大學(xué)物理下第十五章波動(dòng)光學(xué)上

1、大學(xué)物理下第十五章波動(dòng)光學(xué)上電磁波譜 電電 磁磁 波波 譜譜可見(jiàn)光的范圍可見(jiàn)光的范圍15-1 光的相干性光的相干性一、光的電磁理論一、光的電磁理論光是頻率在一定范圍光是頻率在一定范圍內(nèi)，對(duì)人眼能產(chǎn)生視內(nèi)，對(duì)人眼能產(chǎn)生視覺(jué)的電磁波。覺(jué)的電磁波。光矢量光矢量平面簡(jiǎn)諧平面簡(jiǎn)諧電磁波電磁波 電磁波是電場(chǎng)強(qiáng)度電磁波是電場(chǎng)強(qiáng)度 與磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度 的矢量波的矢量波EHOxyz 能夠引起視覺(jué)的是能夠引起視覺(jué)的是 矢量矢量。E 電磁波是電磁波是橫波，橫波， 和和 互相垂直，且與波的傳播互相垂直，且與波的傳播方向垂直。方向垂直。EH 真空中電磁波的傳播速度（光速）真空中電磁波的傳播速度（光速）二、光的相干性二

2、、光的相干性干涉現(xiàn)象是一切波動(dòng)所具有的共同特性。1) 頻率相同頻率相同2) 存在平行的光振動(dòng)分量存在平行的光振動(dòng)分量3) 在相遇點(diǎn)相位差恒定在相遇點(diǎn)相位差恒定 兩列光的相干條件兩列光的相干條件 兩列光相干疊加時(shí)干涉加強(qiáng)與減弱的條件兩列光相干疊加時(shí)干涉加強(qiáng)與減弱的條件 2k 相位差相位差 時(shí)，時(shí)，干涉加強(qiáng)1)2(k相位差相位差 時(shí)，時(shí)，干涉減弱 三、三、普通光源發(fā)光微觀機(jī)制的特點(diǎn)普通光源發(fā)光微觀機(jī)制的特點(diǎn)原子能級(jí)及發(fā)光躍遷原子能級(jí)及發(fā)光躍遷基態(tài)基態(tài)激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)nE躍遷躍遷自發(fā)輻射自發(fā)輻射普通光源的發(fā)光機(jī)制普通光源的發(fā)光機(jī)制自發(fā)輻射自發(fā)輻射P21 普通光源發(fā)光特點(diǎn)：普通光源發(fā)光特點(diǎn)： 原子發(fā)光是斷

3、續(xù)的，每原子發(fā)光是斷續(xù)的，每次發(fā)光形成一長(zhǎng)度有限次發(fā)光形成一長(zhǎng)度有限的波列的波列, 各原子各次發(fā)各原子各次發(fā)光相互獨(dú)立，各波列互光相互獨(dú)立，各波列互不相干。不相干。激光束干涉實(shí)驗(yàn)激光束干涉實(shí)驗(yàn)單色激光光源不同原子所發(fā)的光單色激光光源不同原子所發(fā)的光具有相干性具有相干性（頻率、相位、振（頻率、相位、振動(dòng)方向、傳播方向動(dòng)方向、傳播方向都相同）都相同）激光光源激光光源受激輻射受激輻射E2E1完全一樣 獲取相干光的方法：把光源上同一點(diǎn)發(fā)出的光設(shè)法分成兩部獲取相干光的方法：把光源上同一點(diǎn)發(fā)出的光設(shè)法分成兩部分，然后再使這兩部分疊加起來(lái)。分，然后再使這兩部分疊加起來(lái)。分波面干涉法分波面干涉法*光源光源1s

4、2s楊氏雙縫干涉楊氏雙縫干涉分振幅干涉法分振幅干涉法薄膜干涉薄膜干涉 介質(zhì)中的波長(zhǎng)介質(zhì)中的波長(zhǎng)n真空真空補(bǔ)充：光程和光程差補(bǔ)充：光程和光程差 設(shè)光的頻率為設(shè)光的頻率為 ，在真空中的速度為，在真空中的速度為c，波長(zhǎng)為，波長(zhǎng)為 ，在折，在折射率為射率為n的介質(zhì)中的速度為的介質(zhì)中的速度為v，波長(zhǎng)為，波長(zhǎng)為 ，則，則 分析：光分別在真空和介質(zhì)中傳分析：光分別在真空和介質(zhì)中傳播相同的距離播相同的距離D，相位變化？，相位變化？真空中：介質(zhì)中： 即在介質(zhì)中光線經(jīng)過(guò)即在介質(zhì)中光線經(jīng)過(guò)D距離距離所發(fā)生的相位改變，等于所發(fā)生的相位改變，等于真空中經(jīng)過(guò)真空中經(jīng)過(guò)nD所發(fā)生的相所發(fā)生的相位改變。位改變。 1、光程：光

