大学物理学 第一卷 经典物理基础 第6版 课件 9 光的干涉

第三节分振幅薄膜干涉第二节分波前干涉第一节光波及其相干性CollegePhysics

大学物理第九章

光的干涉

本章核心内容CollegePhysics

大学物理1.光波发生干涉的条件。2.光程与光程差。3.分波前干涉条纹特征与规律。4.薄膜干涉特征。5.空气劈尖干涉的特征与规律。6.牛顿环的特征、规律。光学的研究对象经典光学：1、几何光学光的传播、反射、折射、成像等。2、物理光学①波动光学：光的干涉、衍射、偏振等。②量子光学：光的吸收、散射、色散、光的本性等。现代光学①激光光学：激光物理、激光技术、激光应用等。②全息光学：光学全息与信息处理等。③晶体光学：光波在晶体中的传播及晶体的电光效应等。④集成光学：集成光路理论及制造等。⑤傅立叶光学：光学傅立叶分析、傅立叶变换等。⑥激光光谱学：物质微观结构及分子运动规律的分析等。⑦非线性光学：光学介质与强光的相互作用。瞬态光学、光纤通信、光信息存储、受激拉曼散

射、受激布里渊散射、飞秒激光……

一.光是一种电磁波平面电磁波方程

光矢量用矢量表示光矢量

它在引起人眼视觉和底片感光上起主要作用.

真空中的光速可见光的范围

波动方程第一节光波及其相干性二.波的叠加原理第一节光波及其相干性（1）波的独立传播性几列波相遇之后，仍然保持它们各自原有的特征（频率、波长、振幅、振动方向等）不变，并按照原来的方向继续前进，好像没有遇到过其他波一样.（2）叠加原理在相遇区域内任一点的振动，为各列波单独存在时在该点所引起振动位移的矢量和.三.相干光第一节光波及其相干性1.普通光源的发光机制原子能级及发光跃迁基态激发态P21

普通光源发光特点：原子发光是断续的，每次发光形成一长度有限的波列,各原子各次发光相互独立，各波列互不相干。2.光的相干条件讨论频率相同的两列光波的叠加p···12r1r2P点:在交叠区P点的光强为：E1E2

第一节光波及其相干性

非相干光源I=I1

+I2—非相干叠加，无光强的明暗变化

相干光源

相干条件：(2)频率相同(3)有恒定的位相差(1)振动方向相同当两列(或几列)满足一定条件的光波在某区域同时传播时空间某些点的光振动始终加强；

某些点的光振动

始终减弱，在空间形成一幅稳定的光强分布图样，称为光的干涉现象。—相干叠加第一节光波及其相干性A.分波面法*光源

p点的相位差由r1和r2决定，与波列本身的初相位无关。用双孔实现波前分割，巧妙锁定了光源S1和S2的相位关系,获得了两个相干光源。3、相干光的产生第一节光波及其相干性B.分振幅法入射光在界面反射和折射时，它所携带的能量一部分反射，一部分透射，而能流密度正比于振幅的平方，所以可以形象地说成振幅被分割了—分振幅法第一节光波及其相干性p薄膜S*一.杨氏双缝干涉实验2.实验装置1.分波前干涉的重要性第二节分波前干涉-----波程差相消干涉条件相长干涉条件PxOS1S2明纹暗纹结论第二节分波前干涉3.明暗条纹形成的条件屏上的P点：S1S2dDxOP4、明暗条纹位置坐标的计算第二节分波前干涉xOS1S2dDP明纹的位置暗纹的位置xI2级暗纹-2级暗纹-1级暗纹1级暗纹级别0级明纹1级明纹-1级明纹2级明纹-2级明纹间距第二节分波前干涉讨论：条纹间距①D改变,条纹如何变化？②

