大学物理 光的干涉 课件.ppt

光 学 概 述,一.光的机械微粒学说(17世纪-18世纪末),代表：牛顿,对立面：惠更斯-波动说,分歧的焦点：光在水中的速度,1850年佛科（Foucauld）测定,微粒说开始瓦解,二.光的机械波动说(19世纪初-后半世纪),二.光的机械波动说（19世纪初-后半世纪）,英国人托马斯.杨(T.Young)和法国人菲涅尔(A.T.Fresnel)通过干涉、衍射、偏振等实验证明了光的波动性及光的横波性。,性质：弹性机械波，在机械以太中传播。,三.光的电磁说（19世纪的后半期-）,19世纪后半期Maxwell建立电磁理论，提出了光的电磁性，1887年赫兹用实验证实。,性质：电磁波在电磁以太中传播,四.光的量子说（20世纪初-）,电磁波动说在解释“热幅射实验”及“光电效应”等实验遇到困难。,1900年普朗克提出了“热幅射量子理论”，爱因斯坦提出了光子理论，将光看成一束粒子流与电磁波动说相抗衡 二者各自统治着自已的领域。,1924年法国人德布罗意（De.Broglie)大胆提出了“物质波”的概念，尔后薛定谔、海森伯等人创建了量子力学，又将二者统一起来。,光是一个复杂的客体，它的本性只能通过它的表现来确定。它的某些方面象波而另一方面象微粒（波粒二象性）。但它既不是经典的波，也不是经典的微粒，也不是二者的混合体。,“山重水复疑无路，柳暗花明又一村”,分类：,1）几何光学-研究光的直线传播及光学仪器的 制造；,2）波动光学-研究光的波动性；,3）量子光学-研究光与物质的相互作用。,从20世纪50年代起，出现了“相干光学”、“纤维光学”、“全息光学与全息技术”.它是既年轻又古老的科学，也是现代技术的基础光学的发展仍可用“方兴未艾，前途无量”来形容,复习 波的干涉,1. 相干条件 同频率、同振动方向、相位差恒定2. 相长与相消干涉条件,第14章 光的干涉,14.1 相干光及其获得 14.2 光程 光程差14.3 分割波面法产生的光的干涉 14.4 分割振幅法产生的光的干涉 14.5 迈克尔逊干涉仪,* 14.6 干涉条纹的可见度 时间相干性与空间相干性,14.1 相干光及其获得,一.光矢量、光强度二.光源、热光源的特点三.光波的叠加,相干叠加与非相干叠加,四.相干光：同频率、同振动方向、相位差恒定,五.相干光的获得 1)分波阵面法 2)分振幅法,14.2 光程 光程差,一.问题的提出二.光程三.干涉加强与干涉减弱的条件,四.透镜的等光程性,在光路中引入透镜不产生附加的光程差,14.3 分割波面法产生的光的干涉,一.杨氏双缝干涉 明暗纹位置,二. 菲涅尔双面镜,三. 洛埃镜实验,干涉条纹的间距,例1：双缝干涉中，双缝间距d=0.5mm，双缝至屏的距离为 D=25cm，若光源是由波长 为400nm 和600nm 的两种单色光组成，则：1.干涉条纹间距分别为多少？2.距中央明纹多远处两种光线的亮纹第一次重合，各为第几级？,解：1.,2. 第一次 重合,例2：双缝干涉中，入射光波长为，双缝至屏的距离为D，在一缝后放一厚为b的透明薄膜，此时中央明纹处仍为明纹，求该明纹的干涉级,解：,O,例3：在杨氏双缝实验中，当作如下调节时，观察屏上的干涉条纹将如何变化并说明理由,1). 2a 不变，D 减小；,2).单色光源S 变成复色缝光源 ；,3).用一云母片盖住任一个缝 ；,4).整个双缝实验装置放入水中,复习： 14-1，2，3预习： 14-4作业： 练习十二,例3：在杨氏双缝实验中，当作如下调节时，观察屏上的干涉条纹将如何变化并说明理由,1).2a 不变，D 减小；,2).单色光源S 变成复色缝光源 ；,3).用一云母片盖住任一个缝；,4).整个双缝实验装置放入水中,第14章 光的干涉,14.1 相干光及其获得 14.2 光程 光程差14.3 分割波面法产生的光的干涉 14.4 分割振幅法产生的光的干涉 14.5 迈克尔逊干涉仪,* 14.6 干涉条纹的可见度 时间相干性与空间相干性,14.1 相干光及其获得,一.光矢量、光强度二.光源、热光源的特点三.光波的叠加,相干叠加与非相干叠加,四.相干光：同频率、同振动方向、相位差恒定,五.