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类型第17章光的干涉.ppt

  • 上传人:hwpkd79526
  • 文档编号:8270917
  • 上传时间:2019-06-17
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    第17章光的干涉.ppt
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    1、光的电磁理论,光矢量:,1. 光强,可见光:,波长,频率,光强,光是一定波段的电磁波,第17章 光的干涉,1,2. 光谱曲线,图 谱线及其宽度,谱线宽度,3. 光波的描述,理想的单色光场波函数,单色光 准单色光 光谱曲线 (谱线),普通:0.110-3nm 激光:10-9nm,2,复振幅:,复数表达式,1) 单色平面波:,2) 单色发散球面波:,光 强 :,3,4,一. 光波叠加原理,遵从波的独立传播原理, 多列波交叠区有:,条件: 介质是线性的, 光波服从叠加原理,二. 光的干涉,17.1 相干光,4,5,相干波,相位差,合振幅,光的强度或明暗在空间非均匀的稳定分布,- 光的干涉,5,加强,

    2、减弱,( k = 0 1 2),相位差:,加强,减弱,( k = 0 1 2),光程差:,设,光程差,6,三、相干光的获得,光源的最基本发光单元是分子、原子,1.普通光源的发光特点,自发辐射,激光:受激辐射,非相干辐射,相干辐射,一个原子每一次发光只能发出一个波列;,2) 原子的发光是断续的,3) 各原子的各次发光是完全相互独立的,两个普通光源或同一普通光源的不同部分所发出的光是不相干的,7,2.相干光的获得,先分 后合,分波前法,分波面法,分振幅法,薄膜,不满足相干条件,满足相干条件,8,托马斯.扬(Thomas.Yong ,17731829)。幼年时就聪慧过人,尤其擅长语言,青年时会10种

    3、语言。后来他攻读医学,但对物理学也有很大的兴趣。在研究听觉和视觉问题时,他注意到光的微粒说和波动说的争论,尽管当时在学术界占统治地位的是微粒说,但是他注意到惠更斯的波动说的合理性,1801年他完成了著名的杨氏双缝实验,验证了光的波动性。,17.2 杨氏双缝干涉,1. 杨氏双缝实验,实验装置,分波阵面干涉,2. 杨氏干涉条纹,P点光强,S1 和 S2 振动方向相同,相位相同,频率相同,光强极大极小交替出现, 形成明暗相间、等亮度、等间距的条纹.,明纹中心:,暗纹中心:,条纹间距(亮 亮或暗暗),讨论:,3. 菲涅耳双棱镜、双面镜和劳埃镜,图 菲涅耳双面镜,图 劳埃镜,图 菲涅耳双棱镜,暗纹,为什

    4、么?,半波损失!,例、杨氏双缝干涉实验中, 单色光源的波长为 =550nm,图中D=3m, d=S1S2=3.3mm,求:,(1)条纹间距;,(2)若将一厚度l=0.01mm折射率为n的玻璃片放在缝S2的后面,此时条纹如何移动?写出第k级条纹移动距离x的表达式.,解: (1) 条纹间距,移动距离为:,“”表示向下移动.,(2) 条纹由x向下移动至x 处 .,放玻璃片前,放玻璃片后,x,亮点,薄透镜,近轴光线:,透镜不产生附加光程差,一般在透镜前找光程差,d,亮,暗,亮,暗,条纹间距,光源宽度对干涉条纹影响 - 光场的空间相干性,*17.2.3 光源宽度对干涉条纹的影响(光场的空间相干性),带光

    5、源双缝干涉的强度分布曲线,设光源上边缘处线光源 L产生的中央条纹 0L与下边缘处线光源 N 产生的第一级亮纹 1N 重合。,空间相干性: 具有一定宽度的普通光源发出的光波,要使其波面上的两点( S1 和 S2)作为次波源能发生干涉现象,这两点之间的距离必须小于某一值。,相干间隔 d0 :干涉条纹刚好消失时,S1 和 S2 之间的距离,最大张角 s :S1 和 S2 对光源 S 的中心所张的角,*17.2.4 非单色性对干涉条纹的影响 (光场的时间相干性),1. 干涉条纹可见度(衬度)定义:,2 非单色性对干涉条纹的影响 时间相干性,(1)准单色光,谱线宽度,(2)非单色性对干涉条纹的影响,条纹

