光学2(薄膜干涉)ppt课件.ppt

有关考试考试时间:12月10日（星期四）14:00-15:40地点：3415,3416（西）考试内容：14、15章占45%；17章占55%（带*章节不属于考试范围）,日常生活中的一些现象,12.3 分振幅干涉,d,反射光线 2，3的光程差：,1、薄膜上、下表面反射光的干涉：,反射光2和3有“半波损失”吗,？,所以2，3的实际光程差为：,反射光2有“半波损失”，3没有！,空气,一、薄膜干涉,（分振幅法获取相干光）,考虑到“半波损失”,干涉明纹,干涉暗纹,等厚干涉：,当入射光的波长一定时，厚度相同的地方干涉结果也相同，这种干涉称为等厚干涉。,膜为何要薄？,光的相干长度所限。膜的薄、厚是相对的，与光的单色性好坏有关。,规律：若三种介质的折射率分别为 并如图排列,如果两束光线都没有半波损失，或者都有半波损失，或者其中一束有偶数次半波损失，则光程差不附加,两束光线，经过不同光程后叠加，如果只有一束光线在传播过程中有半波损失，则光程差应附加 ；,否则必须考虑“半波损失”，即,1,3,2,d,反射光线 2，3的光程差不考虑“半波损失”，即：,说明：,反射光的干涉加强时，透射光的干涉减弱。,2、薄膜中透射光的干涉：,d,透射光线 2，3的光程差,明纹,暗纹,与 相差 ，即：,空气,例,求,解,一油轮漏出的油(n1 =1.20 )污染了某海域，在海水(n2 =1.30 )表面形成一层薄薄的油污。油层厚度为 e =460nm，,(1)若一飞行员从上向下观察， 则油层呈什么颜色？,(2)若某潜水员从水下向上观察，则油层呈什么颜色？,(1)两反射光均有“半波损失”，则反射光干涉加强的条件为,飞行员看到油膜呈绿色,将n1 =1.20 ， e =460nm代入得,绿光,红外区,紫外区,(2)透射光干涉加强（即反射光干涉减弱）的条件为,潜水员看到油膜呈紫红色,将n1 =1.20 ， e =460nm代入得,红光,红外,紫光,或,紫外,d,波长550nm黄绿光对人眼和照像底片最敏感。要使照像机对此波长反射小，可在照像机镜头上镀一层氟化镁MgF2薄膜，已知氟化镁的折射率n1=1.38，玻璃的折射率n2=1.55。,黄绿光反射干涉减弱的条件,MgF2薄膜的最小厚度,例,求,解,MgF2薄膜的最小厚度d。,MgF2,二、薄膜的等厚干涉,一组平行光（即入射角i一定）投射到薄厚不均匀的薄膜上，其光程差随着厚度e而变化，厚度相同的区域，其光程差相同，因而这些区域就出现同一级的干涉条纹，故称为等厚干涉。,S,S,S,1、劈尖干涉,e,明纹,暗纹,棱边处（ e = 0）：,暗纹,为什么不考虑玻璃厚度对光程差的影响,？,因为玻璃板的厚度d为常数，入射角i也等于常数，使得劈尖上、下两界面的反射光在玻璃中经历了同样的光程，所以可以将玻璃简化为一个几何面。,相邻明纹（或暗纹）处劈尖的厚度差：,（ ：条纹间距）,条纹特点：,（2）透射光干涉条纹的明暗位置与反射光情形刚好相反；,（1）明暗相间平行于棱边的直条纹；,（3）相邻明（暗）纹厚度差是劈尖薄膜中的波长的一半；,（4）相邻条纹之间对应的劈尖厚度差或间距l均与有无半 波损失无关，半波损失仅影响何处呈明纹与暗纹。,（5） 越小，L 越大，条纹越稀； 越大，L 越小， 条纹越密。当大到某一值，条纹密不可分，无干涉。,（6）当厚度变化时，干涉条纹会发生移动：薄膜增厚，条 纹向棱边移动；反之，则远离棱边。,(2) 检测表面不平整度,(1)可测量小角度、小位移、微小直径、波长等,劈尖干涉的应用：, 条纹变密；, 条纹变密,例,求,解,在两块玻璃片之间一边放一条厚纸，另一边相互压紧，沿垂直于玻璃片表面的方向看去，看到相邻两条暗条纹间距为1.4mm已知玻璃片长为17.9cm，纸厚为0.036mm。,光波的波长。,两块玻璃之间为空气劈尖，其相邻两条暗条纹间距为,由于很小,例,求,解,为了测量一根细金属丝的直径d，按图办法形成空气劈尖，用单色光照射形成等厚干涉条纹，用读数显微镜测出干涉明条纹的间距，就可以算出d。已知:单色光波长为589.3 nm，金属丝与劈尖顶点的距离L=28.880 mm，第1条明条纹到第31条明条纹的距离为4.295 mm。,由题知,直径,金属丝直径 d,利用等厚干涉可以测量微小的角度。下图为折射率n=1.4的劈尖形介质,用 =700nm的单色光垂直照射，测得两相邻明条纹间距l=0.25cm,由于很小,例,求,解,劈尖角,例 利用空气劈尖的等厚干涉条纹可以检测工 件表面存在的极小的加工纹路， 在经过精密加工的工件表面上放一光学平面玻璃，使其间形成空气劈形膜，用单色光照射玻璃表面，并在显微镜下观察到干涉条纹，,如图所示，试根据干涉条纹的弯曲方向，判断工件表面是凹的还是凸的；并证明凹凸深度可用下式求得 ：,解:如果工件表面是精确的平面,等厚干涉条纹应该是等距离的平行直条纹，现在观察到的干涉条纹弯向空气膜的左端。