5、在某一介質(zhì)中行進(jìn)的幾何路程、光程：光在某一介質(zhì)中行進(jìn)的幾何路程 l與該介質(zhì)的折與該介質(zhì)的折射率射率 n 的乘積的乘積 n l 叫做光程。叫做光程。 光程的意義：光程的意義： 設(shè)光在介質(zhì)設(shè)光在介質(zhì)n中的傳播速度為中的傳播速度為v ，在此種介質(zhì)中走過(guò)，在此種介質(zhì)中走過(guò) l 的路程所需的時(shí)間為的路程所需的時(shí)間為 l / v，在相同的時(shí)間內(nèi)光在真空中傳，在相同的時(shí)間內(nèi)光在真空中傳播走過(guò)的路程為：播走過(guò)的路程為： 即介質(zhì)中某一幾何路程的光程，等于光在與走這段路程相同即介質(zhì)中某一幾何路程的光程，等于光在與走這段路程相同時(shí)間內(nèi)在真空中走過(guò)的路程。時(shí)間內(nèi)在真空中走過(guò)的路程。 光程是一個(gè)折合量，在相位改變相同的

6、條件下，把光在光程是一個(gè)折合量，在相位改變相同的條件下，把光在介質(zhì)中傳播的路程折合為光在真空中傳播的相應(yīng)路程。介質(zhì)中傳播的路程折合為光在真空中傳播的相應(yīng)路程。光程光程2、光程差、光程差 相位差與光程差的關(guān)系：相位差與光程差的關(guān)系：一列光波如經(jīng)兩種媒質(zhì)，則光程為一列光波如經(jīng)兩種媒質(zhì)，則光程為SPrdnn說(shuō)明說(shuō)明 干涉加強(qiáng)：干涉加強(qiáng)： 干涉減弱：干涉減弱：一、楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)一、楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象2SS1S15-2 楊氏雙縫干涉楊氏雙縫干涉明條紋明條紋明條紋明條紋明條紋明條紋明條紋明條紋明條紋明條紋xB1r2r由由S1、S2發(fā)出的光波到發(fā)出的光波到B點(diǎn)的光程差為：點(diǎn)的光程差為：OS1S2Sd

7、D理論分析理論分析1、在、在B點(diǎn)發(fā)生干涉加強(qiáng)的條件為點(diǎn)發(fā)生干涉加強(qiáng)的條件為2、在、在B點(diǎn)發(fā)生干涉減弱的條件為點(diǎn)發(fā)生干涉減弱的條件為 B點(diǎn)處出現(xiàn)明條紋。點(diǎn)處出現(xiàn)明條紋。k = 0的明紋稱(chēng)為中央明紋，的明紋稱(chēng)為中央明紋，k = 1，2，3，對(duì)應(yīng)明紋為第一級(jí)，第二級(jí)，第三級(jí)，對(duì)應(yīng)明紋為第一級(jí)，第二級(jí)，第三級(jí)，明明紋。紋。 B點(diǎn)處出現(xiàn)暗條紋。點(diǎn)處出現(xiàn)暗條紋。k = 1，2，對(duì)應(yīng)暗紋為第一對(duì)應(yīng)暗紋為第一級(jí)，第二級(jí)，級(jí)，第二級(jí)，暗紋。暗紋。4、相鄰兩明紋、相鄰兩明紋(或暗紋或暗紋)中心間的距離為：中心間的距離為： 3、波程差為其它值的點(diǎn)，光強(qiáng)介于最明與最暗之間。因、波程差為其它值的點(diǎn)，光強(qiáng)介于最明與最暗之

