1、14.1 光的电磁理论 光的相干性 14.2 分波阵面干涉 *空间相干性 14.3 分振幅干涉 薄膜的等厚与等倾干涉 14.4 迈克尔逊干涉仪 *时间相干性 14.5 多光束干涉,第十四章 光的干涉,牛顿的微粒说： 光是由光源发出的微粒流。,惠更斯的波动说：光是一种波动。,1801年，英国物理学家托马斯杨首先利用双缝实验观察到了光的干涉条纹，从实验上证实了光的波动性。,1865年，英国物理学家麦克斯韦从他的电磁场理论预言了电磁波的存在，并认为光就是一种电磁波。,14.1.1 光的电磁理论,电磁波谱,可见光的波长范围390 nm 760 nm,14.1 光的电磁理论 光的相干性,电场强度的振动方
2、向称为光的振动方向。,由于对人眼和感光器件起光化学作用的是电场,光波的振动方向：,光波是特定频率范围内的电磁波,光矢量：,光波中的电场强度矢量,电场强度矢量的周期性变化,光振动：,普通光源：,普通光源的发光机制：,14.1.2 普通光源的发光机理,除激光源之外的各种发光物体；,其发光机制是自发辐射,普通光源的发光机制,随机性：,间歇性：各原子发光是断断续 续的，平均发光时间t 约为 10-8 s，所发出的是一段长为L =ct 的光波列。,每次发光是随机的，所发出各波列的振动方向 和振动初相位都不相同。,两独立光源发出的两束光不产生干涉现象,把同一波列设法分成两部分所获得的两列光波才是相干光,如
3、何获得相干光？,复制,相干光,独立(同一原子先后发的光),获取相干光的方法之一：分波阵面法,利用普通光源获得相干光的基本原理：,把由光源上同一点发的光分为两部分，然后再使这两部分叠加起来,由于这两部分光的相应部分实际上都是来自同一发光原子的同一次发光，因而满足相干条件而成为相干光。,由狭缝S发出的同一波阵面的 光同时到达狭缝1和2，1和2 相当于两个子波源。因它们发 出的光来自于同一波阵面，因 而是相干光。,波阵面：等相面,惠更斯原理（惠更斯作图法),狭缝：理论上无限小,空间相干性,获取相干光的方法之二：分振幅法,扩展光源的干涉：,两条光线是从同一条入射线分出来的，所以它们一定是相干光,光的能
4、流与其振幅平方成正比，所以这种干涉称为分振幅干涉,同频率、同振动方向两列光波,14.1.3 光波叠加和相干,P点的光强度I：,P点的光强度I：,平均光强：,（1）非相干光,（2）相干光,平均光强：,P点光强度：,干涉相长（亮）,干涉相消（暗）,14.1.4 光程 光程差,结论：光在折射率为 n 的介质中前进 x 距离引起的相位改变与在真空中前进 nx 距离引起的相位改变相同.,光程差引起的相位差：,实 验 装 置,14.2.1 杨氏双缝干涉,光程差,14. 2 杨氏双缝干涉实验,减弱,暗纹,p,明暗条纹的位置,白光照射时，出现彩色条纹,(白色）,较高级次上，条纹相 互重合以致模糊不清,各光的第
5、一级明条纹,各光的第二级明条纹,红、橙、黄、绿、青、蓝、紫,频率递增，波长递减,解 （1）,（2）,例： 杨氏双缝实验，用透明片遮住上缝，发现中央明纹向上移动了3个条纹，已知该片折射率为1.4，求该片厚度。,利用光的干涉可以测量与光波波长同数量级的长度,解：,1 菲涅耳双镜,14.2.2 其他分波阵面干涉,2 劳埃德镜,半波损失 ：光从光速较大的介质射向光速较小的介质时反射光的相位较之入射光的相位跃变了 ， 相当于反射光与入射光之间附加了半个波长的波程差，称为半波损失.,P,M,日常生活中常见的彩色肥皂泡 水面油层上的彩色条纹 昆虫翅膀上的彩色 防晒霜 ,薄膜：均匀的透明介质薄层,常见薄膜：空
6、气膜、介质膜,14.3 分振幅干涉 薄膜干涉与等倾干涉,我们假设一条光线入射到一厚度为 e 的均匀薄膜上，如下图所示：,2, 3两束光的相干光的光程差为：,14.3.1 薄膜干涉概述,由折射定律：,故：,用入射角表示：,实验告诉我们：,1）对于在表面上的一次反射情况：由光疏介质进入光密介质(n1n2) 没有相位突变。,考虑半波损失的光程差,2）对于光线经薄膜上下表面反射的情况：,n1n2n3或n1n2n3时，折射率呈阶梯型分布，没有附加相位差；,n1n2n3时，折射率呈夹心型分布，则有附加相位差.,此时对于所选相干光束，薄膜上下界面的半波损失导致两光束光程差相差半个波长,综合1)、2)，我们将
