第十八波动光学演示文稿

第十八波动光学演示文稿目前一页\总数五十页\编于十八点（优选）第十八波动光学目前二页\总数五十页\编于十八点解释与实物作用过程（光的吸收与发射）中发生的现象解释传播过程（反射、折射、干涉、衍射和偏振）中发生的现象本章主要介绍光的波动性，光的粒子性在近代物理中介绍赫兹实验证实了光是电磁波的预言19世纪60年代麦克斯韦电磁波理论光电效应、康普顿效应等不能用波动说解释20世纪初波动理论遭遇困难光具有波粒二象性表现为粒子表现为波动目前三页\总数五十页\编于十八点第一部分光的干涉目前四页\总数五十页\编于十八点§18-5迈克耳孙干涉仪§18-4由分振幅法产生的光的干涉§18-3光程和光程差薄透镜的一个性质§18-2由分波阵面法产生的光的干涉§18-1光源光的相干性目前五页\总数五十页\编于十八点教学基本要求1.理解获得相干光的方法。3.能分析、确定杨氏双缝干涉条纹及薄膜等厚干涉条纹的位置。4.理解迈克耳孙干涉仪的工作原理。2.掌握光程的概念以及光程差和相位差的关系。目前六页\总数五十页\编于十八点一.光源发射光波的物体1.热辐射加热维持物体的温度，辐射就能持续进行下去，称为热辐射。光波就是电磁波，任何物体都辐射电磁波。白炽灯太阳§18–1光源光的相干性目前七页\总数五十页\编于十八点

电致发光2.发光需依靠一些激发过程获得能量维持辐射

光致发光

化学发光半导体发光二极管闪电荧光玩具节能灯萤火虫霓虹灯目前八页\总数五十页\编于十八点3.同步辐射光源在同步辐射加速器中速度接近光速作环形运动的电子迅速损失能量产生的辐射特点：方向性好、亮度高，还具有连续性、优异的准直性和易脉冲化等特性应用：为晶体结构研究，生物大分子和生物蛋白的结构研究提供了高性能的光源北京的正负电子对撞机可提供同步辐射光目前九页\总数五十页\编于十八点1.普通光源（非激光光源）的发光机理原子发出的每一列光波是一段有限长的、振动方向一定、振幅不变或缓慢变化的正弦波。波列波列长L=c二.光的相干性每一波列持续时间约为普通光源发出的光是由构成光源的大量原子或分子运动状态改变时发出的。波列长度的数量级为L=0.1m因波列持续时间过短，两波列的干涉现象无法觉察。目前十页\总数五十页\编于十八点不同原子发的光同一原子先后发的光

同一原子先后发出的波列振动方向和频率不一定相同，相位间无固定关系。

不同原子发出的波列振动方向和频率也不一定相同，相位间无固定关系。

两列波为相干波的条件：频率相同，振动方向相同，在相遇点有恒定的相位差。

结论：两个独立光源发出的光波或同一光源两部分发出的光波在相遇区观察不到干涉现象。目前十一页\总数五十页\编于十八点2.相干光的获得方法为实现光的干涉，可以从同一波列分离出两个波列再令其重叠发生干涉。为得到明显的干涉现象，还必须满足：在相遇点两列光波的光程（几何路程与介质折射率的乘积）不能相差太大在相遇点两列光波的振幅不能相差太大光程差r1n1-r2n2相干长度一波列长应尽量接近路程r1路程r2介质折射率n2介质折射率n1目前十二页\总数五十页\编于十八点通常产生相干光源的两种方法：

分波阵面法

分振幅法利用并排的孔或缝或利用反射和折射将入射光的波阵面分成两部分。利用两种透明介质的分界面对入射光的反射和透射，将入射光的振幅分成两部分。目前十三页\总数五十页\编于十八点3.目前最好的相干光源——激光光源激光的波列长度比普通光源长得多，例如氦氖激光器产生的激光相干长度可达几千米，再加上良好的单色性和方向性等，能产生易于观察和测量的干涉现象。一个正在辐射激光的激光器激光产生的全息图像目前十四页\总数五十页\编于十八点一.杨氏双缝实验S1S2S接收屏上形成的干涉图样狭缝视为缝光源光源双缝接收屏缝光源S产生柱面波，双缝S1和S2与S等距，位于同一波阵面上，相位相同，成为相干光源，发出的子波在相遇区发生干涉。§18-2

