大学物理PPT第21章光的干涉.ppt

第九章光的波动性:,干涉现象(第一节)衍射现象(第二节),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”,1、理解相干光的条件及获得相干光的方法;,2、掌握光程的概念以及光程差与相位差的关系;,3、能分析杨氏双缝干涉条纹及薄膜等厚干涉条纹的位置;,4、了解迈克耳孙干涉仪的工作原理。,基本内容及要求,第一节 光的干涉,一、光是一种电磁波,真空中的光速,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。,1 相干光,1.干涉的定义：在多个波迭加的区域内，有些地方振动始终加强，而有些地方的振动始终减弱（与时间无关），这一强度按空间周期性变化的现象称为干涉。这种不均匀分布的图样称干涉条纹。,二 光的干涉现象,2.相干光:若两束光波相遇后能发生干涉,则称它们为相干光,二、相干光,1、普通光源的发光机制,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、普通光源发光特点,3、相干光的产生,4.相干条件,频率相同、振动方向相同、相位差恒定,两列波有相互平行的电振动分量，即:,当两列波的振幅相等时，干涉现象最明显。,两列波的频率相等。,常量，两列波的初相位差恒定。,=常量,5.光强极大和极小的条件,干涉相长,干涉相消,1801年，英国物理学家托马斯杨（17731829）在实验室里成功的观察到了光的干涉现象,光的干涉,光的干涉,双缝干涉,激光束,双缝,屏,屏上看到明暗相间的条纹,一、杨氏双缝干涉实验,波程差,2 杨氏双缝干涉实验,减弱,暗纹,明暗条纹的位置,白光照射时，将出现彩色条纹,白光入射的杨氏双缝干涉照片,零级条纹在哪？,条纹间距有什么规律?,二、双缝干涉光强分布,若,其中,波长不同条纹间距不同,例:双缝干涉实验中,以波长=587.6nm 的黄色光照射双缝时,在距离双缝2.25m处的屏幕上产生的明纹间距为0.500mm的干涉条纹,求两缝之见的距离,解:相邻两明纹见的距离为,代入已知量,得,例 以单色光照射到相距为0.2mm的双缝上,双缝与屏幕的垂直距离为1m.,(1)从第一级明纹到同侧的第四级明纹的距离为7.5mm,求单色光的波长;,(2)若入射光的波长为600nm,求相邻两明纹间的距离.,解：（1）,（2）,一、光程,光在介质中的速度,介质中的波长,3 光程 薄膜干涉,频率为 的单色光，在真空中传播速度为，波长为,若光波在该介质中传播的几何路程为L，则相位的变化为,定义：光程等于媒质折射率 与光的几何路程 之积，常用 表示，即光程,物理意义：光程就是光在媒质中通过的几何路程,按波数相等折合到真空中的路程.,应用：光程差(两光程之差),光程差,相位差,二、透镜不引起附加的光程差,干涉加强，光程相等，无光程差！,L,三、薄膜干涉,反射光的光程差,加 强,减 弱,透射光的光程差,注意：透射光和反射光干涉具有互补性，符合能量守恒定律.,当光线垂直入射时,当 时,当 时,(1)如果太阳正位于海域上空,一直升飞机的驾驶员从机上向下观察,他所正对的油层厚度为460nm,则他将观察到油层呈什么颜色?,(2)如果一潜水员潜入该区域水下,又将看到油层呈什么颜色?,例 一油轮漏出的油(折射率=1.20)污染了某海域,在海水(=1.30)表面形成一层薄薄的油污.,解：(1),绿色,(2)透射光的光程差,红光,紫光,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.,取,（增强）,氟化镁为增透膜,例 为了增加透射率,求氟化镁膜的最小厚度.,则,例2.