光学光的干涉

光学光的干涉第1页，课件共44页，创作于2023年2月1、光学的研究内容研究光的本性；研究光的产生、传输与接收规律；研究光与物质的相互作用；研究光学的应用。光学发展简史2、光的两种学说牛顿的微粒说光是由微粒组成的，与普通的实物小球一样遵循相同的力学规律。微粒说可以很好的说明光的直线传播和反射定律，折射定律。第2页，课件共44页，创作于2023年2月光的波动说能说明光的反射和折射定律。杨氏、菲涅耳、傅科以及麦克斯韦建立的电磁场理论，为光的波动说建立了坚实的实验和理论基础。惠更斯原理：波到达的任意点都可以看作新的振动中心，安们发出球面次波，这些次波的包络面就是新的波面。惠更斯的波动说光是机械波，在弹性介质“以太”中传播。第3页，课件共44页，创作于2023年2月4、光学的分类几何光学以光的直线传播和反射、折射定律为基础，研究光学仪器成象规律。物理光学以光的波动性和粒子性为基础，研究光现象基本规律。波动光学——光的波动性：研究光的传输规律及其应用的学科量子光学——光的粒子性：研究光与物质相互作用规律及其应用的学科3、光的本性光的电磁理论——波动性：干涉、衍射、偏振光的量子理论——粒子性：黑体辐射、光电效应、康普顿效应第4页，课件共44页，创作于2023年2月第22章：光的干涉第23章：光的衍射第24章：光的偏振波动光学第5页，课件共44页，创作于2023年2月一、光波1．光波的概念：红外光：λ>0.76μm可见光：0.40μm与0.76μm之间紫外光：λ<0.40μm22.2相干光2．光的颜色：单色光——只含单一波长的光：激光复色光——不同波长单色光的混合：白光3．光的速度与折射率：v=c/n第6页，课件共44页，创作于2023年2月二、光矢量1．光矢量电场强度E的振动称为光振动，电场强度称为光矢量。2．光强光的平均能流密度，表示单位时间内通过与传播方向垂直的单位面积的光的能量在一个周期内的平均值

I=E02三、光的干涉现象1．什么是光的干涉现象两束光的相遇区域形成稳定的、有强有弱的光强分布。2．相干条件①振动方向相同②振动频率相同③相位相同或相位差保持恒定3．相干光与相干光源两束满足相干条件的光称为相干光相应的光源称为相干光源第7页，课件共44页，创作于2023年2月4．明暗条纹条件用相位差表示：明条纹：Δ=±2kk=0,1,2,…暗条纹：Δ=±(2k-1)k=1,2,3,…用波程差表示根据波程差与相位差的关系Δ=2δ/λ明条纹：δ=±kλk=0,1,2,…暗条纹：δ=±(2k-1)λ/2k=1,2,3,…第8页，课件共44页，创作于2023年2月四、相干光的获得1．普通光源的发光机理光波列长度：m结论：普通光源发出的光波不满足相干条件，不是相干光，不能产生干涉现象。特点：同一原子发光具有瞬时性和间歇性、偶然性和随机性，而不同原子发光具有独立性。2．获得相干光源的两种方法原理：将同一光源上同一点或极小区域发出的一束光分成两束，让它们经过不同的传播路径后，再使它们相遇，它们是相干光。方法：分波阵面法：把光波的阵面分为两部分分振幅法：利用两个反射面产生两束反射光SE第9页，课件共44页，创作于2023年2月§22.1杨氏双缝干涉实验一、杨氏双缝干涉托马斯·杨（ThomasYoung）英国物理学家、医生和考古学家，光的波动说的奠基人之一波动光学：杨氏双缝干涉实验生理光学：三原色原理材料力学：杨氏弹性模量考古学：破译古埃及石碑上的文字1、杨氏简介第10页，课件共44页，创作于2023年2月2、杨氏双缝干涉实验装置

