第九章第一節(jié)

1、 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL第九章 光的干涉 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL光是一種電磁波光是一種電磁波001c c ：光在真空中的傳播速度：光在真空中的傳播速度rrc v v ：電磁波在介質(zhì)中的速度：電磁波在介質(zhì)中的速度rrcn n：透明介質(zhì)的折射率：透明介質(zhì)的折射率可見光可見光 在真空中的波長范圍為在真空中的波長范圍為350 770nm 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL光源：發(fā)射光波的物體熱光源冷光源新光源 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL熱光源：白熾燈，弧光燈 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)

2、原理及工程應(yīng)用WL光源：發(fā)射光波的物體熱光源：白熾燈，弧光燈冷光源新光源電致發(fā)光氣體，He、Ne、Ar等，霓虹燈；金屬氣體，Na，Hg；固體，LED 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL霓虹燈LED燈 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL光源：發(fā)射光波的物體熱光源：白熾燈，弧光燈冷光源新光源電致發(fā)光光致發(fā)光氣體，He、Ne、Ar等，霓虹燈；金屬氣體，Na，Hg；固體，LED熒光磷光 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL熒光 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL磷光具有磷光性的粉末分別處于可見光下、紫外線下和完全黑暗的環(huán)境中 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)

3、用WL光源：發(fā)射光波的物體熱光源：白熾燈，弧光燈冷光源新光源電致發(fā)光光致發(fā)光氣體，He、Ne、Ar等，霓虹燈；金屬氣體，Na，Hg；固體，LED熒光磷光化學(xué)發(fā)光 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL化學(xué)發(fā)光腐爛物中的磷在空氣中氧化而發(fā)光 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL光源：發(fā)射光波的物體熱光源：白熾燈，弧光燈冷光源新光源：激光，同步輻射光源，自由電子激光電致發(fā)光光致發(fā)光氣體，He、Ne、Ar等，霓虹燈；金屬氣體，Na，Hg；固體，LED熒光磷光化學(xué)發(fā)光 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL激光(Laser)Light Amplification by Stimul

4、ated Emission of Radiation特點：亮度高，方向性好，單色性好，相干性好Green (520 nm),blue-violet (445 nm)red (635 nm) lasersLaser, quantum principle 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL同步輻射光源Synchrotron radiation特點：具有從遠(yuǎn)紅外到X光范圍內(nèi)的連續(xù)光譜，高強度，高度準(zhǔn)直，高度極化，特性可精確控制等優(yōu)異性能上海同步輻射光源工程 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL自由電子激光Free-electron laser特點：頻率連續(xù)可調(diào)，頻譜范圍廣，峰值功率

5、和平均功率大，且可調(diào)，相干性好，偏振強，具有ps量級脈沖的時間結(jié)構(gòu)，且時間結(jié)構(gòu)可控， 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL9.1 光干涉儀在光學(xué)檢測中的應(yīng)用一、 干涉原理1. 光的相干條件 相干光相干光 兩列光波兩列光波頻率頻率相同相同_光矢量光矢量振動方向振動方向相同相同 初相差初相差恒定恒定相干光源相干光源 可以產(chǎn)生兩列相干光的光源可以產(chǎn)生兩列相干光的光源 為什么一個光源上不同位置發(fā)出的光不能進行干涉？為什么一個光源上不同位置發(fā)出的光不能進行干涉？ 為什么兩個相同的獨立光源發(fā)出的光不能進行干涉？為什么兩個相同的獨立光源發(fā)出的光不能進行干涉？ 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用

6、WL原子發(fā)光機制 原子或分子從較高能量狀態(tài)躍遷原子或分子從較高能量狀態(tài)躍遷到較低能量狀態(tài)，釋放能量發(fā)出光子到較低能量狀態(tài)，釋放能量發(fā)出光子 輻射時間輻射時間10-910-8 s 相應(yīng)發(fā)出了一段光波相應(yīng)發(fā)出了一段光波_波列波列 光的頻率與原子的能級差光的頻率與原子的能級差有關(guān)，從不同的能級向下躍遷有關(guān)，從不同的能級向下躍遷發(fā)出不同頻率的光發(fā)出不同頻率的光普通光源普通光源 復(fù)色光復(fù)色光從固定的兩個能級躍遷從固定的兩個能級躍遷 單色光單色光 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL 不論是復(fù)色光不論是復(fù)色光_還是單色光還是單色光 原子處于較高能級向下躍遷不是同步的！隨機任意的！原子處于較高能級向

7、下躍遷不是同步的！隨機任意的！ 兩個波列之間兩個波列之間 沒有沒有恒定的相位差恒定的相位差 疊加光強只是兩束光疊加光強只是兩束光 的光強直接相加的光強直接相加 P點疊加是非相干的點疊加是非相干的 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL2. 兩列相干光疊加后的光強分布各向同性介質(zhì)中兩光源各向同性介質(zhì)中兩光源 頻率相同頻率相同 _光矢量振動方向平行光矢量振動方向平行_初相初相12and11012202cos()cos()EEtEEt兩列光波在空間兩列光波在空間P點的振動為：點的振動為：120cos()EEEEt222010201020212cos()EEEE E5/1122220010201

