《波动光学干涉》PPT课件.ppt
第 7 章波 动 光 学,20世纪60年代激光问世后，光学有了飞速的发展，形成了非线性光学等现代光学。,几何光学：以光的直线传播规律为基础，研究各种光学仪器的理论。,量子光学：以光的量子理论为基础，研究光与物质相互作用的规律。,波动光学：以光的电磁波本性为基础，研究传播规律，特别是干涉、衍射、偏振 的理论和应用。,7.1 光的干涉,“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。,相干条件：,(2)频率相同,(3)有恒定的位相差,(1)振动方向相同,满足相干条件的光源就称为相干光源。,E1,E2,-自发辐射跃迁,波列长 L=t c,7.1.1 相干光的获得,1.普通光源与激光光源,光源的最基本的发光单元是分子、原子。,（1）普通光源,发光时间t 10-8s,普通光源 每个原子发光是间隙式的;,普通光源不是相干光源,发光频率，光的振动方向，光波的初位相以及光波的传播方向等都可能不同;,它们何时发光完全是不确定的;,普通光源 各个原子的发光是完全独立的,互不相关。,（2）激光光源,激光光源是相干光源,-受激辐射跃迁。,例如:氦氖激光器;红宝石激光器;半导体激光器等等。,完全一样的光子,（频率,相位,振动方向,传播方向都相同）,2.光的单色性,实际原子发光：是一个有限长的波列，不是严格的余弦函数，只能说是准单色光：在某个中心频率（波长）附近有一定频率（波长）范围的光。,衡量单色性好坏的物理量是谱线宽度,理想的单色光：具有恒定单一频率的简谐光波，它是无限伸展的。,例:普通单色光:10-3 10 1nm激光：10-9 10-6 nm,造成谱线宽度的主要原因：,（1）自然增宽：由能级自然宽度形成。,（2）多普勒增宽：分子、原子的热运动引起。,（3）碰撞增宽：碰撞也可增加原子能级宽度。,由于谱线频率的展宽，一般波列的长度只有几厘米或几毫米。,原子处在各激发态有一定的寿命，存在不确定关系：,3.相干光的获得,将光源上同一原子同一次发的光 分成两部分，再使它们叠加。,英国科学家 Thomas Young(1773-1829),7.1.2 杨氏双缝干涉,1 杨氏双缝干涉,（1）条纹(中心)的位置,亮纹条件,在 较小的情况下,k 称为亮纹的级次,亮纹位置,暗纹条件,暗纹位置,相邻两亮纹(或暗纹)之间的距离都是,（2）条纹间距,白光入射时，0级亮纹为白色，其余级亮纹构成彩带，第二级亮纹就会出现重叠（为什么？）。,干涉级次越高重叠越容易发生。,2.复色光源的干涉条纹,相位差在分析光的叠加时十分重要，为便于计算光通过不同媒质时的相位差，引入光程概念。,7.1.3 光程 光程差,真空中波长,媒质中光从a到b相位改变,光通过媒质时频率 不变，但波长要改变，设为。,从相位看：媒质中距离d 包含的波长数与真空中距离nd 包含的波长数相同，即二者产生相同的相差。,nd 在折射率为 n 的媒质中，光走距离 d 的等效真空路程，称为光程,【例】,设两束光经历的光程分别为1和2，这两束光的光程差写作：,如果两相干波源同相位，则这两束光在相遇点引起的两个振动的相位差为,在光学中常用到透镜。,3.透镜近轴光线的等光程性,实验告诉我们：物点到像点各光线之间的光程差为零。,薄膜干涉是分振幅干涉。,等厚条纹同一条纹相应膜的同一厚度。,日常见到的薄膜干涉例子：肥皂泡，雨天地上的油膜，昆虫翅膀上的彩色-。,膜为何要薄？,薄膜干涉有两种条纹：,等倾条纹同一条纹相应入射光的 同一倾角。,光的相干长度所限。,7.1.4 薄膜干涉,1 增透膜 增反膜,增透膜：膜上下两表面的反射光满足干涉减弱条件。,如：MgF2 薄膜，平行光垂直入射时，增透条件为,增反膜：膜上下两表面的反射光满足干涉加强条件。,MgF2 薄膜的增反条件为,2.劈尖,劈尖夹角很小的两个平面所构成的薄膜。,劈尖干涉在膜表面附近形成明、暗相间的条纹。,A,通常让光线几乎垂直入射,设单色平行光线在A点处入射，膜厚为e，,反射光1,单色平行光垂直入射,e,n,n,n,A,反射光2,(设n n),一个厚度e，对应着一个光程差，对应着一个条纹等厚条纹。,亮纹,暗纹,设相邻两条亮纹对应的厚度差为 e：,有,在此问题中，棱边处 是亮纹还是暗纹？,（答：暗纹）,亮纹与暗纹等间距地相间排列。,把劈尖上表面向上缓慢平移，有何现象？,劈尖角不变，条纹间距不变；劈尖上总条纹数不变。,把劈尖角逐渐增大，有何现象？,劈尖角变大，条纹间距变小；劈尖上总条纹数变多。,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。,劈尖角增大时等光程差处向劈棱处移动，条纹向劈棱处挤。,2.检测表面质量。,请问：此待测工件表面上，有一条凹纹还是一条凸纹？,应用举例：1.测光波的波长。,3.测微小直径、厚度（或镀膜厚度）。,平凸透镜与平晶间形成空气劈尖。,e 可用 r,R 表示:,3.牛顿环,对空气劈尖，光程差,（n=1）,(1)代入(2)得，第k 级暗环半径为,暗环：,中心是暗点（k=0）,所以条纹间距：内疏外密,实用的观测公式：,（暗纹）,牛顿环装置还能观测透射光的干涉条纹，它们与反射光的干涉条纹正好亮暗互补。(为什么？),由,或测入射光的波长,可据上式测透镜球面的半径R,可用牛顿环检验透镜（的球面）表面质量,若球面不规则,仪器结构示意图,若M1与M2平行-等倾条纹,若M1与M2有小夹角-等厚条纹,M1,2,2,1,1,半透半反膜,补偿板,反射镜,反射镜,光源,观测装置,4 迈克尔逊干涉仪,例.等厚条纹时,反射镜平移，则干涉条纹移动。,若干涉条纹移过N条，则反射镜平移距离为,显微镜测量可以精确到一个条纹的十分之一，,所以，可以精确地测出反射镜平移的 距离。,应用举例,光路1中插入介质，,产生附加光程,可测折射率 n 或测插入介质的厚度 l。,微小位移测量（机光电结合）,若反射镜平移距离为1cm,则N约为105,必须利用机光电自动控制技术来操作。,
