第3章光的干涉1

1、1 光学光学-研究研究 光的现象光的现象; 光的本性光的本性; 光与物质的相互作用光与物质的相互作用.20世纪世纪60年代激光问世后，光学有了年代激光问世后，光学有了飞速的发展，形成了飞速的发展，形成了非线性光学非线性光学等等现代光学现代光学。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， 研究各种光学仪器的理论。研究各种光学仪器的理论。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， 研究光与物质相互作用的规律。研究光与物质相互作用的规律。波动光学：波动光学：以光的电磁波本性为基础，以光的电磁波本性为基础， 研究传播规律，特别是干涉、衍射、偏振研究传

2、播规律，特别是干涉、衍射、偏振 的理论和应用。的理论和应用。2光的波动性光的波动性: :判判据据干涉现象干涉现象衍射现象衍射现象光波的特点：光波的特点：波长短波长短3900 - 7800 速度高速度高光源在原子内部光源在原子内部3 4水膜在白光下水膜在白光下白光下的肥皂膜白光下的肥皂膜丰富多彩的干涉现象丰富多彩的干涉现象5蝉翅在阳光下蝉翅在阳光下蜻蜓翅膀在阳光下蜻蜓翅膀在阳光下白光下的油膜白光下的油膜肥皂泡玩过吗肥皂泡玩过吗?6等倾条纹等倾条纹牛顿环牛顿环( (等厚条纹等厚条纹) )测油膜厚度测油膜厚度平晶间空气隙干涉条纹平晶间空气隙干涉条纹7电磁波谱电磁波谱是能引起人的视觉的那部分电磁波是能

3、引起人的视觉的那部分电磁波人眼最敏感的光：黄绿光，中心波长人眼最敏感的光：黄绿光，中心波长555555nmnm210310102103101110)(m对数坐标对数坐标软软x射线射线真空紫真空紫外线外线紫外光紫外光可见光可见光近红近红外光外光中红中红外光外光远红外光远红外光宇宙射线宇宙射线 射线射线 x射线射线微波微波短短波波中中波波长波长波10108106104102102104106108101010)(m1对数坐标对数坐标光光 波波390450492577597622760)(nm线性坐标系线性坐标系紫紫 靛靛蓝蓝绿绿黄黄橙橙红红青青470424注：注：波长的波长的数据各种资数据各种资料

4、不统一，料不统一，稍有不同稍有不同83-1 3-1 一一. . 普通光源与激光光源普通光源与激光光源光源的最基本的发光光源的最基本的发光单元是分子、原子。单元是分子、原子。（1）热辐射）热辐射（2）电致发光）电致发光（3）光致发光）光致发光（4）化学发光）化学发光光源光源冷光源：冷光源：利用热能激发的光源利用热能激发的光源热光源：热光源：利用化学能、电能或光能激发的光源利用化学能、电能或光能激发的光源光源光源-发光的物体发光的物体91.1.普通光源：自发辐射普通光源：自发辐射独立独立（同一原子不同时刻发的光）（同一原子不同时刻发的光）独立独立 （不同原子同一时刻发的光）（不同原子同一时刻发的光

5、） = (E2-E1)/hE1E2自发辐射跃迁自发辐射跃迁波列波列波列长波列长 L = t c发光时间发光时间t t 10-8s原子发光：原子发光：方向不定的振动方向不定的振动 瞬息万变的初位相瞬息万变的初位相此起彼伏的间歇振动此起彼伏的间歇振动102 激光光源：受激辐射激光光源：受激辐射E1E2 = (E2-E1)/h 可以实现光放大可以实现光放大;单色性好单色性好;相干性好。相干性好。例如例如:氦氖激光器氦氖激光器; 红宝石激光器红宝石激光器; 半导体激光器等等。半导体激光器等等。完全一样完全一样（频率频率, 相位相位,振动方向振动方向,传播方向传播方向都相同）都相同）11二二. . 光的

6、单色性光的单色性实际原子的发光实际原子的发光:是一个有限长的波列是一个有限长的波列,所以所以不是严格的余弦函数不是严格的余弦函数,只能说是准单色光只能说是准单色光: 在某个中心频率（波长）附近有一定频率在某个中心频率（波长）附近有一定频率 （波长）范围的光。（波长）范围的光。衡量单色性好坏的衡量单色性好坏的物理量是物理量是谱线宽度谱线宽度 理想的单色光：理想的单色光：具有恒定单一波长的简谐波，具有恒定单一波长的简谐波，它是无限伸展的。它是无限伸展的。或单一频率的光或单一频率的光例例:普通单色光普通单色光 : 10-2 10 0A 激光激光 ：10-8 10-5 A 0 0II0I0 / 2谱线