    6、完全消失,最大相干级次,最大光程差,相干长度,白光光源,(3)相干长度与相干时间,最大光程差,相干时间,白光,与,同数量级,He-Ne激光,长,单色性好,相干时间 ,时间相干性:光源在同一时刻发的光分为两束后又先后到达某一观察点,只有这先后到达的时差小于某一值时才能在观察点产生干涉。,解:设波长范围为:,则:,平均波长,对两个波长,第k级明纹位置分别为:,例、 在杨氏双缝实验装置中,白光光源加滤光片后,波长范围为 ,平均波长为490nm,问从第几级开始,条纹变得无法分辨。,所以,k级条纹所占的宽度为:,当此宽度大于或者等于相应于平均波长的条纹间距时,干涉条纹将变得模糊,所以这个条件可以表示为:

    7、,即:,从第5级条纹起,干涉条纹将变得无法分辨。,分振幅干涉定域干涉,1) 点光源非定域干涉,扩展光源的定域干涉,薄膜干涉,17.3 等倾干涉,n2 n1,两相干光的光程差,亮纹,暗纹,由,1、薄膜干涉,分振幅法获得相干光,17.3. 等倾干涉,当 e、n2、n1 确定,,则 相同入射角的入射光线有相同光程差。,它们在透镜焦平面上构成同一级条纹,称等倾干涉。,(1)干涉定域于无穷远,(2)半波损失,光疏介质,光线1有,光线2没有,光密介质,反射光有半波损失,光线1有,光线2有,光线1没有,光线2没有,光程差,光线1没有,光线2有,透镜不产生附加光程差,(3)光程差取决于入射角,等倾干涉,倾角i

    8、相同的光线对应同一条干涉条纹,(4)条纹位置及分布,亮纹,暗纹,环中心的级次高,膜变厚,外冒,条纹更密集;,相邻条纹的光程差变化,外密内疏,膜变薄,内陷,条纹更稀疏,透镜,(5)面光源,入射角 i 相同的光线汇聚在同一级干涉条纹上,没有光源宽度增大与条纹衬比度下降的矛盾,使用扩展光源图像更清晰,(6)透射光的干涉,非相干叠加,与反射光的图样互补,(7)白光入射,则将出现彩色条纹,明纹,k 确定,l 越大, i 越小,由红到紫的彩色条纹,暗纹,例:用波长为500nm的可见光照到一肥皂膜上,在与膜面成60o角的方向上观察到膜最亮。已知膜的折射率为1.33,求此膜至少为多厚?若垂直观察,此膜能使波长

    9、为多少的可见光最亮?,解:,反射时,上表面有半波损失,下表面没有,最亮,最薄,垂直观测,1) 增透膜,对某一特定波长 ,反射干涉相消,透过相长。,2) 高反膜,对某一特定波长使反射大大加强,透射率相应减少。,增透膜、多层膜,3) 干涉滤光层,多层膜可使从白光中获得特定波长范围的光。,对某一特定波长 ,反射干涉相消,透过相长,例:在玻璃上镀一层 MgF2 增透膜,使其对=550nm 的绿光增透,求薄膜厚度。,由于 n1 n2 n3 ,反射光光程差表达式中无 “/2 “ 。,反射相消条件:,当 k=0, e = 99.64 nm,k=1, e =298.92 nm,k=2, e =498.2 nm

    10、,由于光的时间相干性,,可取 k =1 , e =299 nm ,1、增透膜,求:e =299 nm厚度下,反射相长光的波长。,当 k=1 , = 825.2nm,反射干涉相长条件:,k=2 , = 412.6nm,k=3 , = 275.1nm,所以 e =299 nm 的 MgF2 膜对上面的波长是高反射膜,其中 = 412.6nm 的光在可见光范围,镀该种膜的照相机镜头看上去是蓝紫色。,2、高反膜,对某一特定波长反射率大大加强,透射率相应减少。,17.4 等厚干涉,光程差,半波损失情况根据具体情况决定,通常,光垂直入射,光程差随膜的厚度变化等厚干涉,明纹,暗纹,17.4.1 劈尖干涉,亮

