第13章-波动光学(干涉)课件

有关光的本性的研究有关光的本性的研究微粒学说微粒学说波动学说波动学说牛牛 顿顿惠更斯惠更斯解释衍射、干涉现象，发现了解释衍射、干涉现象，发现了光的偏振现象光的偏振现象解释了反射和折射定律解释了反射和折射定律,不能解释衍射、干涉现象不能解释衍射、干涉现象 光的波粒之争光的波粒之争光的波粒之争光的波粒之争波动说与微粒说的对立在于：波动说与微粒说的对立在于：微微粒粒说说认认为为：伴伴随随着着光光信信号号的的传传播播有有某某种种物物质质光微粒的输送；光微粒的输送；波波动动说说认认为为：光光信信号号的的传传播播只只不不过过是是光光引引起起的的效应的传播，并不伴随着物质的输送。效应的传播，并不伴随着物质的输送。第第1313章章 波动光学波动光学 牛顿：光的直线转播说明光是粒子流。牛顿：光的直线转播说明光是粒子流。惠更斯、托马斯惠更斯、托马斯 杨、菲涅耳：光具有干涉和衍杨、菲涅耳：光具有干涉和衍 射现象，所以光是一种波。射现象，所以光是一种波。麦克斯韦：麦克斯韦：根据我的理论，光是一种电磁波，而根据我的理论，光是一种电磁波，而 且是横波，传播速度为每秒且是横波，传播速度为每秒30万公里。万公里。迈克尔逊：迈克尔逊：我为什么测不到我为什么测不到“以太风以太风”。爱因斯坦：爱因斯坦：用普朗克的用普朗克的“能量子能量子”解释了光电效应。解释了光电效应。光具有粒子性。光具有粒子性。德布罗意：德布罗意：所有物体都具有波动性与粒子性。所有物体都具有波动性与粒子性。光的波粒二象性光的波粒二象性光的波粒二象性光的波粒二象性一、光的电磁理论一、光的电磁理论 各种频率的光复合起来称为各种频率的光复合起来称为复合光复合光 光波描述光波描述光强正比于光矢量振幅的平方，即光强正比于光矢量振幅的平方，即k为比例系数，我们只关心光的相对强度，可取为比例系数，我们只关心光的相对强度，可取 k=1。真空中的光速真空中的光速 光是某一波段的光是某一波段的电磁波电磁波 可见光可见光的范围的范围 具有一定频率的光称为具有一定频率的光称为单色光单色光 13.1 光的干涉光的干涉 P两相干光在空间某点两相干光在空间某点P相遇，其合振动振幅相遇，其合振动振幅二、光的干涉二、光的干涉光波的相干条件光波的相干条件(1)(1)频率相同频率相同(2)(2)相位差恒定相位差恒定(3)(3)振动方向平行振动方向平行(存在相互平行的振动分量存在相互平行的振动分量)加强加强(明条纹明条纹)减弱减弱(暗条纹暗条纹)当当光的强度或明暗在空间非均匀的稳定分布光的强度或明暗在空间非均匀的稳定分布-光的干涉光的干涉若若屏上出现一系列明暗相间的条纹屏上出现一系列明暗相间的条纹干涉图样干涉图样干涉条纹可见度干涉条纹可见度(衬度衬度)定义定义:光程差光程差加强加强(明条纹明条纹)减弱减弱(暗条纹暗条纹)相位差相位差光源的最基本发光光源的最基本发光单元是分子、原子单元是分子、原子1.1.普通光源的发光特点普通光源的发光特点E1E2能级跃迁辐射能级跃迁辐射自发辐射自发辐射 不同原子发光：独立不同原子发光：独立一个原子发光：间歇、随机一个原子发光：间歇、随机受激辐射受激辐射 非相干非相干辐射辐射频率、相位、振频率、相位、振动方向等相同动方向等相同E1E2 相干相干辐射辐射波列波列 三、相干光的获得三、相干光的获得P212 2.