与的关系如何？

一定时，-1级暗纹2级暗纹1级暗纹-2级暗纹1级明纹0级明纹-1级明纹2级明纹-2级明纹③

一定时，

若

变化,则将怎样变化？第二节分波前干涉光在真空中的速度光在介质中的速度真空中的波长介质的折射率介质中的波长相位差*P*n1二.光程第二节分波前干涉1.光程

=媒质的折射率×几何路程2.光程差

(两光程之差)光程差相位差干涉加强

干涉减弱第二节分波前干涉3.使用透镜不会产生附加光程差S

acb··S物点到像点各光线之间的光程差为零——等光程性第二节分波前干涉nP分析：移动的方向与距离条纹移动的趋势：屏上的干涉条纹移动方向向上。三.测量薄膜的厚度第二节分波前干涉讨论干涉条纹的移动与厚度的关系有介质时，零级条纹没有介质时关键：条纹的移动一定是P点对应的两束相干光的光程发生了变化第二节分波前干涉例1：用薄云母片（n=1.58）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明纹处。如果入射光波长为5500Å，问云母片的厚度为多少？解：原七级明纹P点处插入云母后，P点为零级明纹P0d第二节分波前干涉p薄膜S*分振幅法一、定域干涉和非定域干涉定域干涉：条纹只能在特定区域出现非定域干涉：在两束光波叠加的区域内，处处都在干涉条纹第三节分振幅薄膜干涉考虑到半波损失DC3A1B2LP二、等倾干涉（薄膜干涉）S*第三节分振幅薄膜干涉

反射光的光程差加强减弱PLDC3A1B2光程差是入射角的函数，即光源不同位置发出的光，只要倾角相同，光程差就相同。第三节分振幅薄膜干涉1、干涉成因：r薄膜透镜扩展光源“1”“2”“3”“4”光线“1”、“2”不是相干光！屏处于同一条干涉条纹上的各个光点，是由从光源到薄膜的相同倾角的入射光所形成的，故把这种干涉称为等倾干涉。第三节分振幅薄膜干涉（1）倾角相同的光线形成的干涉光光强相同。（3）厚度一定时，入射角越小，干涉级数越高，所以中心干涉级次最高。（2）焦面上条纹是一组同心圆---定域干涉。2、等倾干涉的特点（4）条纹内疏外密。等倾干涉条纹是一组明暗相间的同心圆环，圆环分布内疏外密；半径大的圆环对应的i

大，而干涉级k低两边微分相邻条纹的宽度

随着入射角的增大；增大；减小；条纹边缘，入射角最大；最小；条纹最密。第三节分振幅薄膜干涉薄膜aa1a2n1n2n3不论入射光的的入射角如何说明：额外程差的确定满足n1<n2>n3(或n1>n2<n3)

产生额外程差满足n1>n2>n3(或n1<n2<n3)

不存在额外程差

增透膜-----能减少反射光强度而增加透射光强度的薄膜。

利用薄膜上、下表面反射光的光程差符合相消干涉条件来减少反射，从而使透射增强。

增透膜和增反膜利用薄膜干涉可以提高光学器件的透光率。反射光相消=增透第三节分振幅薄膜干涉

增反膜-----能减少透射光强度而增加反射光强度

利用薄膜上、下表面反射光的光程差满足相长干涉

因此反射光因干涉而加强。问：若反射光相消干涉的条件中,取k=1膜厚度为多少？此增透膜在可见光范围内有没有增反？例1:已知用波长，照相机镜头n3=1.5，其上涂一层