7、宽度谱线宽度12三、复色光三、复色光复色光：复色光：由各种频率复合的光由各种频率复合的光实际波列有限长实际波列有限长复色光复色光13pS * *分波阵面法分波阵面法分振幅法分振幅法p薄膜薄膜S S * *14杨杨(T.Young)在在1801年年首先首先发现光的干涉发现光的干涉现象，并首次测量了现象，并首次测量了光波的波长。光波的波长。15S1S2SdS 1、S 2 是同一光源是同一光源 S 形成的，振动方向相同、频率形成的，振动方向相同、频率相同、相位差恒定，满足相干条件，产生干涉现象。相同、相位差恒定，满足相干条件，产生干涉现象。16x12rr 1r2rPS0D1S2Sd12rr sind

8、dtgDxdDxDd:条件17xdDk明纹明纹dDk212暗纹暗纹3,2, 1,0kDxd极小2) 12(k极大k18级级亮亮纹纹称称级级亮亮纹纹称称级级中中央央亮亮纹纹称称22,21,100,0210 dDxkdDxkxk 相邻两亮纹相邻两亮纹(或暗纹或暗纹)之间的距离都是之间的距离都是dDx x一系列平行的明暗相间的一系列平行的明暗相间的条纹条纹kkxxx1dD 不太大时条纹等间距不太大时条纹等间距I19 2021II 1max4II0minI5) 光强分布光强分布cos22121IIIIII21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

9、缝干涉照片您能判断您能判断0级条纹在哪吗？级条纹在哪吗？22例例. 钠光灯作光源，波长钠光灯作光源，波长 ，屏与双缝的，屏与双缝的距离距离 D=500 mm ,(1) d = 1.2 mm 和和 d = 10 mm , 相邻明相邻明条纹间距分别为多大？（条纹间距分别为多大？（2) 若相邻明条纹的最小分辨距若相邻明条纹的最小分辨距离为离为 0.065 mm ,能分辨干涉条纹的双缝间距是多少？能分辨干涉条纹的双缝间距是多少？m5893. 0解解 (1) d= 1.2 mm mmdDx25. 02 . 110893. 55004d=10 mmmmdDx030. 01010893. 55004(2)m

10、mx065. 0双缝间距双缝间距 d 为为mmxDd5 .4065.010893.5500423二、二、 菲涅耳双棱镜干涉实验菲涅耳双棱镜干涉实验EEMNss1s2dBCp干涉区干涉区24面面1M2MCS2S1SABE干涉区干涉区252S1SMEE?干涉区干涉区26杨氏双缝花样杨氏双缝花样 双棱镜花样双棱镜花样劳埃镜花样劳埃镜花样27vcn vtr tnc28ctnrvtr nrnnn291n2n1122rnrn1r2r两光程之差叫做光程差两光程之差叫做光程差)(21122rr2)(21122rnrnnn30在光学中常用到透镜在光学中常用到透镜三三. . 透镜不产生附加光程差透镜不产生附加光程

11、差S acbS实验告诉我们：实验告诉我们： ( (不证不证) )acbFabcFF31媒质媒质1 光疏媒质光疏媒质媒质媒质2 光密媒质光密媒质n1n2折射光折射光反射光反射光入射光入射光四、半波损失四、半波损失若若 n n1 1 n n )反射光反射光2反射光反射光1S* 单色平行光单色平行光12 1、2两束反射光来自两束反射光来自同一束入射光，它们同一束入射光，它们可以产生干涉可以产生干涉 。3-5 3-5 劈尖劈尖干涉干涉 -等厚干涉等厚干涉 劈尖劈尖夹角很小的两个平面所构成的薄膜夹角很小的两个平面所构成的薄膜51设单色平行光线在设单色平行光线在A点处入射，膜厚为点处入射，膜厚为d ，光程

12、差光程差，很小，很小，21 )(22dnd在在 n, 定了以后定了以后, 只是厚度只是厚度 d 的函数。的函数。 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dn n nA反射光反射光2(设设n n )一个厚度一个厚度d， 对应着一个光程差对应着一个光程差 ， 对应着一个条纹对应着一个条纹等厚条纹等厚条纹。反射光反射光1,2叠加叠加 要不要考虑半波损失？要不要考虑半波损失？52在此问题中，棱边处在此问题中，棱边处 是亮纹还是暗纹？是亮纹还是暗纹？亮纹亮纹, 2 , 1 , 0,21222kknd暗纹暗纹3 , 2 , 1,22kknddkdk+1 （答：暗纹）（答：暗纹）相邻两条亮纹对