因此，可判断工件表面是下凹的，如图所示。由图中相似直角三角形可:,所以:,2、牛顿环,（1）牛顿环实验装置及光路,明环半径：,暗环半径：,(2)干涉条纹,牛顿环干涉条纹是一系列明暗相间的、内疏外密的同心圆环。, 测透镜球面的半径R 已知 , 测 m、rk+m、rk，可得R, 测波长 已知R ，测出m、rk+m、rk，可得, 检测透镜的曲率半径误差及其表面平整度, 若接触良好,中央为暗纹 半波损失,(3)应用, 透射图样与反射图样互补,用紫光观察牛顿环时,测得第k级和k+5级暗环的半径分别为,紫光的波长和级数k。,所用透镜的曲率半径,暗环的半径,例,求,解,(1)牛顿环明环半径公式,例,求,解,在牛顿环实验中，透镜的曲率半径为5.0 m，直径为2.0 cm.,(1)用波长5 893 的单色光垂直照射时，可看到多少条干涉条纹？(2)若在空气层中充以折射率为n的液体，可看到46条明条纹，求液体的折射率(玻璃的折射率为1.50).,可见条纹级次越高，条纹半径越大，由上式得,可看到34条明条纹。,(2)若在空气层中充以液体，则明环半径为,可见牛顿环中充以液体后，干涉条纹变密。,对于厚度均匀的薄膜，扩展光源投射到薄膜上的光线的光程差，是随着光线的倾角（即入射角i）不同而变化的。倾角相同的光线都有相同的光程差 ，因而属于同一级别的干涉条纹，这种干涉叫做等倾干涉。,二、薄膜的等倾干涉,反射光2,反射光1,S,1,2,1、光程差的计算,因为,光程差,考虑半波损失,实际光程差为：,明纹,暗纹,L2,P,O,r环,A,C,D,a2,a1,点光源S,B,2、点光源与面光源：,点光源照射,面光源照射,入射角相同的光线分布在锥面上，对应同一级干涉条纹。,面光源上不同点而入射角相同的入射光，都将汇聚在同一级干涉环上（非相干叠加），因而面光源照明比点光源照明条纹明暗对比更鲜明。,（2）形状：一系列同心圆环；,（3）条纹级次分布：,（1）定域：条纹经会聚才能观察，定域为无穷远；,3、条纹特征：,靠近环心的条纹干涉级别高；,（4）条纹间距：入射角增加时，条纹间距减小，内疏外密；,（5）观察等倾条纹，没有光源宽度和条纹可见度的矛盾 !,（6）反射光和透射光的干涉图样互补。,增透膜:,能减少反射光强度而增加透射光强度的薄膜。,4、等倾干涉的应用：,增反膜:,能增加反射光强度而减少透射光强度的薄膜。,多层高反射膜,在玻璃上交替镀上光学厚度均为/4的高折射率ZnS膜和低折射率的MgF2膜，形成多层高反射膜。,美国物理学家，主要从事光学研究，有生之年一直是光速测定的国际中心人物。,(1)1879年他用自己改进了的傅科方法，获 得光速值为299 91050km/s；,(2)1887年的迈克耳孙莫雷实验，否定了以 太的存在，它动摇了经典物理学的基础；,(3)1893年首倡用光波波长作为长度基准；,(4)1920年第一次测量了恒星的尺寸（恒星参宿四 ）；,(5)1907年获诺贝尔物理学奖金。,A. Michelson (1852-1931),四、 迈克耳逊干涉仪,M2,M1,G1,G2,L,M2,1. 干涉仪结构,d,2. 工作原理,光束 1 和 2 发生干涉，光程差：,(无半波损失),加强,减弱,(2) 若M1、M2有小夹角,当M1和M2不平行，且光平行入射, 此时为等厚条纹,(1) 若M1、M2平行,等倾条纹,3. 干涉图像分析,虽然都是环状干涉条纹，但迈克尔逊干涉图样中干涉级数越高半径越小，而牛顿环干涉级数越大半径越大。,牛顿环,迈克尔逊干涉图样,(3)与牛顿环的比较,(5) 应用,1、微小位移测量（误差不超过 / 2）,3、测介质的折射率,2、测波长,用氦氖激光(632.8nm)作光源,迈克耳逊干涉仪中的M1反射镜移动了一段距离,数得干涉条纹移动了792条,例,求,解,M1移动的距离。,若已知光源的波长，利用此方法可以精密测定长度；若已知长度，则可以测定光源的波长。,空气的折射率n 。,在迈克耳孙干涉仪的两臂中，分别插入l=10.0cm 长的玻璃管，其中一个抽成真空，另一个储有压强为1.013105Pa的空气，用以测定空气的折射率n 。设所用光波波长为546nm，实验时，向真空玻璃管中逐渐充入空气，直至压强达到1.013105Pa 。在此过程中，观察到107.2条干涉条纹的移动,例,求,解,设玻璃管充入空气前，两相干光之间的光程差为 1 ，充入空气后两相干光的光程差为2 ，根据题意，有,因为干涉条纹每移动1条，应对于光程变化1个波长，所以,故空气的折射率为,作业：习题册第18单元：选择题4，5，6 填空题3,4,5,6,7 计算题1，2,下周三交，作为平时成绩考核！,