第十四光的干涉演示文稿

第十四光的干涉演示文稿当前1页，总共61页。（优选）第十四光的干涉当前2页，总共61页。基本要求一、了解普通光源发光的特点，理解获得相干光的方法。二、掌握光程的概念以及光程差和相位差的关系。三、掌握杨氏双缝干涉的基本装置及干涉条纹位置的计算。四、掌握薄膜等厚干涉的基本装置（平面平行膜、劈尖、牛顿环等），了解产生“半波损失”的条件，能分析确定干涉条纹的位置。五、了解麦克尔逊干涉仪的工作原理及应用。当前3页，总共61页。§14-

5

光的相干性一、光源—

能发射光波的物体光源的最基本发光单元是分子、原子。

=(E2-E1)/hE1E2能级跃迁辐射波列

波列长

L=c当前4页，总共61页。★

可见光的频率范围：7.5×1014~3.9×1014Hz

★

真空中的波长范围：400~760nm★

相应光色：紫、蓝、绿、黄、橙、红★

单色光：具有单一频率的光★

复色光：由各种频率组成的光★

光波是电磁波E

称为光矢量，E矢量的振动称为光振动。光波中与物质相互作用(感光作用、生理作用)的是

E

矢量。平面简谐电磁波：★

光强：平均能流密度，用

I

表示。

波动光学中主要讨论的是相对光强，因此在同一介质中直接把光强定义为：当前5页，总共61页。1.普通光源：自发辐射独立(同一原子先后发的光)★发光的随机性

★发光的间歇性热光源★

结论：两个独立的光源不可能成为一对相干光源。

★

原因：原子发光是随机的、间歇性的，两列光波的振动方向不可能一致，相位差不可能恒定。钠光灯

A钠光灯

B两束光不相干

！独立(不同原子发的光)当前6页，总共61页。2.激光光源：受激辐射

=(E2-E1)/h频率、相位、振动方向完全一样，激光可做相干光源。E12.相干条件（1）频率相同；（2）振动方向相同；（3）相位差恒定二、光的相干性1.光的干涉现象★

将光源上一个发光点的光分成两束，各经历不同的路径再会合迭加，可满足相干条件产生干涉。3.相干光源—

满足相干条件的光源当前7页，总共61页。1.

分波阵面方法三、相干光的获得同一波阵面上的不同部分产生次级波相干利用光的反射和折射，将同一光束分割成振幅较小的两束相干光PS

*2.分振幅的方法3.

激光薄膜PS

*当前8页，总共61页。四、可见光的波长范围λ：400~760

nm（4000~7600

Å)

紫：400~450nm蓝：450~500nm绿：500~580nm黄：580~600nm橙：600~620nm红：620~760nm

1

Å

=m

当前9页，总共61页。五、光程和光程差1.光程光在真空中的传播速度

c

：光在介质中的传播速度

u

：光在介质中的波长：真空n★

结论：光在介质中的波长是真空中波长的倍。(14-40)当前10页，总共61页。

光在介质中传播几何路程

r

后相位的变化为：∴两光到达相遇点的相位差是：∴不能用几何路程差

而必须用光程差计算相位差。当前11页，总共61页。光在某一介质中所传播的几何路程

r

和该介质的折射率

n

的乘积

n

r光程=2.光程的意义光在介质中的光程

=

相同时间内光在真空中走的几何路程。★

结论：

决定干涉强弱的是相位差或光程差而不是几何路程差。光程（14-42）当前12页，总共61页。两个同相的相干光源发出的相干光的干涉条纹明暗条件光程差相位差3.光程差干涉条件明纹暗纹由光程差确定：当前13页，总共61页。已知

r1，

r2

，n，l，相干光

S1，S2

初相相同，●●S1S2Plnr1r2求：相干光

S1，S2

到达P

点的光程差

Δ

和相位差

Δ

φ

。1.光程差：2.相位差：练习当前14页，总共61页。

A、B、C

的相位相同，在

F

点会聚，互相加强，

A、B、C

各点到

F

点的光程相等。★

结论：薄透镜不会引起各相干光之间的附加光程差。六、透镜的等光程性当前15页，总共61页。§14-6

分波阵面法产生的干涉

1.实验装置一、杨氏双缝实验S1S2S***当前16页，总共61页。2.杨氏双缝干涉条纹明纹中心位置：暗纹位置：D>>2a(14-50)(14-51)当前17页，总共61页。(1)明、暗相间的条纹对称分布于中央明纹两侧；3.干涉条纹特点(2)相邻明(或暗)条纹等间距，与干涉级k