从普通光源获得从普通光源获得相干光的方法相干光的方法先分先分 后合后合分波前法分波前法分波面法分波面法分振幅法分振幅法薄膜薄膜1 1不满足相不满足相干条件干条件满足相满足相干条件干条件四、四、杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉 光程差光程差(1)(1)条纹位置条纹位置明纹明纹 暗纹暗纹 条纹间距条纹间距 均匀分布均匀分布对称分布对称分布(2)(2)条条纹衬比度纹衬比度(3)(3)若用白光做光源若用白光做光源(4)(4)点点光源光源S S不在不在S S1 1和和S S2 2的对称位置上的对称位置上零级明纹零级明纹光源上移光源上移，条纹整体向下，条纹整体向下平移平移 ，条纹间距不变，条纹间距不变 人类第一次有了测量光波波长的方法人类第一次有了测量光波波长的方法光的波动说的判定性实验光的波动说的判定性实验(5)(5)菲涅耳双棱镜菲涅耳双棱镜 双缝干涉双缝干涉(6)(6)菲涅耳双面镜菲涅耳双面镜 双缝干涉双缝干涉(7)(7)劳埃镜劳埃镜 反射光有半波损失！反射光有半波损失！双缝干涉双缝干涉 例例13-1 以单色光照射到相距为以单色光照射到相距为0.2mm的双缝上的双缝上,双缝双缝与屏幕的垂直距离为与屏幕的垂直距离为1m.(1)从第一级明纹到同侧的第从第一级明纹到同侧的第四级明纹的距离为四级明纹的距离为7.5mm,求单色光的波长求单色光的波长;(2)若入射若入射光的波长为光的波长为600nm,求相邻两明纹间的距离求相邻两明纹间的距离.解解 （1）（2）C解解 计算波程差计算波程差BA12 例例13-2 如图如图 离湖面离湖面 处有一电磁波接收器处有一电磁波接收器位于位于 C，当一射电星从地平面渐渐升起时，接收器断，当一射电星从地平面渐渐升起时，接收器断续接收续接收 到一系列极大值到一系列极大值.已知射电星发射的电磁波波已知射电星发射的电磁波波长为长为 ,求求 第一次测到极大时，射电星的方第一次测到极大时，射电星的方位与湖面所成的角位与湖面所成的角 .取取 极大极大时时 考虑半波损失时，附加波程差取考虑半波损失时，附加波程差取 均可，均可，符号不同，符号不同，取值不同，对问题实质无影响取值不同，对问题实质无影响.注意注意ACB12例例题题13-3 用用薄薄云云母母片片（n=1.58）覆覆盖盖在在杨杨氏氏双双缝缝的的其其中中一一条条缝缝上上，这这时时屏屏上上的的零零级级明明纹纹移移到到原原来来的的第第七七级级明明纹纹处处。如如果果入入射射光光波波长长为为550nm，问问云云母母片片的的厚厚度度为多少？为多少？解：解：Poe原七级明纹原七级明纹P点处点处插入云母片后，插入云母片后，P点为零级明纹点为零级明纹dDSpSS1S2例例13-4 杨氏双缝干涉试验条件作如下变杨氏双缝干涉试验条件作如下变,干涉条纹将作怎样变化干涉条纹将作怎样变化?(1)线光源线光源S沿平行于沿平行于S1,S2 连线方向作微小移动；（连线方向作微小移动；（2）加大双）加大双缝间距；（缝间距；（3）把整套装置侵入水中。）把整套装置侵入水中。（1）此时此时S1,S2不再是同相位光源，不再是同相位光源，0级级中央明纹将从屏中央中央明纹将从屏中央O点移开。点移开。中央明纹应在中央明纹应在 之处之处屏上的干涉条纹整体向上平移。屏上的干涉条纹整体向上平移。（2）根据根据d x（3）O整套装置侵入水中后的光程差为整套装置侵入水中后的光程差为条纹变密条纹变密五、五、薄膜干涉薄膜干涉PLDC34E5A1B2两相干光的光程差两相干光的光程差光源光源1、等倾、等倾干涉干涉分振幅法获得相干光分振幅法获得相干光 e f(1)(1)光程差取决于入射角光程差取决于入射角等倾干涉等倾干涉倾角倾角i相同的光线对应同相同的光线对应同一条干涉条纹一条干涉条纹 半反半透半反半透iLS f屏幕屏幕(2)(2)条纹位置条纹位置亮纹亮纹暗纹暗纹环中心的级次高环中心的级次高膜变厚，外冒，条纹更密集；膜变厚，外冒，条纹更密集；相邻条纹的光程差变化相邻条纹的光程差变化外密内疏外密内疏膜变薄，内陷，条纹更稀疏膜变薄，内陷，条纹更稀疏透镜透镜(3)(3)面光源面光源 e f入射角入射角 i 相同的光线汇相同的光线汇聚在同一级干涉条纹上聚在同一级干涉条纹上使用面光源图像更清晰使用面光源图像更清晰(4)(4)透射光的干涉透射光的干涉非相干叠加非相干叠加与反射光的图样互补与反射光的图样互补薄膜薄膜202、增透膜和增反膜增透膜和增反膜增增增增透透透透膜膜膜膜 在在透透镜镜表表面面镀镀一一层层厚厚度度均均匀匀的的透透明明介介质质膜膜，使使其其上上、下下表表面面对对某某一一特特定定波波长长的的光光，反反射射干干涉涉相相消消，透射相长。