8、間。因此上述兩條紋分別是明紋中心和暗紋中心。此上述兩條紋分別是明紋中心和暗紋中心。 1) 干涉條紋是等距分布的，且各級(jí)明、暗條紋對(duì)稱(chēng)分布干涉條紋是等距分布的，且各級(jí)明、暗條紋對(duì)稱(chēng)分布在中央明紋兩側(cè)。在中央明紋兩側(cè)。 2) 當(dāng)當(dāng)D、 一定時(shí)，一定時(shí)， x與與d成反比，成反比，d 越小，條紋分辨越越小，條紋分辨越清。清。說(shuō)明說(shuō)明 3) 當(dāng)當(dāng)D 、d 一定時(shí)，一定時(shí)， x與與 成正比，波長(zhǎng)大的相鄰條紋成正比，波長(zhǎng)大的相鄰條紋間距大，波長(zhǎng)小的相鄰條紋間距小。間距大，波長(zhǎng)小的相鄰條紋間距小。 、 D一定時(shí)條紋間距一定時(shí)條紋間距 x與與 d 的關(guān)系的關(guān)系d、 D一定時(shí)，一定時(shí)， x隨隨 的變化的變化 用白

9、光做光源時(shí)，除中央明紋是白光外，其它各級(jí)條紋用白光做光源時(shí)，除中央明紋是白光外，其它各級(jí)條紋是彩色的，紫在內(nèi)紅在外；不同級(jí)次的條紋可能發(fā)生重疊。是彩色的，紫在內(nèi)紅在外；不同級(jí)次的條紋可能發(fā)生重疊。三、勞埃德鏡三、勞埃德鏡1sPM2sdDPL在在L處為一暗紋處為一暗紋結(jié)論：結(jié)論： 當(dāng)光波由光疏介質(zhì)當(dāng)光波由光疏介質(zhì)(折射率較小折射率較小)射向光密介質(zhì)射向光密介質(zhì)(折射率較大折射率較大)時(shí)，被光密介質(zhì)反射的光在反射點(diǎn)有相位時(shí)，被光密介質(zhì)反射的光在反射點(diǎn)有相位 的躍變，這一躍的躍變，這一躍變相當(dāng)于反射光與入射光這間附加了半個(gè)波長(zhǎng)的波程差，故變相當(dāng)于反射光與入射光這間附加了半個(gè)波長(zhǎng)的波程差，故稱(chēng)作半波損

10、失。稱(chēng)作半波損失。 例例1 如圖雙縫，已知入射光波長(zhǎng)為如圖雙縫，已知入射光波長(zhǎng)為 ，將折射率為將折射率為 n 的劈的劈尖緩慢插入光線尖緩慢插入光線 2 中，在劈尖移動(dòng)過(guò)程中，問(wèn)中，在劈尖移動(dòng)過(guò)程中，問(wèn) 1）干涉條）干涉條紋間距是否變化？紋間距是否變化？ 2）條紋如何移動(dòng)？）條紋如何移動(dòng)？S1s2s1r2roS1s2s1r2roe1r2ro 解：解：1）條紋間）條紋間距不變。距不變。O點(diǎn)為零級(jí)明紋位置點(diǎn)為零級(jí)明紋位置零級(jí)明紋位置下移零級(jí)明紋位置下移2）無(wú)劈尖時(shí)）無(wú)劈尖時(shí)有劈尖時(shí)有劈尖時(shí) 例例2 在雙縫實(shí)驗(yàn)中，入射光的波長(zhǎng)為在雙縫實(shí)驗(yàn)中，入射光的波長(zhǎng)為550nm，用一厚，用一厚 e =2.8510

11、4cm的透明薄片蓋著的透明薄片蓋著S1縫，結(jié)果中央明紋移到原來(lái)縫，結(jié)果中央明紋移到原來(lái)第三條明紋處，求透明薄片的折射率。第三條明紋處，求透明薄片的折射率。解：加透明薄片后，光路的光程為解：加透明薄片后，光路的光程為 P點(diǎn)是中央明紋，兩光點(diǎn)是中央明紋，兩光路的光程差應(yīng)等于路的光程差應(yīng)等于0 不加透明薄片時(shí)，在不加透明薄片時(shí)，在P點(diǎn)處有：點(diǎn)處有：由以上兩式可得：由以上兩式可得：是云母片。是云母片。S1S2SdDOP1r2rP1n1n2n1M2MeLE2AC1B2115-3 薄膜干涉薄膜干涉 薄膜薄膜 油膜、肥皂膜、透明的電介質(zhì)薄板、夾在兩塊玻油膜、肥皂膜、透明的電介質(zhì)薄板、夾在兩塊玻璃板之間的空氣

