5.1光的干涉.ppt

1、,第五章光的波动性,1801年，英国物理学家托马斯杨在实验室里成功的观察到了光的干涉现象,光学是物理学中最古老的一个基础学科，又是当前科学研究中最活跃的学科之一。随着人类对自然的认识不断深入，光学的发展大致经历了萌芽时期、几何光学时期、波动光学时期、量子光学时期、现代光学时期等5个时期。,光学的发展简介：,光是什么？ 在物理学的发展史上，光是什么的问题经历过很长一段时间的争论，包括牛顿、惠更斯和爱因斯坦在内的大批科学家均参与其中。正是他们大量的争论，推动了光学的发展。,光的直线传播,光的反射,光的折射,大量事实证明，光是直线前进的，可能是一个微小的粒子。,我们如果能看到光发生干涉、衍射等现象，

2、具有波特有的性质，那么我们就可以说光是一种波。,光学的发展简介：,1、萌芽时期,我国的光学发展萌芽时期： （1）、对光的直线传播的认识 早在春秋战国时墨经已记载了小孔成像的实验 （2）、对视觉和颜色的认识 （3）、光的反射和镜的利用 （4）、对大气光学现象的探讨 （5）、关于成影现象的认识,光学的发展简介：,2、几何光学时期,这一时期可以称为光学发展史上的转折点。在这个时期建立了光的反射定律和折射定律，奠定了几何光学的基础。同时为了提高人眼的观察能力，人们发明了光学仪器，第一架望远镜的诞生促进了天文学和航海事业的发展，显微镜的发明给生物学的研究提供了强有力的工具。,牛顿于公元1704年出版的光

3、学，提出了光是微粒流的理论，他认为这些微粒从光源飞出来。,光学的发展简介：,3、波动光学时期,19世纪初，波动光学初步形成，其中托马斯杨圆满地解释了“薄膜颜色”和双狭缝干涉现象。菲涅耳于1818年以杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，由此形成了今天为人们所熟知的惠更斯-菲涅耳原理，用它可圆满地解释光的干涉和衍射现象，也能解释光的直线传播。,惠更斯反对光的微粒说，1678年他在论光一书中从声和光的某些现象的相似性出发，认为光是在“以太”中传播的波所谓“以太”则是一种假想的弹性媒质，充满于整个宇宙空间，光的传播取决于“以太”的弹性和密度运用他的波动理论中的次波原理，惠更斯不仅成功地解释了反射和折射定律，

4、还解释了方解石的双折射现象但惠更斯没有把波动过程的特性给予足够的说明，他没有指出光现象的周期性，他没有提到波长的概念,光到底是什么？,17世纪明确形成了两大对立学说,牛顿,惠更斯,微粒说,波动说,19世纪初证明了波动说的正确性,由于波动说没有数学基础以及牛顿的威望使得微粒说一直占上风,19世纪末光电效应现象使得爱因斯坦在20世纪初提出了光子说：光具有粒子性,这里的光子完全不同于牛顿所说的“微粒”,光学的发展简介：,4、量子光学时期,19世纪末到20世纪初，光学的研究深入到光的发生、光和物质相互作用的围观机制中。光的电磁理论主要困难是不能解释光和物质相互作用的某些现象，例如，炽热黑体辐射中能量按

5、波长分布的问题，特别是1887年赫兹发现的光电效应。,1900年，普朗克从物质的分子结构理论中借用不连续性的概念，提出了辐射的量子论。他认为各种频率的电磁波，包括光，只能以各自确定分量的能量从振子射出，这种能量微粒称为量子，光的量子称为光子。,1905年，爱因斯坦运用量子论解释了光电效应。他给光子作了十分明确的表示，特别指出光与物质相互作用时，光也是以光子为最小单位进行的。,光学的发展简介：,5、现代光学时期,从20世纪中叶起，随着新技术的出现，新的理论也不断发展，已逐步形成了许多新的分支学科或边渊学科，光学的应用十分广泛。几何光学本来就是为设计各种光学仪器而发展起来的专门学科，随着科学技术的

6、进步，物理光学也越来越显示出它的威力，例如光的干涉目前仍是精密测量中无可替代的手段，衍射光栅则是重要的分光仪器，光谱在人类认识物质的微观结构(如原子结构、分子结构等)方面曾起了关键性的作用，人们把数学、信息论与光的衍射结合起来，发展起一门新的学科傅里叶光学，把它应用到信息处理、像质评价、光学计算等技术中去。特别是激光的发明，可以说是光学发展史上的一个革命性的里程碑，由于激光具有强度大、单色性好、方向性强等一系列独特的性能，自从它问世以来，很快被运用到材料加工、精密测量、通讯、测距、全息检测、医疗、农业等极为广泛的技术领域，取得了优异的成绩。此外，激光还为同位素分离、储化，信息处理、受控核聚变、

7、以及军事上的应用，展现了光辉的前景。,5.1光的干涉,一、双缝干涉,双缝干涉实验证明光是一种波,1、装置特点：,2、,屏上形成的明暗相间条纹叫做干涉图样,2）双缝很近 0.1mm,1）双缝S1、S2到单缝S的距离相等,双缝的作用是获得两个振动情况完全相同的光源，叫相干光源(频率相同),双缝的作用：,单缝的作用：,获得线光源,第二条亮纹,第一条亮纹,第一条亮纹,第二条亮纹,白光的干涉图样,明暗相间的彩色条纹； 中央为白色亮条纹； 干涉条纹是以中央亮纹为对称点排列的； 在每条彩色亮纹中红光总是在外侧，紫光在内侧。,单色激光束,屏,等间距,双缝干涉图样,图样有何特征？,S1,S2,亮条纹的中心线,亮

