光的干涉解读课件

单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,光的干涉,第一章,光的干涉第一章,1,一、,光的电磁理论,按照麦克斯韦电磁场理论，变化的电场会产生变化,的磁场，这个变化的磁场又产生变化的电场，这样变化,的电场和变化的磁场不断地相互激发并由近及远地传播,形成,电磁波,。,平面简谐电磁波,1-1 光的电磁理论,一、光的电磁理论 按照麦克斯韦电磁场理论，变化,2,特点,1、任一给定点上的E和H同时存在，同频率、同相位并以同,一速度传播；,2、E和H相互垂直，并且都与传播方向垂直，,E、H、u,三者满,足右螺旋关系，,E、H,各在自己的振动面内振动，具有偏振性,3、在空间任一点处,4、电磁波的传播速度决定于介质的介电常量和磁导率，为,在真空中u=,5、电磁波的能量,特点1、任一给定点上的E和H同时存在，同频率、同相位并以同2,3,光是电磁波，把电磁波按波长或频率的次序排列成谱，称为,电磁波谱。可见光是一种波长很短的电磁波，其波长范围为,400nm760nm,频率范围为,7.5,10,14,Hz3.9,10,14,Hz,，它是能引起视,觉的电磁波。在真空中，光的不同波长范围与人眼不同颜色感觉,之间的对应关系如下,红,760nm630nm,橙 630nm590nm,黄 590nm570nm,绿 570nm500nm,青 500nm460nm,蓝 460nm430nm,紫 430nm400nm,光在不同媒质中传播时，频率不变，波,长和传播速度变小。,折射率,二、光是电磁波,光是电磁波，把电磁波按波长或频率的次序排列成,4,光的干涉解读课件,5,一、光源,1-2,光源,光的相干性,光源的最基本发光单元是分子、原子,=,(,E,2,-E,1,),/h,E,1,E,2,能级跃迁辐射,普通光源,：,自发辐射,独立(不同原子发的光),独立(同一原子先后发的光),发光的随机性,发光的间隙性,波列,波列长,L=,c,1、光源的发光机理,一、光源1-2 光源 光的相干性光源的最基本发光单元是,6,可见光频率范围,2、光的颜色和光谱,可见光波长范围,可见光颜色对照,单色光,只含单一波长的光,复色光,含多种波长的光。,准单色光,光波中包含波长范围,很窄的成分的光。,可见光频率范围2、光的颜色和光谱可见光波长范围可见光颜色对照,7,光波是电磁波。,光波中参与与物质相互作用（感光作用、生理作用）的,是,E,矢量，称为,光矢量,。,E,矢量的振动称为,光振动,。,3,、光强,在波动光学中，主要讨论的是相对光强，因此在同一介质中直接把,光强,定义为：,光强,：在光学中，通常把平均能流密度称为光强，,用,I,表示。,光波是电磁波。3、光强 在波动光学中，主要,8,二、光的相干性,两频率相同，光矢量方向相同的光源在,p,点相遇,二、光的相干性两频率相同，光矢量方向相同的光源在p点相遇,9,1,、非相干叠加,独立光源的两束光,或,同一光源的不同部位,所发出的光的位相差“瞬息万变”,叠加后光强等与两光束单独照射时的光强之和，无干涉现象,1、非相干叠加独立光源的两束光或同一光源的不同部位所发出的光,10,2,、相干叠加,满足相干条件的两束光叠加后,位相差恒定，有干涉现象,若,干涉相长,干涉相消,2、相干叠加满足相干条件的两束光叠加后位相差恒定，有干涉现象,11,两相干光束,两非相干光束,一个光源,1,分波面的方法 杨氏干涉,2,分振幅的方法 等倾干涉、等厚干涉,普通光源获得相干光的途径（方法）,两相干光束两非相干光束一个光源1 分波面的方法,12,1-3,光程与光程差,干涉现象决定于两束相干光的位相差,两束相干光通过不同的介质时，,位相差不能单纯由几何路程差决定。