1、第九章 光的干涉,光是一种电磁波,c ：光在真空中的传播速度,v ：电磁波在介质中的速度,n：透明介质的折射率,可见光 在真空中的波长范围为350 770nm,光源：发射光波的物体,热光源,冷光源,新光源,热光源：白炽灯，弧光灯,光源：发射光波的物体,热光源：白炽灯，弧光灯,冷光源,新光源,电致发光,气体，He、Ne、Ar等，霓虹灯；金属气体，Na，Hg；固体，LED,霓虹灯,LED灯,光源：发射光波的物体,热光源：白炽灯，弧光灯,冷光源,新光源,电致发光,光致发光,气体，He、Ne、Ar等，霓虹灯；金属气体，Na，Hg；固体，LED,荧光,磷光,荧光,磷光具有磷光性的粉末分别处于可见光下、紫
2、外线下和完全黑暗的环境中,光源：发射光波的物体,热光源：白炽灯，弧光灯,冷光源,新光源,电致发光,光致发光,气体，He、Ne、Ar等，霓虹灯；金属气体，Na，Hg；固体，LED,荧光,磷光,化学发光,化学发光,腐烂物中的磷在空气中氧化而发光,光源：发射光波的物体,热光源：白炽灯，弧光灯,冷光源,新光源：激光，同步辐射光源，自由电子激光,电致发光,光致发光,气体，He、Ne、Ar等，霓虹灯；金属气体，Na，Hg；固体，LED,荧光,磷光,化学发光,激光(Laser)Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation特点：亮度高，方向性好
3、，单色性好，相干性好,Green (520nm),blue-violet (445nm)red (635nm) lasers,Laser, quantum principle,同步辐射光源Synchrotron radiation特点：具有从远红外到X光范围内的连续光谱，高强度，高度准直，高度极化，特性可精确控制等优异性能,上海同步辐射光源工程,自由电子激光Free-electron laser特点：频率连续可调，频谱范围广，峰值功率和平均功率大，且可调，相干性好，偏振强，具有ps量级脉冲的时间结构，且时间结构可控，,9.1 光干涉仪在光学检测中的应用,一、 干涉原理1. 光的相干条件,相干光
4、 两列光波频率相同_光矢量振动方向相同 初相差恒定相干光源 可以产生两列相干光的光源, 为什么一个光源上不同位置发出的光不能进行干涉？, 为什么两个相同的独立光源发出的光不能进行干涉？,原子发光机制, 原子或分子从较高能量状态跃迁到较低能量状态，释放能量发出光子, 辐射时间10-910-8 s 相应发出了一段光波_波列,光的频率与原子的能级差有关，从不同的能级向下跃迁发出不同频率的光,普通光源 复色光,从固定的两个能级跃迁 单色光, 不论是复色光_还是单色光 原子处于较高能级向下跃迁不是同步的！随机任意的！, 两个波列之间 没有恒定的相位差, 叠加光强只是两束光 的光强直接相加, P点叠加是非
5、相干的,2. 两列相干光叠加后的光强分布,各向同性介质中两光源 频率相同 _光矢量振动方向平行_初相,两列光波在空间P点的振动为：,在某一时间间隔内，合振动的平均相对强度,在某一时间间隔内，合振动的平均相对强度,非相干光在观测时间内，初相位各自独立地做不规则的改变，概率均等地在观测时间内多次历经从0到2之间的一切可能值,两振动的相位差在观测时间内无规则变化， 不出现干涉现象,在某一时间间隔内，合振动的平均相对强度,相干光在观测时间内，两电磁振动各自进行， 相位差恒定,合振动的平均强度介乎两者之间，若振幅相同，,干涉相长,干涉相消,相差,P点的光强, 两个光源的初相差恒定时 两列光波在相遇的区域
