗点；条纹间距中心为暗点；条纹间距不相等，且内

19、疏外密。不相等，且内疏外密。P.43/52波动光学波动光学2) 12(22kne暗纹kne22明纹22222)(eeReRRr22eeReRRre22ORrerP.44/52波动光学波动光学ORrernRkr2) 12(明环明环nkRr), 2 , 1 , 0(k暗环暗环), 2 , 1(kP.45/52波动光学波动光学牛顿环的应用牛顿环的应用波长测量波长测量已知：用紫光照射，借助于低倍测量已知：用紫光照射，借助于低倍测量显微镜测得由中心往外数第显微镜测得由中心往外数第 k 级明环级明环的半径的半径 , k 级往上数级往上数第第16 个明环半径个明环半径 ，平凸透镜的曲率半径平凸透镜的曲率半径R=2.50mmrk3100 .3 m100 . 5316kr2 1)16(216 Rkrk 求：紫光的波长？求：紫光的波长？解：根据明环半径公式：解：根据明环半径公式：2) 12( Rkrk Rrrkk162216 m100 . 450. 216)100 . 3()100 . 5(72222RrCNMbOP.46/52波动光学波动光学用钠灯（用钠灯（ = 589.3nm）观察牛顿环，看到第）观察牛顿环，看到第k条暗条暗环的半径为环的半径为r = 4mm，第，第k+5条暗环半径条暗环半径r = 6mm，求所用平凸透镜的曲率半径求所用平凸透镜的曲率半径R。解解:RkrkRkrk)5(