,光在介质中传播几何路程为,r,，,相应的位相变化为,1-3 光程与光程差 干涉现象决定于两束相干光的位相差 两,13,光程差,光在真空中的波长,若两相干光源不是同位相的,两相干光源同位相，干涉条件,光程差光在真空中的波长若两相干光源不是同位相的两相干光源同位,14,光程表示在相同的时间内光在真空中通过的路程,即：,光程这个概念可将光在介质中走过的路程，折算,为光在真空中的路程,光程表示在相同的时间内光在真空中通过的路程即：光程这个概念可,15,不同光线通过透镜要改变传播方向，,会不会引起附加光程差？,A、B、C,的位相相同，在,F,点会聚，互相加强,A、B、C,各点到,F,点的光程都相等。,AaF,比,BbF,经过的几何路程长，但,BbF,在透镜中经过的路程比,AaF,长，透镜折射率大于1，折算成光程，,AaF,的光程与,BbF,的光程相等。,解,释,使用透镜不会引起各相干光之间的附加光程差。,不同光线通过透镜要改变传播方向，A、B、C 的位相相同，在F,16,1-4,分波,面,干涉,一、杨氏双缝干涉,S,1,S,2,S,*,*,*,1-4 分波面干涉一、杨氏双缝干涉S1S2S*,17,杨氏干涉条纹,D d,波程差：,干涉加强,明纹位置,干涉减弱,暗纹位置,杨氏干涉条纹D d波程差：干涉加强干涉减弱,18,(1),明暗相间的条纹对称分布于中心,O,点两侧,。,干涉条纹特点,：,(2),相邻明条纹和相邻暗条纹等间距，与干涉级,k,无关,。,两,相邻明（或暗）条纹间的距离称为,条纹间距,。,若用复色光源，则干涉条纹是彩色的。,(1)明暗相间的条纹对称分布于中心O点两侧。干涉条纹特点：,19,方法一：,方法二：,(3),D,d,一定时，由条纹间距可算出单色光的波长。,方法一：方法二：(3)D,d一定时，由条纹间距可算出单色,20,二、其他分波阵面干涉装置,1、菲涅耳双面镜,虚光源,、,平行于,明条纹中心的位置,屏幕上,O,点在两个虚光源连线的垂直平分线上，屏幕,上明暗条纹中心对,O,点的偏离,x,为,：,暗条纹中心的位置,光栏,二、其他分波阵面干涉装置1、菲涅耳双面镜虚光源 、平,21,2 洛埃镜,光栏,当屏幕,E,移至,E,处，从,S,1,和,S,2,到,L,点的光程差为零，但是观察到暗条纹，,验证了反射时有半波损失存在。,2 洛埃镜光栏 当屏幕 E 移至E处，从,22,问,：原来的零级条纹移至何处？若移至原来的第,k,级明条纹处，其厚度,h,为多少？,例：,已知,：,S,2,缝上覆盖,的介质厚度为,h,，,折射率为,n,，,设入射光的波长为,.,解,：从,S,1,和,S,2,发出的相干光所对应的光程差,当光程差为零时，对应,零条纹的位置应满足：,所以零级明条纹下移,问：原来的零级条纹移至何处？若移至原来的第 k 级明条纹处，,23,原来,k,级明条纹位置满足：,设有介质时零级明条纹移到原来第,k,级处，它必须同时满足：,原来 k 级明条纹位置满足：设有介质时零级明条纹移到原来第,24,利用薄膜上、下两个表面对入射光的反射和折射，可在反射方向(或透射方向)获得相干光束。,一、薄膜干涉,扩展光源照射下的薄膜干涉,a,1,a,2,a,在一均匀透明介质,n,1,中,放入上下表面平行,厚度,为,e,的均匀介质,n,2,(n,1,),，,用扩展光源照射薄膜，其,反射和透射光如图所示,1-7,薄膜干涉,利用薄膜上、下两个表面对入射光的反射和折射，可,25,光线,a,2,与光线,a,1,的光程差为：,半波损失,由折射定律和几何关系可得出：,a,1,a,2,a,光线a2与光线 a1的光程差为：半波损失由折射定律和几何关系,26,干涉条件,薄膜,a,a,1,a,2,n,1,n,2,n,3,不论入射光的的入射角如何,额外程差的确定,满足,n,1,n,3,(,或,n,1,n,2,n,2,n,3,(,或,n,1,n,2,n,3,),不存在额外程差,对同样的入射光来说，当反射方向干涉加强时，在透射方向就干涉减弱。,干涉条件薄膜aa1a2n1n2n3不论入射光的的入射角如何额,27,二、增透膜和增反膜,增透膜,-,利用薄膜上、下表面反射光的光程差符合相消干涉条件来减少反射，从而使透射增强。