    11、纹,暗纹,讨论:,2),e 相 同的条纹在同一级上,,e=0 的棱边处,是暗纹,这是半波损失一例证。,1),条纹间距,等间距,若用白光照射,结果如何?,明纹,暗纹,平移,条纹,条纹疏密情况不变,改变楔角,条纹,楔角变大 条纹变密,劈尖变化对条纹的影响,膜上某一级条纹对应的厚度的变化方向!,条纹间距的变化,相邻条纹的光程差相差一个波长,劈尖干涉的应用,测波长,测折射率,测细小直径、厚度、微小变化,测表面不平度,平整,例:用波长500nm的单色光,垂直照射到空气劈尖上。距棱边L=1.56cm的A处是从棱边算起的第四条暗纹中心,求:空气劈尖的顶角。若改用600nm的单色光垂直照射,从棱边到A处共有几

    12、条明纹?几条暗纹?,解:,A处是第三级明纹,从棱边到A处共有3条明纹,3条暗纹,17.4.2 牛顿环,1) 干涉图样:内疏外密,中心为暗点的圆环。,2)明纹、暗纹条件:,3)明(暗)环的半径:,明环半径,暗环半径,4)暗环半径与 k 的平方根成正比,条纹外密内疏,等倾干涉条纹也是外密内疏,5)越接近环中心,条纹级次越低,等倾干涉,环中心条纹级次高,6)凸透镜略微上移,膜厚度变大,条纹内陷,等倾干涉,膜厚度变大,条纹外冒,8)透射光条纹与反射光条纹互补,但衬比度低,7)白光入射,同一级条纹,l 越大,半径越大由紫到红的彩色条纹,与等倾干涉相反,明纹,如何在实验上区分上述条纹是等倾还是牛顿环?,4

    13、)应用例子:可以用来测量光波波长,用于检测透镜质量,曲率半径等.,1)从反射光中观测,中心点是暗点还是亮点?从透射光中观测,中心点是暗点还是亮点?,2)属于等厚干涉,条纹间距不等,为什么?,3)将牛顿环置于 的液体中,条纹如何变?,明环半径,暗环半径,17.5 迈克尔逊干涉仪,反射镜,反射镜,光程差,平面镜 M1 平移的距离为,反射镜,反射镜,单色光源,解,平面镜 M1 平移的距离为,法布里 珀罗干涉仪(F-P),例、白光垂直照射到空气中一个厚度为380nm的肥皂膜上,假设肥皂膜的折射率为1.33。试问这肥皂膜正面呈什么颜色?背面呈什么颜色?,解:在正面,相干光中一列光波在空气到肥皂膜的界面上

    14、进行反射,有半波损失,另一列光波在肥皂膜到空气的界面上反射,所以两列光波的光程差为:,根据干涉加强的条件,有:,当k=1时,,当k=2时,,所以,当k=3时,,当k=4时,,由此可见,在白光组成范围内,只有23两种波能干涉加强,因此肥皂膜的正面呈现紫红色。,在透射光中,两列相干波中都是在肥皂膜到空气的界面上反射,没有半波损失,所以光程差为:,干涉加强的条件满足:,所以,当k=1时,,当k=2时,,当k=3时,,所以,只有2能干涉加强,所以肥皂膜背面呈现蓝绿色。,解:(1)充液体前后条纹间距分别为:,液体体折射率为,(2) 在距棱边为 L=3.15m处,充液体前,为暗纹.,充液体后,为明纹.,例、两块平板玻璃构成一空气劈尖,用单色平行光垂直照射,在反射光中观察到干涉条纹,其间距为0.35cm.若在此劈尖中充入某种液体,条纹间距变为0.3cm.求:,(1)这种液体的折射率n;,(2)距棱边3.15cm处,在充入液体前后条纹是明还是暗?,

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