透射相长。如照相机镜头镀有增透膜如照相机镜头镀有增透膜 如图，氟化镁薄膜上、下表面如图，氟化镁薄膜上、下表面的反射光束的反射光束和和干涉相消干涉相消：增反膜增反膜增反膜增反膜：反射干涉相长，透射相消。反射干涉相长，透射相消。取取e氟化镁为增透膜氟化镁为增透膜21哈勃望远镜哈勃望远镜 哈勃望远镜在轨道上飞行，为了使它的温度改变量为最小，哈勃望远镜在轨道上飞行，为了使它的温度改变量为最小，它的表面覆盖了高反射率金属膜。它的表面覆盖了高反射率金属膜。镜头颜色为什么发紫镜头颜色为什么发紫?观察肥皂液膜的干涉时，刚吹起的肥皂泡没有颜色，观察肥皂液膜的干涉时，刚吹起的肥皂泡没有颜色，吹到一定大小时会看到彩色，其颜色随泡增大而改变，当吹到一定大小时会看到彩色，其颜色随泡增大而改变，当彩色消失呈现黑色时，肥皂泡破裂，为什么？彩色消失呈现黑色时，肥皂泡破裂，为什么？22例例题题13-5 空空气气中中肥肥皂皂膜膜（n2=1.33），厚厚为为0.32 m。如用白光垂直入射，问肥皂膜呈现什么色彩？如用白光垂直入射，问肥皂膜呈现什么色彩？解解:2=567nm（黄光黄光）可见光范围可见光范围400760nm(1)(1)光程差光程差半波损失情况根据具体情况决定半波损失情况根据具体情况决定通常，光垂直入射通常，光垂直入射光程差随膜的厚度变化光程差随膜的厚度变化等厚干涉等厚干涉明纹明纹暗纹暗纹3、等厚等厚干涉干涉 若薄膜两个表面不平行，便形成若薄膜两个表面不平行，便形成劈的形状，称为劈的形状，称为劈形膜劈形膜。劈尖处是明纹还是暗纹？劈尖处是明纹还是暗纹？条纹间距条纹间距等间距等间距若用白光照射，结果如何？若用白光照射，结果如何？(2)(2)劈尖的等厚干涉劈尖的等厚干涉明纹明纹暗纹暗纹平移平移条纹条纹条条纹纹疏疏密密情况不变情况不变改变楔角改变楔角条纹条纹楔角变大楔角变大条纹变密条纹变密劈尖变化对条纹的影响劈尖变化对条纹的影响条纹条纹向棱的方向移动向棱的方向移动条纹间距的变化条纹间距的变化相邻条纹的光程差相差一个波长相邻条纹的光程差相差一个波长25 例例13-6 两块平玻璃板构成的劈尖干涉装置发生如下变化，两块平玻璃板构成的劈尖干涉装置发生如下变化，干涉条纹将怎样变化？（干涉条纹将怎样变化？（1）劈尖上表面缓慢向上平移；）劈尖上表面缓慢向上平移；（2）棱不动，逐渐增大劈尖角；（）棱不动，逐渐增大劈尖角；（3）两玻璃板之间注入）两玻璃板之间注入水；（水；（4）劈尖下表面上有下凹的缺陷。）劈尖下表面上有下凹的缺陷。（1）根据根据干涉条纹整体地向棱的方向平移干涉条纹整体地向棱的方向平移（2）ek相邻条纹之间膜的厚度差是相邻条纹之间膜的厚度差是而条纹间距：而条纹间距：角增大，间距变小，条纹向棱密集。角增大，间距变小，条纹向棱密集。（3）条纹间距变小条纹间距变小（4）棱棱26劈尖干涉的应用劈尖干涉的应用劈尖干涉的应用劈尖干涉的应用1）干涉膨胀仪）干涉膨胀仪用来测定固体线膨胀系数用来测定固体线膨胀系数劈形空气膜劈形空气膜ABC图中图中B为被测固体。设温度为为被测固体。设温度为t0时，样品的长度为时，样品的长度为l0。