无关。xI***S1S2S当前18页，总共61页。4.相邻两明(或暗)条纹间的距离称为条纹间距。S1S2d2aPr2r1DxI当前19页，总共61页。5.D、a

一定时，或

若用白光照射双缝，屏上中心明纹仍为白色，两侧对称分布各级紫内红外的彩色条纹。更高级次的彩色条纹可能会发生重叠。123402233111230中央明纹0当前20页，总共61页。例题：在扬氏双缝实验中，用薄云母片（n=1.5)盖住一缝，这时，屏幕的中心为原来的第8级条纹所占据，若以镉灯作光源（λ=648.3nm)，求云母片的厚度是多少？当前21页，总共61页。P91例题14-3当前22页，总共61页。2.洛埃镜实验★

结论：光从光疏介质射向光密介质界面时，在掠射或正射两种情况下，在反射时产生“半波损失”。验证了反射时有半波损失存在。实验装置：1.菲涅耳双面镜实验二、分波面法干涉的其他一些实验实验装置：当前23页，总共61页。nS1S2OPr2r1l解法1：解法2：练习在杨氏双缝实验中，若λ=632.8mm，如果用折射率

n=1.58的透明薄膜盖在S1缝上，如图所示，发现中央明纹向上移动了3条，处于P点位置，试求薄膜的厚度。

当前24页，总共61页。利用薄膜上、下两个表面对入射光的反射和折射，可在反射方向（或透射方向）获得相干光束。一、平行平面薄膜干涉在透明介质

n1

中放入上下表面平行、厚度为e

的均匀介质

n2(>n1)，en1n1n2§14

-

7

分振幅法产生的光的干涉屏SirACBD12用光源照射薄膜，其反射和透射光如图所示：当前25页，总共61页。光线1

与2

的光程差为：半波损失由折射定律和几何关系可得出：en1n1n2屏SirACBD12当前26页，总共61页。★

附加光程差的确定：由半波损失引起的附加光程差薄膜12n1n2n3满足

n1<n2>n3

(或

n1>n2

<n3)

满足

n1>n2>n3

(或

n1

<n2

<n3)对同样的入射光来说，当反射方向干涉加强时，在透射方向就干涉减弱

产生附加光程差

不存在附加光程差

当前27页，总共61页。

1.薄膜干涉条件2.空气中的介质薄膜干涉条件加强减弱加强减弱当前28页，总共61页。4.透射光干涉(垂直入射）★

结论：当反射光干涉加强时透射光干涉减弱，反之亦然。3.入射光垂直照射空气中的介质薄膜(）加强减弱加强减弱当前29页，总共61页。5.薄膜的颜色在白光照射下，不同方向观察薄膜呈不同颜色。6.只有膜厚m

，才可观察到干涉现象。反射后干涉加强，薄膜呈该波长的光的颜色。i

一定时一定，只有符合的那些波长的光当前30页，总共61页。当前31页，总共61页。en例题一平行平面肥皂膜，其折射率为1.33，厚度为0.32μm,如用白光垂直照射，观察反射光，问肥皂膜呈什么颜色？已知：平面肥皂膜

n

=1.

33，e

=0.32μm，白光垂直照射时观察反射光，问膜呈何色？解：加强非可见光绿光非可见光故膜呈绿色。当前32页，总共61页。en★若沿膜面40o角方向观察，该膜呈何色？40o即i

=50o，斜入射：非可见光蓝光非可见光故膜呈蓝色。当前33页，总共61页。★★若垂直观察透射光，该膜呈何色？en透射光满足：非可见光紫光非可见光故膜呈紫色。或用反射减弱条件：结果一样。当前34页，总共61页。7.增透膜和增反膜(1)增透膜利用薄膜上、下表面反射光的光程差满足相消干涉条件来减少反射，从而使透射增强。(2)增反膜利用薄膜上、下表面反射光的光程差满足相长干涉，因此反射光干涉加强。玻璃MgF2Z

n

S玻璃MgF21.51.38空气当前35页，总共61页。p98：在玻璃上镀

MgF2

薄膜，使其对的绿光增透，MgF2

膜厚应为多少？玻璃MgF21.51.38空气解：对绿光反射相消得：该膜对何种光反射加强？（紫光）当前36页，总共61页。8.等倾干涉*由公式知，具有相同入射倾角

的光经薄膜干涉形成等倾干涉条纹。当前37页，总共61页。二、非平行平面薄膜干涉当薄膜很薄时，从垂直于膜面的方向观察，且视场角范围很小，膜上厚度相同的位置有相同的光程差对应同一级条纹，固称为薄膜等厚干涉。1、2