12、薄層或其它流體薄層。璃板之間的空氣薄層或其它流體薄層。iDrr一、薄膜干涉一、薄膜干涉1、2光的光程差：光的光程差：i干涉加強(qiáng)干涉加強(qiáng)干涉減弱干涉減弱反射光的光程差反射光的光程差干涉條件為：干涉條件為： 當(dāng)光線垂直入射時(shí)當(dāng)光線垂直入射時(shí) 1n1n2ne討論討論(1) 透射光的光程差透射光的光程差透射光和反射光干涉具透射光和反射光干涉具有互有互 補(bǔ)補(bǔ) 性，符合能量守性，符合能量守恒定律。恒定律。(2) 透鏡不引起附加的光程差透鏡不引起附加的光程差FABo焦平面焦平面FAB焦平面焦平面P1n1n2n1M2MeLiDB21E2ArrC1半波損失半波損失SMDTL二、等厚干涉二、等厚干涉劈尖干涉和牛頓

13、環(huán)劈尖干涉和牛頓環(huán)劈尖角劈尖角 1n1nne1、劈形膜、劈形膜 劈尖干涉劈尖干涉明紋明紋暗紋暗紋討討 論論2）在棱邊處：）在棱邊處：為暗紋為暗紋1）相鄰明紋（暗紋）間的厚度差）相鄰明紋（暗紋）間的厚度差 e3）相鄰明紋（暗紋）中心間距離）相鄰明紋（暗紋）中心間距離l l e明紋明紋暗紋暗紋(明紋明紋)劈尖干涉條紋的特點(diǎn)：劈尖干涉條紋的特點(diǎn)：(1) 是一組平行于棱邊、明暗相間、等間距的直條紋。是一組平行于棱邊、明暗相間、等間距的直條紋。 (2) 劈尖角劈尖角 越大，越大， 條紋間距越??；當(dāng)條紋間距越??；當(dāng) 大到一定程度時(shí)，大到一定程度時(shí)，條紋過(guò)密而分辨不清，因此一般要求條紋過(guò)密而分辨不清，因此一

14、般要求 角很小。角很小。 討論題：在下列三種情況下，干涉條紋將發(fā)生怎樣的變討論題：在下列三種情況下，干涉條紋將發(fā)生怎樣的變化？化？間距不變間距不變間距不變間距不變變密變密2）測(cè)膜厚）測(cè)膜厚Sie1n2n2SiO1）干涉膨脹儀）干涉膨脹儀0ll工件表面紋路工件表面紋路是凹的是凹的3）檢驗(yàn)光學(xué)元件表面的平整度）檢驗(yàn)光學(xué)元件表面的平整度4）測(cè)細(xì)絲的直徑）測(cè)細(xì)絲的直徑1nn1nLd1nsin2ln 例例1 折射率為折射率為n=1.60的兩塊平面玻璃板之間形成一空氣劈尖的兩塊平面玻璃板之間形成一空氣劈尖，用波長(zhǎng)，用波長(zhǎng) =600nm的單色光垂直照射，產(chǎn)生等厚干涉條紋，若的單色光垂直照射，產(chǎn)生等厚干涉條紋

15、，若在劈尖內(nèi)充滿在劈尖內(nèi)充滿n=1.40的液體，相鄰明紋間距縮小的液體，相鄰明紋間距縮小 l = 0.5mm，求劈尖角，求劈尖角 。 解：設(shè)空氣劈尖時(shí)相鄰明紋間距為解：設(shè)空氣劈尖時(shí)相鄰明紋間距為l1，液體劈尖時(shí)相鄰明紋，液體劈尖時(shí)相鄰明紋間距為間距為l2，由間距公式，由間距公式 例例2 制造半導(dǎo)體元件時(shí)，常需精確測(cè)定硅片上鍍有二氧化制造半導(dǎo)體元件時(shí)，常需精確測(cè)定硅片上鍍有二氧化硅薄膜的厚度，可用化學(xué)方法把薄膜的一部分腐蝕成劈尖形硅薄膜的厚度，可用化學(xué)方法把薄膜的一部分腐蝕成劈尖形，用波長(zhǎng)，用波長(zhǎng) =589.3nm的單色光從空氣垂直照射，二氧化硅的的單色光從空氣垂直照射，二氧化硅的折射率折射率