n2=1.38的氟化镁增透膜，光线垂直入射。第三节分振幅薄膜干涉解：因为，所以反射光经历两次半波损失。反射光相干相消的条件是：代入k和

n2

求得：此膜对反射光相干相长的条件：可见光波长范围400-740nm波长412.5nm的可见光有增反此增透膜在可见光范围内有没有增反？第三节分振幅薄膜干涉单层增透膜的理论依据表明：当膜的折射率满足上式时，反射光的强度为零，光的透射率为100％．对于一般折射率在1.5左右的光学玻璃，为了用单层膜达到100％的增透效果，其膜的折射率为1.22，折射率如此低的镀膜材料很难找到．所以，现在一般都用折射率为1.38的氟化镁(MgF2)镀制单层增透膜．不过对于折射率较高的光学玻璃，单层氟化镁膜能达到很好的增透效果．效果最好——？第三节分振幅薄膜干涉对于增透效果很好的氟化镁膜，仍有约1.3%的光能量被反射，再加之对于其它波长的光，给定膜层的厚度不是这些光在薄膜中的波长的1/4倍，增透效果较差些．在通常情况下，入射光为白光，增透膜只能使一定波长的光反射时相互抵消，不可能使白光中所有波长的光都相互抵消．在选择增透膜时，一般是使对人眼灵敏的绿色光在垂直入射时其反射光相互抵消，这时光谱边缘部分的红光和紫光并没有完全抵消，因此，涂有增透膜的光学镜面呈淡紫色．第三节分振幅薄膜干涉

例2:为了利用光的干涉作用减少玻璃表面对入射光的反射，以增大透射光的强度，常在仪器镜头(折射率为1.50)表面涂敷一层透明介质膜(多用MgF2，折射率为1.38),称为增透膜。若使镜头对人眼和照相机底片最敏感的黄绿光(

=550nm)反射最小，试求介质膜的最小厚度。

按题意氟化镁薄膜厚度的最小值，故应取k=0空气n1=1.00MgF2

n2=1.38玻璃n3=1.50ab第三节分振幅薄膜干涉SM劈尖角1.

劈尖干涉明纹暗纹劈尖干涉在膜表面附近形成明、暗相间的条纹。三、等厚干涉第三节分振幅薄膜干涉讨论（1）棱边处，出现暗条纹干涉条纹为平行于棱边的明暗相间的直条纹。（2）相邻明纹（暗纹）间的厚度差（3）条纹间距（明纹或暗纹）第三节分振幅薄膜干涉劈尖干涉

说明：在入射单色光一定时

劈尖的楔角

越小，则

l越大，干涉条纹越稀疏；

越大，则

l越小，干涉条纹越密集。（4）干涉条纹的移动

每一条纹对应劈尖内的一个厚度，当此厚度位置改变时，对应的条纹随之移动.第三节分振幅薄膜干涉·把劈尖上表面向上缓慢平移，有何现象？因为劈尖角不变，条纹间距不变。·把劈尖角逐渐增大因为劈尖角变大，条纹间距变小。劈尖上表面向上缓慢平移时等光程差处向劈棱处移动，条纹向劈棱处移动。因为劈尖角增大时等光程差处向劈棱处移动，条纹向劈棱处挤。劈尖上总条纹数不变。劈尖上总条纹数变多。第三节分振幅薄膜干涉2）测膜厚度1）干涉膨胀仪劈尖干涉的应用第三节分振幅薄膜干涉空气

3）检验光学元件表面的平整度4）测细丝的直径条纹偏向膜（空气）厚部表示平面上有凸起。平面上有凹坑。第三节分振幅薄膜干涉

例1

有一玻璃劈尖,放在空气中,劈尖夹角,用波长

的单色光垂直入射时，测得干涉条纹的宽度,求玻璃的折射率.解第三节分振幅薄膜干涉例2、测量钢球直径用波长为589.3nm的钠黄光垂直照射长L=20mm

的空气劈尖，测得条纹间距为1.18×10-4

m。求：钢球直径d解：第三节分振幅薄膜干涉

牛顿环实验装置牛顿环干涉图样显微镜SL

M半透半反镜T由一块平板玻璃和一平凸透镜组成2.

牛顿环第三节分振幅薄膜干涉光程差明纹暗纹第三节分振幅薄膜干涉Rrd暗环半径明环半径

干