8、条纹的中心线,双缝,中央亮条纹,明暗相间,亮条纹,亮条纹,探究： 出现明暗相间条纹的条件,S1,S2,光程差：,出现亮条纹的条件,（ n=0，1，2，3）,暗条纹,探究： 出现暗条纹的条件,S1,S2,光程差：,出现暗条纹的条件,（ n=0，1，2，3）,亮条纹,暗条纹,小结：出现亮条纹和暗条纹的条件,（ n=0，1，2，3）,（ n=0，1，2，3）,白光的干涉图样,明暗相间的彩色条纹； 中央为白色亮条纹； 干涉条纹是以中央亮纹为对称点排列的； 在每条彩色亮纹中红光总是在外侧，紫光在内侧。,为什么会是这样的呢？,条纹间距x、缝宽d和缝屏距离L的关系：,P85发展空间,因为，由结论可知：各种色

9、光的波长不相同，由不同的色光作光源，在双缝宽度和缝、屏宽度相同的情况下，形成的干涉图样的条纹间距是各不相同的，红光的条纹间距最宽，紫光的最窄。,条纹间距x、缝宽d和缝屏距离L的关系：,二、薄膜干涉,单色光成单色条纹；复色光成彩色条纹,二、薄膜干涉,形成干涉图样的原因是：重力作用下，薄膜的厚度随高度变化，当入射光射到肥皂泡液薄膜上时，由液膜前的两个表面反射回来的两列光是相干光，相互叠加产生干涉。,三、应用,1、干涉法检查平面的平整度,视频：干涉的应用,牛顿环,楔性空气薄层,标准样板,被检测平面,光在空气层的上下表面发生反射,这两束反射光发生干涉.,如果被检测表面的平整的,将看到与底线平行的干涉条

10、纹.,原因是厚度相等的地方，光程差一样、干涉情况一样，即某一处反射回来的两列波叠加，若光振动加强，产生亮点，那些与这处厚度相等的地方都是亮点，这些亮点组成彼此平行的亮纹,反之是暗纹,三、应用,1、干涉法检查平面的平整度,例、如图所示，是用干涉法检查某厚玻璃的上表面是否平整的装置，所用单色光做光源，检查中所观察到的干涉条纹是由下列两个表面反射的光线叠加而成的？ A、a的上表面和b的下表面 B、a的上表面和b的上表面 C、a的下表面和b的上表面 D、 a的下表面和b的下表面,C,练习：如右图是用干涉法检查某种厚玻璃的上表面是否平的装置，所用单色光是用普通光源加滤光片产生的，检查中所观察到的干涉条纹

11、是由哪两个表面反射的光叠加而成的( )Aa的上表面和b的下表面 Ba的上表面和b的上表面Ca的下表面和b的上表面Da的下表面和b的下表面,三、应用,2、增透膜,在镜头前面涂上一层增透膜(一般是,微溶于水),如果膜的厚度等于某单色光在增透膜中波长的四分之一时,那么在这层膜的两侧反射回去的光就会发生干涉，形成暗条纹,从而相互抵消,你在镜头前将看不到一点反光，因为根据能量守恒，这束光已经全部穿过镜头了。 为什么我们从来没有看到没有反光的镜头? 原因很简单，因为可见光有七种颜色，而膜的厚度是唯一的，所以只能照顾到一种颜色的光让它完全进入镜头。 一般情况下都是让绿光全部进入的，这种情况下，你在可见光中看

12、到的镜头反光其颜色就是红色、蓝紫色，因为这反射光中已经没有了绿光。 膜的厚度也可以根据镜头的色彩特性来决定。 可见增透膜的作用是减少反射光的强度，从而增加透射光的强度，使光学系统成像更清晰。,镀层薄膜,三、应用,3、反射膜,反射膜一般可分为两大类，一类是金属反射膜，一类是全电介质反射膜。此外，还有把两者结合起来的金属电介质反射膜。 金属反射膜的优点是制备工艺简单，工作的波长范围宽；缺点是光损大，反射率不可能很高。为了使金属反射膜的反射率进一步提高，可以在膜的外侧加镀几层一定厚度的电介质层，组成金属电介质反射膜。需要指出的是，金属电介质射膜增加了某一波长（或者某一波区）的反射率，却破坏了金属膜中性反射的特点。 全电介质反射膜是建立在多光束干涉基础上的。与增透膜相反，在光学表面上镀一层折射率高于基体材料的薄膜，就可以增加光学表面的反射率。最简单的多层反射是由高、低折射率的二种材料交替蒸镀而成的,每层膜的光学厚度为某一波长的四分一。在这种条件下，参加叠加的各界面上的反射光矢量，振动方向相同。合成振幅随着薄膜层数的增加而增加。,太阳灶用反射膜,练习：有关光学仪器上镜头的增透膜，下列说法正确的是：A增透膜是为了减少光的反射损失而增强透光的强度；B增透膜的厚度等