两束反射光来自同一束入射光，它们可以产生干涉。ne反射光2反射光1单色平行光当前38页，总共61页。1.劈尖干涉平行单色光垂直照射实心劈尖上、下表面的反射光将产生干涉，厚度为

e

处，两相干光的光程差为

夹角

很小的两个平面所构成的薄膜劈尖：空气劈尖实心劈尖当前39页，总共61页。(1)空气中的介质劈尖干涉条件n1

=1,n2

=n垂直入射

i

=0，上式变为：暗纹明纹当前40页，总共61页。(2)等厚干涉条纹劈尖表面与棱边平行的任一直线上各点对应的膜厚度相等，满足相同的干涉条件，形成与棱边平行的明暗相间的等厚干涉条纹。(3)

相邻明(或暗)纹对应的膜厚之差

当前41页，总共61页。(4)劈尖棱边处是暗纹

棱边出现暗条纹说明上表面反射有“半波损失”。(5)任意相邻明条纹(或暗条纹)之间的距离为：

当前42页，总共61页。★结论：ⅰ)劈尖干涉条纹是等间距的；ⅱ），，在入射单色光一定时，劈尖的楔角：

θ

愈小，则l

愈大，干涉条纹愈疏；

愈大，则l

愈小，干涉条纹愈密。当用白光照射时，将看到由劈尖边缘逐渐分开的彩色直条纹。ⅲ）当前43页，总共61页。ⅰ)明暗条纹ⅱ）相邻条纹对应空气膜厚之差ⅲ）相邻条纹间距空气劈尖（6）空气劈尖（）暗纹明纹当前44页，总共61页。ⅳ）条纹平移★结论：膜厚每增加，条纹向棱边平移1

条；条纹移动的个数

N

与膜厚变化的关系：膜厚每减少，条纹离开棱边平移1

条。当前45页，总共61页。ⅴ）条纹疏密增大，条纹向棱边方向平移变密；（7）劈尖干涉的应用ⅰ）干涉膨胀仪减小，条纹离开棱边方向平移变疏。当前46页，总共61页。利用空气劈尖干涉原理测定样品的热膨胀系数

样品表面和平板玻璃之间形成空气劈尖，样品受热膨胀时，空气劈尖厚度减小，干涉条纹发生移动。温度升高，样品升高，测得条纹移动了N

条，样品h则且得：平板玻璃石英圆杯干涉膨胀仪当前47页，总共61页。ⅱ)薄膜厚度的测定已知：AB

间共有

8

条暗纹。求：

SiO2

膜的厚度。例：

练习十四计算题4解：棱边处e

k=0，Δ

=0，是明纹中心。暗纹公式B

处是第

8

条暗纹中心，故应取

k

=7

。AS

iSiO2B01234567Bn2=1.50

，n3=3.42，

=600nm，当前48页，总共61页。AS

iSiO2B01234567暗纹公式B处是第8

条暗纹中心故应取k=7

。另解：B

处的膜厚应有

7

个加半个相邻暗纹对应的膜厚故：当前49页，总共61页。ⅲ)测金属丝的直径dd空气劈尖D已知：测得

N

=

30条明纹间的距离为x

=

4.925mm，求：金属丝直径d

。解：相邻条纹间距为由图知：当前50页，总共61页。ⅳ)光学元件表面的检测条纹向棱边方向弯曲，工件表面凹下；工件表面凸起。条纹离开棱边方向弯曲，设条纹弯曲：a

，表面缺陷深：h

，则三者的关系：条纹间距：b

，等厚条纹待测工件平晶当前51页，总共61页。例题：用波长为λ的单色光垂直照射由两块玻璃板构成的空气劈尖，已知劈尖角为θ，如果劈尖角变为θ，，从劈棱数起的第四条明纹位移值Δx是多少？解：第四条明纹满足以下条件：所以即：第四条明纹的位移值为当前52页，总共61页。例题：用波长λ=500nm的单色光垂直照射在两块玻璃板（一端刚好接触成为劈尖）构成的空气劈尖上，劈尖角如果劈尖内充满折射率为n=1.4的液体，求：从劈尖数起第五条明纹在充入液体前后移动的距离。

解：设第五条明纹处膜厚为e,则有：设该处至劈棱的距离为x,则有：由以上两式得：充入液体前第五条明纹位置：充入液体后第五条明纹位置：移动距离：当前53页，总共61页。常量空气薄层中，任一厚度

e

处上下表面反射光的光程差为:2.牛顿环环形空气劈尖暗环

明环当前54页，总共61页。，略去e

2

，明环半径暗环半径