16、n=1.5，硅的折射率為，硅的折射率為 3.42，若觀察到如圖所示的，若觀察到如圖所示的7條明紋。問(wèn)二氧化硅膜的厚度條明紋。問(wèn)二氧化硅膜的厚度d =?2SiOSid 解：上下兩面都有半波損失解：上下兩面都有半波損失，互相抵消，光程差為：，互相抵消，光程差為： 棱邊處棱邊處 e=0 , 對(duì)應(yīng)于對(duì)應(yīng)于 k=0 , 所以厚度為所以厚度為 d 處的明紋對(duì)應(yīng)處的明紋對(duì)應(yīng)于于 k=6 , 故二氧化硅膜的厚度為故二氧化硅膜的厚度為:2、牛頓環(huán)、牛頓環(huán) 曲率半徑很大的平凸透鏡放在平玻璃板上，在其之間形曲率半徑很大的平凸透鏡放在平玻璃板上，在其之間形成環(huán)狀劈形空氣層，用單色光垂直照射在平凸透鏡上可以成環(huán)狀劈形空

17、氣層，用單色光垂直照射在平凸透鏡上可以觀察到一組明暗相間的同心圓環(huán)，稱(chēng)為牛頓環(huán)。觀察到一組明暗相間的同心圓環(huán)，稱(chēng)為牛頓環(huán)。 牛頓環(huán)干涉圖樣牛頓環(huán)干涉圖樣顯微鏡顯微鏡SL M半透半透半反鏡半反鏡T厚度為厚度為e處空氣層上下表面反射光程差為：處空氣層上下表面反射光程差為：當(dāng)當(dāng) e = 0 時(shí)，時(shí)， = /2，中心暗斑。，中心暗斑。Re明紋明紋暗紋暗紋暗環(huán)半徑暗環(huán)半徑明環(huán)半徑明環(huán)半徑r1）牛頓環(huán)）牛頓環(huán)屬于等厚干涉，但條紋間距不等，為什么？屬于等厚干涉，但條紋間距不等，為什么？2）將牛頓環(huán)置于）將牛頓環(huán)置于n 1 的液體中，條紋如何變？的液體中，條紋如何變？討討論論), 2 , 1 , 0(k暗環(huán)半

18、徑暗環(huán)半徑明環(huán)半徑明環(huán)半徑), 3 , 2 , 1(kRkr)21( kRr 條紋變密集條紋變密集3）牛頓環(huán)的應(yīng)用：牛頓環(huán)的應(yīng)用：測(cè)量平凸透鏡的曲率半徑、測(cè)量平凸透鏡的曲率半徑、測(cè)量光波波長(zhǎng)等測(cè)量光波波長(zhǎng)等 例題例題 用氦氖激光器發(fā)出的波長(zhǎng)為用氦氖激光器發(fā)出的波長(zhǎng)為633nm的單色光做牛頓環(huán)實(shí)的單色光做牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)，測(cè)得第驗(yàn)，測(cè)得第 k 個(gè)暗環(huán)的半徑為個(gè)暗環(huán)的半徑為5.63mm，第，第 k+5 暗環(huán)的半徑為暗環(huán)的半徑為7.96mm，求平凸透鏡的曲率半徑，求平凸透鏡的曲率半徑R。解：解： 增透膜增透膜 在透鏡表面鍍一層厚度均勻的透明介質(zhì)膜，使其上在透鏡表面鍍一層厚度均勻的透明介質(zhì)膜，使其上、下表面對(duì)某種色光的反射光產(chǎn)生相消干涉，其結(jié)果是減少、下表面對(duì)某種色光的反射光產(chǎn)生相消干涉，其結(jié)果是減少了該光的反射，增加了它的透射。了該光的反射，增加了它的透射。照相機(jī)鏡頭眼鏡三、增反膜和增透膜三、增反膜和增透膜激光器諧振腔宇航服 增反膜增