1801年，杨氏巧妙地设计了一种把单个波阵面分解为两个波阵面以锁定两个光源之间的相位差的方法来研究光的干涉现象。杨氏用叠加原理解释了干涉现象，在历史上第一次测定了光的波长，为光的波动学说的确立奠定了基础。第11页，课件共44页，创作于2023年2月3、双缝干涉的波程差两光波在P点的波程差为

δ=r2-r1≈dsinθ

δ=dsinθ=±kλ,明纹,相长干涉相位差Δ=2δ/λ=±2kk=0,1,2,…δ=dsinθ=±(2k-1)λ/2,暗纹,相消干涉相位差Δ=2δ/λ=±(2k-1)k=0,1,2,…r2r1OPxdS2S1D4、干涉条纹的位置x=Dtanθ≈Dsinθ（1）明条纹：

δ=xd/D=±kλ

中心位置：

x=±kDλ/dk=0,1,2,…（2）暗条纹：

δ=xd/D=±(2k-1)λ/2

中心位置：

x=±(2k-1)Dλ/(2d)k=1,2,3,…（3）条纹间距：

相邻明纹中心或相邻暗纹中心的距离称为条纹间距

Δx=Dλ/d5、干涉条纹的特点双缝干涉条纹是与双缝平行的一组明暗相间彼此等间距的直条纹，上下对称。Bδ第12页，课件共44页，创作于2023年2月①光源S位置改变：S下移时，零级明纹上移，干涉条纹整体向上平移；S上移时，干涉条纹整体向下平移，条纹间距不变。②双缝间距d改变：当d

增大时，Δx减小，零级明纹中心位置不变，条纹变密。当d

减小时，Δx增大，条纹变稀疏。③双缝与屏幕间距D改变：当D

减小时，Δx减小，零级明纹中心位置不变，条纹变密。当D

增大时，Δx增大，条纹变稀疏。Δx=Dλ/d6、讨论

Δx=Dλ/d（1）波长及装置结构变化时干涉条纹的移动和变化第13页，课件共44页，创作于2023年2月对于不同的光波，若满足k1λ1=k2λ2出现干涉条纹的重叠。④入射光波长改变：

当λ增大时，Δx增大，条纹变疏；当λ减小时，Δx减小，条纹变密。若用复色光源，则干涉条纹是彩色的。第14页，课件共44页，创作于2023年2月7、光强分布合光强为当I1=I2=I0时当△=±kλ时，

I=Imax=4I0当δ=±(2k-1)λ/2时，

I=Imin=0第15页，课件共44页，创作于2023年2月8、杨氏双缝干涉的应用（1）测量波长：（2）测量薄膜的厚度和折射率：（3）长度的测量微小改变量。例1、求光波的波长在杨氏干涉装置中，双孔间距d=0.233mm，屏幕至双孔的距离D=100cm。用单色光作光源，测得条纹间距△x=2.53mm，求单色光的波长。解：由杨氏双缝干涉条纹间距公式

Δx=Dλ/d可以得到光波的波长为

λ=Δx·d/D代入数据，得λ=589nm第16页，课件共44页，创作于2023年2月一、菲涅耳双面镜引入

菲涅耳提出了的获得相干光的方法。实验装置原理:屏幕上O点在两个虚光源连线的垂直平分线上，屏幕上明暗条纹中心对O点的偏离

x为：明条纹中心的位置暗条纹中心的位置

其他分波阵面干涉装置第17页，课件共44页，创作于2023年2月二、洛埃德镜实验实验装置与原理AB为一背面涂黑的玻璃片，从狭缝S射出的光，一部分直接射到屏幕W上，另一部分经过玻璃片反射后到达屏幕，反射光看成是由虚光源S’发出的，S、S’构成一对相关光源，在屏幕上可以看到明、暗相间的干涉条纹。光栏半波损失原因：当光从光疏介质射向光密介质时，反射光的相位发生了π跃变，或者反射光产生了λ/2附加的光程差，即“半波损失”。解释：光的电磁理论（菲涅耳公式）可以解释半波损失。现象：当屏幕W移至B处，从S和S’到B点的光程差为零，但是观察到暗条纹，验证了反射时有半波损失存在。第18页，课件共44页，创作于2023年2月情况1：n1<n2<n3