由分波阵面法产生的光的干涉目前十五页\总数五十页\编于十八点因D>>d，S1、S2发出的光波到P

点的波程差为=dsindtanOP=x，

r1-

r2=S2B1.单色光入射时屏上明暗相间干涉条纹位置的计算垂直于缝长的平面内同相面P·r1r2xxDOS1S2MBd波程差计算狭缝缝光源目前十六页\总数五十页\编于十八点若即初相相同的两相干波叠加后加强与减弱的条件为合振幅最大合振幅最小出现明条纹若即出现暗条纹明条纹级次暗条纹级次目前十七页\总数五十页\编于十八点2.杨氏双缝干涉的特点单色光干涉，相邻明条纹（或暗条纹）的间距为干涉条纹等距离分布白光干涉，只有中央明条纹是白色，其它条纹发生重叠，形成彩色条纹明条纹间距明条纹间距中央明纹干涉条纹间距与单色光波长成正比目前十八页\总数五十页\编于十八点二.菲涅耳双镜实验

S1和S2相当于两个相干光源相邻明条纹（或暗条纹）的间距为屏上出现明暗条纹的条件与杨氏实验结果的类似光源接收屏M1中镜像M2中镜像镜面目前十九页\总数五十页\编于十八点例题18-1菲涅耳双镜ε=10-3rad，单色线光源S与两镜交线平行，r=0.5m，λ=500nm，L=2m。(1)求屏上两相邻明条纹的间距；(2)若ε=10-2rad，问条纹间距将怎样改变？解（1）cosε≈1，sinε≈ε=10-3（2）当ε=10-2rad时，有

ε变大时，条纹间距将变小，要获得较大的条纹间距，ε必须很小。目前二十页\总数五十页\编于十八点三.劳埃德镜实验平面镜MM’下表面涂黑，光仅从上表面反射

S和S’相当于两个相干光源实验结果表明：反射光的相位改变了，称为半波损失干涉条纹与杨氏实验结果的类似光源MM’中镜像小平面镜接收屏此处出现暗条纹目前二十一页\总数五十页\编于十八点光从光疏介质（折射率较小）向光密介质（折射率大）表面入射时，如果入射角接近（掠入射）或为（正入射），则反射光的相位改变

，即出现半波损失。理论和实验证明：n2n1正入射n2>n1掠入射法线目前二十二页\总数五十页\编于十八点例题18-2劳埃德镜实验中，线光源S1到镜面的垂距为1mm，D为1.5m，MM’=D/2，M’O为D/4。（1）求干涉区域上下两边到屏中心距离OA和OB；（2）若λ=600nm，求相邻明条纹间距，并问屏上能观察到几条明条纹？S1S2MM'dABOCD解（1）由三角形相似，有OA=3mm，OB=0.333mm得目前二十三页\总数五十页\编于十八点（2）与杨氏实验相比，得相邻明纹间距为由于有半波损失，光程差应为明纹位置x应满足目前二十四页\总数五十页\编于十八点第一级明纹位置x1=0.225mm<OB，在干涉区外，观察不到；将OB=0.333mm代入，得将OA=3mm代入，得k=7.17所以在屏上可以看到2，3，4，5，6和7级，共6条干涉明纹。目前二十五页\总数五十页\编于十八点设为单色光的频率，c为光在真空中的传播速度，v1为光在折射率为n1的介质中的传播速度。折射率的定义为设、1分别为光在真空中、介质中的波长，则一.光在介质中的波长§18-3

光程和光程差薄透镜的一个性质目前二十六页\总数五十页\编于十八点频率为初相相同的两相干光源S1、S2

的振动方程可写为两列波在P点引起的振动为二.光程、光程差PS2

n1r1

r2

n2S1这两列波在P点的相位差为光程差目前二十七页\总数五十页\编于十八点SPn'

n''

r'

r''

折射率与几何路程的乘积nr

称为光程n'

r'+n''

r''