相干光的获得 1)分波阵面法 2)分振幅法,14.2 光程 光程差,一.问题的提出二.光程三.干涉加强与干涉减弱的条件,四.透镜的等光程性,在光路中引入透镜不产生附加的光程差,14.3 分割波面法产生的光的干涉,一.杨氏双缝干涉,二.菲涅尔双面镜,三.洛埃镜实验,明暗纹位置,干涉条纹的间距,14-4 分割振幅法产生的光的干涉,薄膜干涉,14-4 分割振幅法产生的光的干涉,一. 薄膜干涉（最典型）,讨论：,1.i 恒定，则,等倾干涉,等厚干涉,2.e 恒定，则,问题：k 能取0 吗？,14-4 分割振幅法产生的光的干涉,一. 薄膜干涉（最典型）,二. 等厚干涉,1.劈尖干涉,设每一干涉条纹对应的薄膜厚度分别为：,明纹,暗纹,(1),1.劈尖干涉,如条纹间距离为,由明纹公式：,(4),(5),(4)式-(3)式:,代入（2）：,A）劈尖的等厚干涉条纹是等间距的,结论：,B）劈尖的棱角 越小，条纹间距越宽,劈尖干涉的应用：,被检体,被检体,1)检查平面与直角：,被检体,被检体,标准角规,标准角规,2）测量微小厚度和微小厚度变化,1)检查平面与直角：,用测微显微镜测出L、l，即可得到d,纸,n2=1,2）测量微小厚度和微小厚度变化,薄膜厚度增加时，条纹下移，厚度减小时条纹上移。,薄膜的 增加时，条纹下移， 减小时条纹上移。,显然，从视场中移动了m个条纹，薄膜厚度改变了：,2）测量微小厚度和微小厚度变化,14-4 分割振幅法产生的光的干涉,一. 薄膜干涉（最典型）,二. 等厚干涉,1.劈尖干涉,条纹为平行于棱边明暗相间等间隔的直条纹，棱边处(e=0)为暗纹,2.增透与增反,问题：组合透镜中，反射光能损失20左右解决办法：在透镜表面镀膜,增反：,增透(减反)：,可由此波长推出要镀膜的厚度,？思考：计算光程差时，什么情况下要加上,3.牛顿环,A-曲率半径很大的凸透镜,1)装置：,B-平面光学玻璃,A,B,干涉图样：,半反射镜,显微镜,r,随着r的增加而变密！,2)定量分析,垂直入射时的干涉条件,明纹(1),暗纹(2),中，n2 = 1,明纹(1),暗纹(2),明环,暗环,代入（1）、（2）式：,3)讨论：, r = 0 的地方，是零级暗纹；, 条纹不是等间距的，越外越小,白光入射时将出现由紫到红的彩色条纹,3)讨论：, r = 0 的地方，是零级暗纹；, 条纹不是等间距的，越外越小, 中间填充介质，仍有一条光线有半波损失,4)应用：,1）测量光波长；,2）检查平面玻璃是否平坦， 凹透镜的曲率是否付合要求,例1.牛顿环的R4.5m，第k级暗环半径,第k+5级暗环半径,求：入射光波长及,条纹级数 k = ?,例2.将平面玻璃片覆在平凹柱面透镜的凹面上,1)若单色平行光垂直照射，从反射光中观察现象，试说明干涉条纹的形状及其分布情况；,2)当照射光波长,时，平凹透镜中央,A处是暗的，然后连续改变照射光波波长直到波长变为,时，A处又重新变暗，,求A处平面玻璃片和柱面之间空气隙的高度,复习： 14-4预习： 14-5，*6作业： 练习十三,第14章 光的干涉,14.1 相干光及其获得 14.2 光程 光程差14.3 分割波面法产生的光的干涉 14.4 分割振幅法产生的光的干涉 14.5 迈克尔逊干涉仪,* 14.6 干涉条纹的可见度 时间相干性与空间相干性,相干光的获得,1.分波阵面法 杨氏双缝干涉2.分振幅法,等厚干涉,1.劈尖干涉,条纹为平行于棱边明暗相间等间隔的直条纹，棱边处(e=0)为暗纹,2.增透与增反,增反：,增透(减反)：,3.牛顿环,白光入射时将出现由紫到红的彩色条纹, r = 0 的地方，是零级暗纹；, 条纹不是等间距的，越外越小, 中间填充介质，仍有一条光线有半波损失,4)应用：,1）测量光波长；,2）检查平面玻璃是否平坦， 凹透镜的曲率是否付合要求,例1.牛顿环的R4.5m，第k 级暗环半径,第k+5 级暗环半径,求：入射光波长及,条纹级数 k = ?,例2.将平面玻璃片覆在平凹柱面透镜的凹面上,1)若单色平行光垂直照射，从反射光中观察现象，试说明干涉条纹的形状及其分布情况；,2)当照射光波长,时，平凹透镜中央,A处是暗的，然后连续改变照射光波波长直到波长变为,时，A处又重新变暗，,求A处平面玻璃片和柱面之间空气隙的高度,例3. 