6、叠加 光强具有稳定分布与时间无关,为其它值时光强介于最大和最小之间,3. 获得相干光的方法,分波振面法 相同波面上取两个子波源 子波源发出的两列光波为相干光,2) 分振幅法 同一束光分成两束_经过不同的路径 在空间一点相遇发生干涉, 薄膜等倾干涉, 迈克耳逊干涉,获得相干光的方法 分振幅法,二、 光程和光程差,光源的振动：,到达P点的振动：,在任意时刻的相位差：,真空中的波长,取,光程 ,光程差 ,相位差 , 光程的意义, 光在介质n中传播距离r引起的相位变化, 在相同时间t里，光在真空中传播的距离, 光在不同介质中传播的距离引起的相位变化 统一用光在真空中发生相位变化的计算,例题01 空气中
7、，在S2P光路中放置一个厚度为x 折射率为n的透明介质，计算两束光波在P的相位差。,已知, 光束1到P点的光程,光束2到P点的光程,相差,光程差,光的等光程性,1) 来自物点S的各条光束到达S的光程相同, 发自物点S不同角度的光束在经过透镜后会聚在S点 各光束到S点的光程相同,S点 亮点S点 干涉相长,2) 平面波波面上的各点发出的光到达点F的光程相同, 波面上a,b,c三点相位相同_经透镜会聚在焦点F 三光束在F点是干涉相长 三束光到F点的光程相等, a,b,c三点到F点的光程相等, 物点S的光经过透镜L1和L2后在焦平面一点F会聚,透镜可以改变光传播的方向_但不增加额外的光程,1 杨氏双缝
8、干涉仪,S，S1和S2 3个平行狭缝, 平行单色光入射单缝 S1 和S2是相干子光源,三、几种典型的干涉仪, 频率相同 光矢量振动方向 垂直纸面,S1 和S2相干子光源, P点光强的计算, 两光到P点光程差,考虑到,两列光波在P点相差,P点的光强,干涉相长,干涉相消,P点的光强,暗条纹位置,明条纹位置,明条纹位置,暗条纹位置,干涉条纹特点,明条纹,暗条纹,1) 平行双缝明暗相间的条纹,2) 相邻明条纹或暗条纹的间距, 等间距条纹,3) 白光光源 除中央零级条纹为白色外 两边对称分布为彩色条纹_光谱, 同一级干涉条纹 波长短的条纹_距离中心越近,明条纹的位置,洛埃德镜(Lloyds mirror
9、)实验, 来自S1的光波和来自反射面(来自虚光源S2)的光 进行干涉形成干涉条纹,半波损失, 光以掠射入射角从光疏介质射入光密介质时 反射光相对于入射光的相位发生相变, S1和S2光在M点相差为零_P点应为干涉相长, 实际为暗条纹 两光在P点相位相反,相变 半波损失, 光疏介质到光密介质 反射光有半波损失 透射光无半波损失, 光密介质到光疏介质 反射光和透射光 均无半波损失,半波损失 发生的条件, 光以近似垂直_或掠射介质表面,2 薄膜等厚干涉_劈尖干涉_干涉热涨仪,空气劈尖_上表面反射光 无半波损失 下表面反射光 有半波损失, 来自上表面的反射光1 和下表面的反射光2干涉,劈尖干涉结果讨论,
10、1) 条纹定域 两束反射光在上表面相遇 干涉条纹位于劈尖上表面,2) 相邻条纹对应薄膜厚度,3) 条纹的间距, 明条纹或暗条纹,4) 增大或减小_条纹间距减小或增大,5) h=0 最小级条纹 h=hmax 最大级条纹, 等厚干涉应用 微小长度测量 固体线膨胀系数测定,3 薄膜等厚干涉牛顿环, 曲率半径很大的平凸透镜置于一块平玻璃板上 两者位于折射率为n的介质中, 单色光垂直入射平凸透镜的上表面, 在平凸透镜下表面形成明暗相间的同心圆环, 平凸透镜下表面和 平玻璃板上表面的 两束光进行干涉,牛顿环干涉原理与实验装置, 在平凸透镜下表面形成明暗相间的同心圆环, 牛顿环半径和平凸透镜曲率半径以及波长的关系, 几何关系,上下表面反射光的光程差,明环条件,明环半径,暗环条件,暗环半径,牛顿干涉环特点,3) 干涉条纹 内疏外密,1) 中心为暗环 n n，下表面有半波损失 中心处 h=0 满足暗纹条件,2) 中心干涉条纹的级数最小,【思考题】样规在上、透镜待测表面在下。若轻轻按压样板，牛顿环中心条纹向外涌出，各环半径向边缘扩散，则透镜待测表面为凸面还是凹面？即是中心高还是下陷？,作业：单元五,