,增反膜,-,利用薄膜上、下表面反射光的光程差满足相长干涉，因此反射光因干涉而加强。,二、增透膜和增反膜增透膜-增反膜-,28,问,：若反射光相消干涉的条件中,取,k,=1，,膜的厚度为多少？此增,透膜在可见光范围内有没有增反？,例,已知,用波长 ，照相机镜头,n,3,=1.5，,其,上涂一层,n,2,=1.38,的氟化镁增透膜，光线垂直入射。,解,：因为 ，所以反射光,经历两次半波损失。反射光相干相,消的条件是：,代入,k,和,n,2,求得：,问：若反射光相消干涉的条件中例 已知用波长,29,此膜对反射光相干相长的条件：,可见光波长范围 400700,nm,波长412.5,nm,的可见光有增反。,问：若反射光相消干涉的条件中,取,k,=1，,膜的厚度为多少？此增,透膜在可见光范围内有没有增反？,此膜对反射光相干相长的条件：可见光波长范围 400700n,30,一、劈尖干涉,夹角很小的两个平面所构成的薄膜,空气劈尖,棱边,楔角,平行单色光,垂直照射,空气劈尖上，上、下表面的反射光将产生干涉，厚度为,e,处，两相干光的光程差为,1-8,劈尖干涉 牛顿环,一、劈尖干涉夹角很小的两个平面所构成的薄膜空气劈尖棱边平行,31,干涉条件,劈尖上厚度相同的地方，两相干光的光程差相同，对应一定,k,值的明或暗条纹。等厚干涉,棱边处，,e=0,=/2,，,出现暗条纹,有“半波损失”,实心劈尖,实心劈尖,干涉条件劈尖上厚度相同的地方，两相干光的光程差相同，对应一定,32,空气劈尖任意相邻明条纹对应的厚度差：,任意相邻明条纹(或暗条纹)之间的距离,l,为：,在入射单色光一定时，劈尖的楔角,愈小，则,l,愈大，干涉条纹愈疏；,愈大，则,l,愈小，干涉条纹愈密。,当用白光照射时，将看到由劈尖边缘逐渐分开的彩色直条纹。,空气劈尖任意相邻明条纹对应的厚度差：任意相邻明条纹(或暗条纹,33,劈尖干涉的应用-干涉膨胀仪,利用空气劈尖干涉原理测定样品的热膨胀系数,样品,平板玻璃,石英圆环,空气劈尖,上平板玻璃向上平移,/2,的距离，上下表面的两反射光的光程差增加,。劈尖各处的干涉条纹发生,明,暗明,(或,暗,明暗,)的变化。如果观察到某处干涉条纹移过了,N,条，即表明劈尖的上表面平移了,N,/2,的距离。,劈尖干涉的应用-干涉膨胀仪利用空气劈尖干涉原理,34,二,、牛顿环,空气薄层中，任一厚度,e,处上下表面反射光的干涉条件：,二、牛顿环空气薄层中，任一厚度e处上下表面反射光的干涉条件：,35,略去,e,2,各级明、暗干涉条纹的半径：,随着牛顿环半径的增大，条纹变得越来越密。,e=0,两反射光的光程差,=/2,，为,暗斑,。,略去e2各级明、暗干涉条纹的半径：随着牛顿环半径的增大，条纹,36,例,已知：用紫光照射，借助于低倍测量,显微镜测得由中心往外数第,k,级明环,的半径 ,k,级往上数,第16 个明环半径 ，,平凸透镜的曲率半径,R=2.50m,求：紫光的波长？,解：根据明环半径公式：,例 已知：用紫光照射，借助于低倍测量求：紫光的波长？解：根,37,测细小直径、厚度、微小变化,h,待测块规,标准块规,平晶,测表面不平度,等厚条纹,待测工件,平晶,检验透镜球表面质量,标准验规,待测透镜,暗纹,测细小直径、厚度、微小变化h待测块规标准块规平晶 测表,38,一、迈克耳逊干涉仪,光束,2,和,1,发生干涉,若,M,1,、,M,2,平行,等倾,条纹,若,M,1,、,M,2,有,小夹角,等厚,条纹,若条纹为等厚条纹，,M,1,平移,d,时，干涉条移过,N,条，则有,：,M,1,2,2,1,1,S,半透半反膜,M,2,M,1,G,1,G,2,应用：,微小位移测量,测折射率,1-9,迈克耳逊干涉仪,一、迈克耳逊干涉仪光束2和1发生干涉若M1、M2平行,39,例,.在迈克耳逊干涉仪的两臂中分别引入,10,厘米长的玻璃管,A、B,，,其中一个抽成真空，另一个在充以一个大气压空气的过程中观察到,107.2,条条纹移动，所用波长为,546,nm,。,求空气的折射率