在一洁净的玻璃片上放一滴油，当油滴展开成油膜时，在=600nm的单色光垂直照射下，从反射光中观察到油膜所形成的干涉条纹，若n油=1.2, n玻=1.5, 求：,1)当油膜中的最高点与玻璃上表面相距H=1200nm时，试描述所观察到的条纹特征,2)油膜扩展时，条纹如何变化？,14-5 迈克尔逊干涉仪,一.构造及光路图,透镜,半涂银镜,补偿透镜,反射镜,眼或望远镜,M1,M2,G1,G2,L,E,M1,光源,二.干涉原理,当M2移动半个波长时,光程差改变一个波长,视场中将看到一条条纹移过,当视场中看到N条条纹移过时，M2平移的距离为：,三.应用, 测量微小长度的变化, 测量光波波长, 测折射率 n另外，根据迈克尔逊干涉仪原理发展出了多种适合不同要求的光学干涉仪。如：显微干涉仪(测定表面光洁度)法布里-珀罗干涉仪(测定光谱线波长)气体检测干涉仪测矿井瓦斯或潜水艇中CO2含量还有泰曼干涉仪、马赫-曾德尔干涉仪等,历史上迈克尔逊曾用此干涉仪测定红隔线的波长：,150C.1atm的干燥空气中,1927年国际会议规定：,1983年国际17届计量会议规定：,1960年国际会议规定：,例：迈克尔逊干涉仪两臂中分别加入20cm长的玻璃管，一个抽成真空，一个充以一个大气压的氩气，今以汞光线（=546nm）入射干涉仪，如将氩气抽出，发现干涉仪中条纹移动了205条，求氩气的折射率。,E,M1,M2,G1,G2,L,解：,复习： 第十四章预习： 15-1，2作业： 练习十四,*14-6 时间相干性和空间相干性 (Temporal Coherence and Spatial Coherence ),一.干涉条纹的可见度,1.单色光入射时，只能在中央条纹附近看到 有限的为数不多的 几条干涉条纹,2）单缝或双缝宽度增大时，干涉条纹变得模糊起来,为什么？,2. 可见度：,1）光的干涉除满足同频率、同振动方向、 相位差恒定以外，还要满足：,光程差： L (相干长度),光源线度：,2）光的时间相干性是考虑光波纵向传播的 相干性问题；光的空间相干性是考虑光的 横向传播的相干性问题。,二. 时间相干性,指由原子一次发光所持续的时间来确定的光的相干性问题-,1)两波列的光程差为零,可产生相干叠加,2)两波列的光程差较小，小于波列长度,能参与产生相干叠加的波列长度减小,干涉条纹变模糊了！,P,若是明纹，则明纹不亮；若是暗纹；暗纹不暗,原因：,3)两波列的光程差较大，大于波列长度,波列不能在P点叠加产生干涉。,干涉条纹消失了！,原因：,P,此乃高干涉级条纹看不清或消失的原因之一,结论：产生光的干涉还须加一附加条件：,4）相干时间与谱线宽度有如下关系：,谱线宽度,可见，光的单色性越好，光的相干长度就越长，光的时间相干性也就越好,几种物质的波长、线宽及波列长度,三.空间相干性,光源总是有一定的线度的，当光源线度不大时：,从S和S发出的光产生的干涉条纹叠加后，仍能分辩清楚明暗条纹。,S,S,当光源线度b较大时：,从S和S发出的光产生的干涉条纹叠加后，干涉条纹对比度降低，明暗条纹变得模糊。,S,S,当光源线度b增大到某一限度时：,干涉条纹消失 S和S发出的光的光程差之差为/2,S,S,可见：为了产生清晰的干涉条纹，光源的线度 受到一定限制,.“空间相干反比公式”,称为“相干范围孔径角”,也即 越大，在垂直于光传播的的平面内，任取两点作相干光源的空间范围越大，或空间相干性越好。,注意：对空间相干性，还可这样提出问题：,已知光源的线度b，要问：在光传播的光场中，在多大的横向范围内，任取两点总可作相干光源。,这种横向范围越大，空间相干性也越好。,设一线度为b的光源，波长为，相干孔径角为,事实上，以d为直径的圆面积对光源所张立体角内的空间点都满足上式。d2通常称为相干面积,总结：,1）光的干涉除满足同频率、同振动方向、 相位差恒定以外，还要满足：,光程差： L (相干长度),光源线度：,2）光的时间相干性问题是考虑光波纵向传播 的相干性问题；光的空间相干性是考虑光的 横向传播的相干性问题。,