有有没有情况2：n1>n2>n3

无无没有情况3：n1<n2>n3

有无有情况4：n1>n2<n3

无有有产生半波损失的条件：光从光疏介质射向光密介质，即n1<n2；半波损失只发生在反射光中；对于三种不同的媒质，两反射光之间有无半波损失的情况如下：n1<n2<n3

无n1>n2>n3

无n1<n2>n3

有n1>n2<n3

有第19页，课件共44页，创作于2023年2月小结光的干涉理论杨氏干涉实验装置干涉条件条纹特点菲涅耳双面镜、洛埃德镜作业：22.2;22.3;22.4第20页，课件共44页，创作于2023年2月一、光程光在介质中的传播光在介质中传播的距离折算成真空中的长度。在介质中传播的波长，折算成真空中波长两光程之差叫做光程差相位差：2、光程差1、光程的引入和光程的概念§22.5光程例1、nPa第21页，课件共44页，创作于2023年2月当用透镜观测干涉时，不会带来附加的光程差。二、透镜不引起附加的光程差干涉条件用相位差表示：用光程差表示：第22页，课件共44页，创作于2023年2月干涉条纹定域在膜附近。条纹形状由膜的等厚点轨迹所决定。一、劈尖1、等厚干涉中薄膜的厚度不均匀，通常观测时常常使用单色光垂直入射到薄膜上，折射角为0，§22.6薄膜干涉(一)----等厚干涉第23页，课件共44页，创作于2023年2月干涉条纹是光程差相同点的轨迹，厚度相同处，光程差相等，形成同一干涉条纹，故得名等厚干涉。对尖劈形薄膜，等厚干涉条纹是一组平行劈棱的直线。二、干涉条纹的特征1、干涉条纹的形状若劈角为θ,则尖劈情形相邻亮纹或暗纹的间距为2、干涉条纹的级次分布薄膜厚的地方，光程差较大，级次高。3、相邻亮纹或相邻暗纹之间膜的厚度差第24页，课件共44页，创作于2023年2月讨论：波长、折射率、劈尖夹角对条纹间距的影响5、应用测量长度是微小改变——干涉膨胀仪：薄膜厚度的测定测定光学元件表面的平整度第25页，课件共44页，创作于2023年2月劈尖表面附近形成的是一系列与棱边平行的、明暗相间等距的直条纹。楔角愈小，干涉条纹分布就愈稀疏。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。劈尖相邻级次的薄膜厚度差为膜内光波长的一半。明纹中心暗纹中心6、结论第26页，课件共44页，创作于2023年2月三、牛顿环用平凸透镜凸球面所反射的光和平晶上表面所反射的光发生干涉，不同厚度的等厚点的轨迹是以O为圆心的一组同心圆。明环中心暗环中心1、实验装置2、干涉公式第27页，课件共44页，创作于2023年2月在实际观察中常测牛顿环的半径r

它与h和凸球面的半径R的关系：略去二阶小量h2并微分得：代入明暗环公式得：明环中心暗环中心4讨论:(1)牛顿环中心为暗环，级次最低。(2)离开中心愈远，程差愈大，圆条纹间距愈小，愈密。其透射光也有干涉，明暗条纹互补。(3)用白光时将产生彩色条纹。3、牛顿环半径5、应用：测量光的波长；测量平凸透镜的曲率半径；检查透镜的质量。oR曲率半径rh第28页，课件共44页，创作于2023年2月例1、工件质量检测ba薄膜干涉应用举例一、检验工件表面平整度第29页，课件共44页，创作于2023年2月例2、用等厚干涉法测细丝的直径d。取两块表面平整的玻璃板，左边棱迭合在一起，将待测细丝塞到右棱边间隙处，形成一空气劈尖。用波长0的单色光垂直照射，得等厚干涉条纹，测得相邻明纹间距为L，玻璃板长D，求细丝的直径。解：相邻明纹的高度差d第30页，课件共44页，创作于2023年2月例3、增透膜和增反膜对于同一厚度的薄膜，在某一方向观察到某一波长对应反射光相干相长，则该波长在对应方向的透射光一定相干相消。因为要满足能量守恒。增透膜、增反膜用在光学仪器的镜头上，就是根据这个道理。6、应用：测定薄膜的厚度；测定光的波长；提高或降低光学器件的透射率——增透膜(增反膜)。