t0时，时，k级暗纹级暗纹t时，时，空气膜的厚度差：空气膜的厚度差：k级暗纹级暗纹设条纹移动了设条纹移动了N条条膨胀系数膨胀系数27Lel薄膜厚度：薄膜厚度：条纹数条纹数 在在半半导导体体元元件件生生产产中中，测测定定硅硅片片上上的的二二氧氧化化硅硅薄薄膜膜厚厚度度的的常常用用方方法法是是：将将薄薄膜膜的的一一部部分分磨磨成成劈劈形形膜膜，通通过过观观察察垂直入射光在其上面产生的干涉条纹，计算出厚度。垂直入射光在其上面产生的干涉条纹，计算出厚度。2）测膜厚）测膜厚28 3）检验光学元件表面的平整度）检验光学元件表面的平整度 欲测一工件表面的平整度，将一平晶（非常平的标欲测一工件表面的平整度，将一平晶（非常平的标准玻璃）放在待测工件上，使期间形成空气劈尖，如图准玻璃）放在待测工件上，使期间形成空气劈尖，如图（a）示，现用波长）示，现用波长 =500 nm的光垂直照射时，测得如的光垂直照射时，测得如图（图（b）示的干涉条纹。问（）示的干涉条纹。问（1）不平处是凸的还是凹的）不平处是凸的还是凹的？（？（2）如果相邻条纹间距）如果相邻条纹间距 b=2 mm，条纹的最大弯曲处，条纹的最大弯曲处与该条纹的距离与该条纹的距离 a=0.8 mm，则不平处的高度或深度是，则不平处的高度或深度是多少？多少？ba（a）（b）29 解：解：等厚干涉中，每一条纹所在位置的空气膜具等厚干涉中，每一条纹所在位置的空气膜具有同一厚度。有同一厚度。条纹向右弯，则工件表面纹路是凸的。条纹向右弯，则工件表面纹路是凸的。ba相邻两亮（或暗）条纹对相邻两亮（或暗）条纹对应的空气隙厚度差应的空气隙厚度差baH30等厚干涉条纹等厚干涉条纹劈尖劈尖不规则表面不规则表面31白光入射白光入射单色光入射单色光入射3.3.牛顿环牛顿环平板玻璃平板玻璃平凸透镜平凸透镜明纹明纹暗纹暗纹同心圆环，接触点为暗纹同心圆环，接触点为暗纹明纹明纹(中心中心)半径半径暗纹暗纹(中心中心)半径半径S分束镜分束镜M显微镜显微镜可用来测光波波长、测透镜球面的半径可用来测光波波长、测透镜球面的半径(1)(1)暗环半径与暗环半径与 k 的平方根成正比的平方根成正比条纹外密内疏条纹外密内疏等倾干涉条纹也是外密内疏等倾干涉条纹也是外密内疏(2)(2)越接近环中心，条纹级次越低越接近环中心，条纹级次越低等倾干涉等倾干涉环中心条纹级次高环中心条纹级次高(3)(3)凸凸透镜略微上移，膜厚度变大，条纹内陷透镜略微上移，膜厚度变大，条纹内陷等倾干涉等倾干涉膜厚度变大，条纹外冒膜厚度变大，条纹外冒(4)(4)白光入射，同一级条纹，白光入射，同一级条纹，越大，半径越大，半径 越大越大由紫到红的彩色条纹由紫到红的彩色条纹明纹明纹与等倾干涉相反与等倾干涉相反34例例13-7 用紫光照射，借助于低倍测量用紫光照射，借助于低倍测量显微镜测得由中心往外数第显微镜测得由中心往外数第 k 级明环级明环的半径的半径 ,k 级往上数级往上数第第16 个明环半径个明环半径 ，平凸透镜的曲率半径平凸透镜的曲率半径R=2.50m求：紫光的波长？求：紫光的波长？解：根据明环半径公式：解：根据明环半径公式：35 例例13-8 用氦氖激光器发出的波长为用氦氖激光器发出的波长为633nm的单色光的单色光做牛顿环实验，测得第个做牛顿环实验，测得第个 k 暗环的半径为暗环的半径为5.63mm,第第 k+5 暗环的半径为暗环的半径为7.96mm，求平凸透镜的曲率半径，求平凸透镜的曲率半径R.解解六、迈克尔逊干涉仪六、迈克尔逊干涉仪22 11 S半透半半透半反膜反膜M2M1G1EG219071907年诺贝尔年诺贝尔 37例例题题13-9 当当把把折折射射率率为为n=1.40的的薄薄膜膜放放入入迈迈克克尔尔逊逊干干涉涉仪仪的的一一臂臂时时，如如果果产产生生了了7.0条条条条纹纹的的移移动动，求求薄薄膜膜的厚度。（已知钠光的波长为的厚度。（已知钠光的波长为 =589.3nm。）。）解：解：t