7、薄膜干涉公式修正为：,阶梯型分布,夹心型分布,透射光的干涉,事实上，透射光也能产生干涉，考虑光束1 、2 产生干涉,则光程差表示为,与薄膜上表面的光束2、3的光程差公式相差一个半波长，说明：反射光干涉相长时透射光干涉相消，反之亦然。,如果e 处处相等，则主要随入射光的入射角i的不同而变化。这类干涉叫等倾干涉。,如果入射角度保持不变，那么主要随薄膜厚度e 的不同而变化。这类干涉叫等厚干涉。,三、薄膜干涉分类,14.3.2 等厚干涉,当i保持不变时，光程差仅与膜的厚度有关，凡厚度相同的地方光程差相同，从而对应同一条干涉条纹,等厚干涉条纹的形状取决于薄膜上厚度相同的点的轨迹。,1.劈尖膜干涉（int
8、erference of wedge）,1）实验装置：,介质劈尖是一个放在空气中的劈尖形状的介质薄膜，两块平面玻璃片，一端接触，另一端用一薄片隔开，两玻璃片间形成劈尖状空气层，便是空气劈尖。,（a）观察劈尖干涉装置 （b）干涉条纹,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,10.7.3 等厚干涉应用,（1）测薄膜厚度。测某基板上镀膜厚度，
9、先将其腐蚀为劈尖形，用单色光垂直照射，就可以计算薄膜厚度,（2）测细丝直径,（3）检查光学元件表面质量,B有 凹坑,B有 凸坑,2. 牛顿环 （Newtons rings）,1）实验装置：,在一块光学平面玻璃片上，放一曲率半径 R很大的平凸透镜，在其间形成一劈尖形空气薄层的装置。,2.光程差,明纹：,暗纹：,3.明暗纹条件,明环半径：,暗环半径：,3. 干涉条纹的特点：,等厚干涉条纹每级明或暗纹都与一定的膜厚相对应，条纹是一组以接触点为中心的不等间距的（内环疏，外环密）明暗相间的同心圆环，k越大，r则越大。,（1）条纹形状,（2）接触点,在接触处，e=0 ，则=/2出现暗斑。（夹心型）,如n1
10、n2n3或n1n2n3时e=0，=2en2=0,则接触处会出现亮斑。,（3）牛顿环的平凸透镜向上平移，内空气薄膜变厚，原来第 k 级处就变为 k+k级。于是条纹向中心收缩，反过来薄膜变薄，则条纹向外扩张。,（4） 实验中测出暗环的第m级半径 rm，以及第n级半径 rn，则可求出R：,（5） 若白光入射，便可得到彩色条纹，在高级次出现重迭。,（6）若在平凸镜和平板玻璃之间充满折射率为n的某中透明液体，则,明环半径：,暗环半径：,14.3.3 薄膜的等倾干涉,入射倾角相等的光线经平行膜,反射（或透射），其相干光的光程差相等，形成同一级干涉条纹。,1）,2）等倾干涉条纹是一系列外密内稀的同心圆环。,
11、3）当入射角一定时，反射光的干涉得明纹，则透射光的干涉必得暗纹反之亦然。,反射光光程差：,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,单色光源,反射镜,反射镜,14.4 迈克耳孙干涉仪,反射镜,反射镜,单色光源,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,光程差变化,介质片厚度,空间相干性的概念,光源宽度对干涉条纹对比度的影响,设光源宽度为b,R,D,I,非相干叠加,+1L,0N,0M,0L,10.5 空间相干性（选讲）,当N光对应的第0级亮纹与L 对应的第1级亮纹重合时， 条纹就亮成一片，干涉条纹 消失,把它视为许多平行于 双缝的线光源组成,每一条线光源都会形 成一套自己的双缝干 涉图样,设光源宽度为b,讨论当干涉条纹刚好消失时的宽度,R,相减：,当N光对应的第0级亮 纹与L对应的第1级亮 纹重合时，条纹就亮 成一片，干涉条纹消失,条纹刚消失时有：,即 才能看到干涉条纹。,光场的空间相干性,