折射率 n=1.50的玻璃表面涂一层 MgF2(n=1.38),为使它在 5500波长处产生极小反射，这层膜应多厚？,最薄的膜 k=0，此时,解：假定光垂直入射,(n1nn2),不加/2,(k=0,1,2,)暗条纹,如：照相机镜头呈现蓝紫色 消除黄绿色的反射光。,等倾干涉的应用1,使某些颜色的单色光在表面的反射干涉相消，增加透射,增透膜：,应用2 多层膜（增加反射）使某些颜色的光反射本领高达99%，而使透射减弱。,例3 氦氖激光器中的谐振腔反射镜，对波长=6328的单色光的反射率要求达99%以上，为此反射镜采用在玻璃表面镀上的多层膜，求每层薄膜的实际厚度（按最小厚度要求，光近似垂直入射）,第一层：,第二层：,例 在照相机镜头表面有一层折射率为1.38的氟化镁膜,要使人眼最敏感的黄绿光反射最少,求膜的最小厚度.,解:因膜的折射率介于空气和玻璃之间,根据式,对应k=0,e值最小,所以,劈尖干涉,明纹,暗纹,4 劈尖等厚干涉,1）劈尖,为暗纹.,明纹,暗纹,3）条纹间距（明纹或暗纹）,2）相邻明纹（暗纹）间的厚度差,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.,4）干涉条纹的移动,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。,例1 有一玻璃劈尖,放在空气中,劈尖夹角,解,劈尖干涉的应用,1）测细丝的直径,等厚干涉的应用之二,*劈尖的应用,测波长：已知、n，测L可得,测折射率：已知、，测L可得n,测细小直径、厚度、微小变化,测表面平行度,例 用单色光垂直照射折射率为1.4的劈尖,测得相邻两个明条纹的间距为0.25cm.已知单色光在空气中的波长=700nm,求劈尖的顶角,解:由反射加强条件,由公式,明暗条件：,平板玻璃,平凸透镜,干涉环半径：,r,R,d,三、等厚干涉的应用之一牛顿环（平凸透镜的曲率半径很大）,干涉条纹特征：,（4）已知可求出 R：,干涉环半径：,（3）相邻两暗环的间隔,可见：干涉环中心疏、两边密。,（5）已知R可求,愈往边缘，条纹级别愈高。,与等倾干涉的本质区别,（6）透射光与之互补,平凸透镜向上平移时，中心处有圆环吞入；反之则有圆环冒出,对空气层：平移 距离时有一条条纹移过,例:观察牛顿环的装置如图所示.波长为589nm的平行钠光,经半反半透平面镜反射后,垂直入射到牛顿环装置上.用读数显微镜观察牛顿环,测得第k级暗环半径rk=4.00mm,第k+5级暗环半径rk+5=6.00mm.求平凸透镜R及暗环的k值,解:暗环半径为,消去k可得,将此结果代入,中得,即半径为4.00mm的暗环是第四级暗环,单色光源,反射镜,反射镜,一、迈克耳孙干涉仪装置,5 迈克耳孙干涉仪,光程差,反射镜,反射镜,单色光源,二、迈克尔孙干涉仪的主要特性,两相干光束在空间完全分开，并可用移动反射镜或在光路中加入介质片的方法改变两光束的光程差.,移动反射镜,干涉条纹的移动,当 与 之间距离变大时，圆形干涉条纹从中心一个个长出,并向外扩张,干涉条纹变密;距离变小时，圆形干涉条纹一个个向中心缩进,干涉条纹变稀.,插入介质片后光程差,光程差变化,介质片厚度,光程差,例 在迈克耳孙干涉仪中,M2反射镜移动的距离时,可以数出移动了792条条纹,求所用光的波长,解:所用光的波长为,长的玻璃管，其中一个抽成真空，另一个则储有压强为 的空气,用以测量空气的折射率.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 为止.在此过程中，观察到107.2条干涉条纹的移动，试求空气的折射率。,例：在迈克耳孙干涉仪的两臂中，分别插入,解：,