13、应的厚度相邻两条亮纹对应的厚度dk ,dk+1相差相差多大？多大？亮纹与暗纹亮纹与暗纹等间距地相间排列。等间距地相间排列。53dl dn2) 1(22221mndmndmm22nndnl2 条纹条纹间距间距 条纹间距条纹间距md1md明纹明纹暗纹暗纹l d条纹分得更开，更好测量。条纹分得更开，更好测量。 L2d54dA2AdB22 ndnd255(1)测长度微小变化测长度微小变化(2)检查光学平面的缺陷检查光学平面的缺陷受热受热膨胀膨胀干涉条纹移动干涉条纹移动玻璃板向上平移玻璃板向上平移nd2条纹整体移条纹整体移 l 改变改变 h条纹偏向膜（空气）厚部条纹偏向膜（空气）厚部表示平面上有凸起。表

14、示平面上有凸起。平面上有凹坑平面上有凹坑。等厚干涉的等厚干涉的应用应用56P1n1n2n1M2MdLiDC34E5A1B212nn 2sin222122inndinnd22122sin21n1n2n5722 nd dn n nA(n n )劈尖干涉劈尖干涉-等厚干涉等厚干涉 nd2nl2 条纹间距条纹间距58d1n2nSiO2Sien22, 1 , 0kk5922nkek2626ned50. 12105893610m6101786. 160R0nrd22 nd-明明k-暗暗2)12(k61222dRRr22ddRRd Rrd22R0rnd62Rrd2222 nd-明明k-暗暗2)12(k222

15、2Rrn 暗明kkRrn2/2-明明k-暗暗2)12(k63nRkrk212nkRrk2 , 1k2 , 1 , 0knkRnRkr) 1(nRkk1164AB平移平移 距离时有一条条纹移过距离时有一条条纹移过265白光入射的牛顿环照片白光入射的牛顿环照片662n3n2) 12(222kdn672max2nkd6 . 12105700410m102 . 7768测凸透镜的曲率半径测凸透镜的曲率半径RhRrh级级暗暗纹纹中中心心000 mh第第 m 级暗环对应级暗环对应半径半径 rm222)(mmrhRR 2222mmmmrrhRh 膜厚膜厚nmhm2 mnrRm222 hn212 mm明明暗暗

16、牛顿环的牛顿环的应用应用701G2G1M2M补偿玻补偿玻璃板璃板半透明半透明镀银层镀银层工作原理工作原理2Md两光束发生干涉两光束发生干涉补偿板补偿板G2的作用的作用补偿光程差补偿光程差71d2k ：d)(2dd k2)(kkd2nn722nd73迈克耳逊在工作迈克耳逊在工作 迈克耳逊迈克耳逊（A.A.Michelson） 美籍德国人美籍德国人因创造精密光学仪因创造精密光学仪器，用以进行光谱器，用以进行光谱学和度量学的研究，学和度量学的研究，并精确测出光速，并精确测出光速，获获19071907年诺贝尔物年诺贝尔物理奖。理奖。74请点击你认为是正确的答案请点击你认为是正确的答案（1）2ne；一折

17、射率为一折射率为 , , 厚度为厚度为e e 的平面平行膜被一折射率为的平面平行膜被一折射率为 的的媒质包围。有一单色平行光垂直于薄膜的上表面入射，从薄媒质包围。有一单色平行光垂直于薄膜的上表面入射，从薄膜上、下表面反射的两束光发生干涉，若膜上、下表面反射的两束光发生干涉，若 ，且入射光，且入射光在在 媒质中的波长为媒质中的波长为 ，则两反射光的程差为，则两反射光的程差为nnnnn22nne22nne22nne（2） ; (3) ; (4) 。结束选择结束选择75小议链接1请点击你认为是正确的答案请点击你认为是正确的答案（1）2ne；一折射率为一折射率为 , , 厚度为厚度为e e 的平面平行

18、膜被一折射率为的平面平行膜被一折射率为 的的媒质包围。有一单色平行光垂直于薄膜的上表面入射，从薄媒质包围。有一单色平行光垂直于薄膜的上表面入射，从薄膜上、下表面反射的两束光发生干涉，若膜上、下表面反射的两束光发生干涉，若 ，且入射光，且入射光在在 媒质中的波长为媒质中的波长为 ，则两反射光的程差为，则两反射光的程差为nnnnn22nne22nne22nne（2） ; (3) ; (4) 。结束选择结束选择76小议链接2请点击你认为是正确的答案请点击你认为是正确的答案（1）2ne；一折射率为一折射率为 , , 厚度为厚度为e e 的平面平行膜被一折射率为的平面平行膜被一折射率为 的的媒质包围。有一单色平行光垂直于薄膜的上表面入射，从薄媒质包围。有一单色平行光垂直于薄膜的上表面入射，从薄膜上、下表面反射的两束光发生干涉，若膜上、下表面反射的两束光发生干涉，若 ，且入射光，且入射光在在 媒质中的波长为媒质中的波长为 ，则两反射光