第31页，课件共44页，创作于2023年2月例3．如图所示，在折射率为1.50的平板玻璃表面有一层厚度为300nm，折射率为1.22的均匀透明油膜，用白光垂直射向油膜，问：

1)哪些波长的可见光在反射光中产生相长干涉?2)哪些波长的可见光在透射光中产生相长干涉?3)若要使反射光中λ=550nm的光产生相干涉，油膜的最小厚度为多少?解：(1)因反射光之间没有半波损失，由垂直入射i=0，得反射光相长干涉的条件为k=1时红光k=2时故反射中红光产生相长干涉。

紫外第32页，课件共44页，创作于2023年2月(2)对于透射光，相干条件为：k=1时红外k=2时青色光k=3时紫外(3)由反射相消干涉条件为：显然k=0所产生对应的厚度最小，即第33页，课件共44页，创作于2023年2月一、薄膜干涉1、引言：薄膜干涉属于分振幅法2、实验装置在一均匀透明介质n1中放入上下表面平行，厚度为

h的均匀介质n2

,n1<n2光1与光2的光程差为：有半波损失。n1n2n1BAChD12ri§22.7薄膜干涉(二)-----等倾干涉第34页，课件共44页，创作于2023年2月3、光程差由折射定律和几何关系可得出：代入得出：即：或写为：结论：相同的入射角对应同一级条纹。因此，称它为薄膜等倾干涉。光与光相遇在无穷远，或者在透镜的焦平面上观察它们的相干结果，所以称它为定域干涉。n1n2n1BAChDri第35页，课件共44页，创作于2023年2月入射倾角相同的光在膜内的、折射角r相同，光程差相同，应处于同一干涉条纹，因为得名等倾干涉。级次高即k值大，对应膜内的折射角r小。2、干涉条纹的级次分布1、干涉条纹的形状二、干涉条纹的特征第36页，课件共44页，创作于2023年2月随着膜内折射角增大，入射角增大，条纹级次降低，即同心的等倾干涉条纹，中心处的条纹较稀疏，间距较大，外沿处的条纹较密，间距较小。薄膜的厚度增大时，干涉条纹一个一个从中心冒出来，反之厚度减小时，干涉条纹一个一个缩向中心消失。4、薄膜厚度改变时，干涉条纹的移动规律3、干涉条纹间距相邻条纹的光程差之差为一个波长，对光程差公式求微分第37页，课件共44页，创作于2023年2月一、迈克耳孙干涉仪的结构及原理G1和G2是两块材料相同厚薄均匀、几何形状完全相同的光学平晶。G1一侧镀有半透半反的薄银层。与水平方向成45o角放置；G2称为补偿板。在G1镀银层上M1的虚象M1’二、迈克耳孙干涉仪的干涉条纹一束光在A处分振幅形成的两束光1和2的光程差，就相当于由M1’和M2形成的空气膜上下两个面反射光的光程差。§22.8迈克耳孙干涉仪fG1G2M1M2光源1212第38页，课件共44页，创作于2023年2月fG1G2M1M2光源1212M1与M2严格垂直——薄膜干涉1，2两束光的光程差等倾干涉，干涉条纹为明暗相间的同心圆环。=明条纹暗条纹干涉圆环中心，i=0k自内向外依次递减e增大时有条纹冒出当e