光在介质中所走过的路程折算成相同时间内光在真空中的路程在折射率为n

的介质中光传播的速度为v

，光在介质中走过路程为r，所需要的时间为r/v

，在相同的时间内，光在真空中走过的路程为S到P的光程为光程光波经过两种介质目前二十八页\总数五十页\编于十八点相互加强相互减弱相互加强相互减弱两相干光波在相遇点处的相位差及干涉条件为两相干光波在同一介质中传播时，相位差仅决定于波程差δ=r2-

r1两相干光波在不同介质中传播时，相位差应决定于光程差δ=n2

r2-n1

r1干涉条件为目前二十九页\总数五十页\编于十八点当光波波阵面垂直光轴时，光线通过透镜，会聚点上光相互加强产生亮点，这表明各条光线相位相同。三.薄透镜的一个性质ABFS平行光会聚于焦点焦点发出的光成平行光焦面光轴同相面焦面光轴同相面AB目前三十页\总数五十页\编于十八点结论：理想的薄透镜不会引起附加光程差ABCDEPSS’SS’物距大于焦距物距小于焦距平行光汇聚于焦平面目前三十一页\总数五十页\编于十八点分振幅法利用薄膜的两个表面经反射，把入射光的振幅分解为两部分，相遇而产生干涉，这种干涉也叫薄膜干涉。油膜肥皂泡§18-4

由分振幅法产生的光的干涉目前三十二页\总数五十页\编于十八点一.平行平面膜产生的干涉光线2和光线3的光程差为123ABC面光源薄膜透镜Nr目前三十三页\总数五十页\编于十八点P点出现明暗纹的条件为由几何关系得折射定律目前三十四页\总数五十页\编于十八点如果薄膜是等厚膜，光程差只决定于入射角，相同入射角的光线光程差相同，形成同一干涉条纹——等倾干涉条纹。*等倾干涉条纹半透明玻璃片面光源透镜焦面干涉图样等厚薄膜垂直入射目前三十五页\总数五十页\编于十八点反射光互相减弱时（约为入射光的1.3%），光程差为dn3=1.50n2=1.38n1=1空气MgF2玻璃12平行平面薄膜干涉的应用增透膜为减弱反射光，在光学元件表面镀的一层厚度适当的透明介质膜照相机镜头n2d

称为光学厚度目前三十六页\总数五十页\编于十八点增透膜用于冷光镜对红外光增透，降低光线的热效应，如用在电影放映机的光源上。增透膜红外光可见光反光镜例如对波长0=550nm的绿光，当光学厚度为n2d=30/4=412nm时，反射率最小，但此时该薄膜对其它波长的光，反射率一般不是最小。目前三十七页\总数五十页\编于十八点多层反射膜（高反射膜）镀膜也可增加反射，减少透射。每层膜反射光的光程差为…1.382.351.382.351.5玻璃ZnSZnSMgF2MgF20He-Ne激光器的反射镜采用多层反射膜使波长为632.8nm的激光反射率高达99%以上镀膜的反射镜目前三十八页\总数五十页\编于十八点两玻璃板形成一很小夹角，两板间充满空气或其它流体，形成了劈形膜。二.劈尖（劈形膜）产生的干涉2反射光的干涉条纹此处厚度为dC上表面反射光下表面反射光1棱边设劈尖中流体的折射率为n

，反射光2有半波损失，则反射光1和2光程差为设流体折射率n小于玻璃折射率目前三十九页\总数五十页\编于十八点在厚度d

处出现明、暗纹的条件为对应于各级明、暗纹的厚度分别为棱边处为暗纹棱边处为明纹两反射光间有半波光程差两反射光间无半波光程差劈尖中流体的折射率和其两侧介质折射率的影响目前四十页\总数五十页\编于十八点设l表示两相邻的明纹或暗纹之间距离，为劈尖夹角，有如下关系式lθdkdk+1ndk+1-dk两相邻明纹间距两相邻明纹处劈尖厚度差目前四十一页\总数五十页\编于十八点不同波长的光其干涉条纹宽度不同，波长越长，条纹越宽。讨论：同一干涉条纹具有相同厚度，因而当劈尖表面凸凹不平时，会出现条纹弯曲。同一波长的入射光，越小，

l越大（条纹越宽）；

越大，

l越小（条纹越细）。目前四十二页\总数五十页\编于十八点两块标准平晶产生的等厚干涉条纹两块有缺陷平晶产生的等厚干涉条纹目前四十三页\总数五十页\编于十八点例题18-3制造半导体元件时，常需要精确测定硅片上二氧化硅(SiO2)薄膜的厚度d

'

，这可用化学方法把SiO2薄膜的一部分腐蚀成劈尖形，若单色光从空气垂直入射，已知入射光波长λ=589.3nm，SiO2的折射率n=1.5，Si的折射率为3.42，若观察到如图所示的7条明纹，问SiO2膜的