8、0202100112cos()IEE dtEEE Edt在某一時間間隔在某一時間間隔內(nèi)，合內(nèi)，合振動的平均相對強度振動的平均相對強度 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL5/11222200102010202100112cos()IEE dtEEE Edt在某一時間間隔在某一時間間隔內(nèi)，合內(nèi)，合振動的平均相對強度振動的平均相對強度非相干光非相干光在觀測時間內(nèi)，初相位各自獨立地做不規(guī)在觀測時間內(nèi)，初相位各自獨立地做不規(guī)則的改變，概率均等地在觀測時間內(nèi)多次歷經(jīng)從則的改變，概率均等地在觀測時間內(nèi)多次歷經(jīng)從0到到2之之間的一切可能值間的一切可能值2101cos()0dt兩振動的相位差在觀測時間

9、內(nèi)無規(guī)則變化，兩振動的相位差在觀測時間內(nèi)無規(guī)則變化， 不出現(xiàn)干涉現(xiàn)象不出現(xiàn)干涉現(xiàn)象21( )f t22201020EEE12III 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL5/11222200102010202100112cos()IEE dtEEE Edt在某一時間間隔在某一時間間隔內(nèi)，合內(nèi)，合振動的平均相對強度振動的平均相對強度22201020102021121 2212cos()2cos()IEEEE EIII I相干光相干光在觀測時間內(nèi)，兩電磁振動各自進行，在觀測時間內(nèi)，兩電磁振動各自進行， 相位差恒定相位差恒定21 121 22cosIIII I 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及

10、工程應(yīng)用WL合振動的平均強度介乎兩者之間，若振幅相同，合振動的平均強度介乎兩者之間，若振幅相同，222102102(1cos)4cos2IEEcos122max102012()()IEEII(21)k 22min102012()()IEEII干涉相長干涉相長干涉相消干涉相消121 22cosIIII Imax04IImin0I120III2k cos1 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL121 22cospIIII I 兩個光源的初相差恒定時兩個光源的初相差恒定時 兩列光波在相遇的區(qū)域疊加兩列光波在相遇的區(qū)域疊加 光強具有穩(wěn)定分布與時間無關(guān)光強具有穩(wěn)定分布與時間無關(guān) 為其它值時光強介

11、于最大和最小之間為其它值時光強介于最大和最小之間21122 ()()rr 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL3. 獲得相干光的方法1) 分波振面法分波振面法 相同波面上取兩個子波源相同波面上取兩個子波源 子波源發(fā)出的兩列光波為相干光子波源發(fā)出的兩列光波為相干光 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL2) 分振幅法分振幅法 同一束光分成兩束同一束光分成兩束_經(jīng)過不同的路徑經(jīng)過不同的路徑 在空間一點相遇發(fā)生干涉在空間一點相遇發(fā)生干涉 薄膜等傾干涉薄膜等傾干涉 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL 邁克耳遜干涉邁克耳遜干涉 獲得相干光的方法獲得相干光的方法 分振幅法分振幅法1

12、1/11 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL二、 光程和光程差光源的振動：光源的振動：到達到達P點的振動：點的振動：211221()2 ()rr在任意時刻的相位差：在任意時刻的相位差： 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL1111/cTnT2222/cTnT2 21 12()n rn r真空中的波長真空中的波長211221()2 ()rr取取12212122rrnr 光程光程 2 21 1n rn r光程差光程差 2相位差相位差 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL2rnr nr 光程的意義光程的意義 光在介質(zhì)光在介質(zhì)n中傳播距離中傳播距離r引起的相位變化引起的相位變

13、化 在相同時間在相同時間t里，光在真空中傳播的距離里，光在真空中傳播的距離2nr2ctcr 光在不同介質(zhì)中傳播的距離引起的相位變化光在不同介質(zhì)中傳播的距離引起的相位變化 統(tǒng)一用光在真空中發(fā)生相位變化的計算統(tǒng)一用光在真空中發(fā)生相位變化的計算n 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL, 例題例題01 空氣中，在空氣中，在S2P光路中放置一個厚度為光路中放置一個厚度為x 折射率為折射率為n的透明介質(zhì)，計算兩束光波在的透明介質(zhì)，計算兩束光波在P的相位差。的相位差。120.5,0.48,0.1dmm dmmxmm1200.51,1.5mnn已知已知 光束光束1到到P點的光程點的光程光束光束2到到P

14、點的光程點的光程101n d 202()n dxnx 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL相差相差21 12()20021()()22nn xn dd121101202()n dn dxnx 光程差光程差0021()()nn xn dd120.5 m 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL光的等光程性1) 來自物點來自物點S的各條光束到達的各條光束到達S的光程相同的光程相同 發(fā)自物點發(fā)自物點S不同角度的光束在經(jīng)過透鏡后會聚在不同角度的光束在經(jīng)過透鏡后會聚在S點點 各光束到各光束到S點的光程相同點的光程相同S點點 亮點亮點S點點 干涉相長干涉相長 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工

15、程應(yīng)用WL2) 平面波波面上的各點發(fā)出的光到達點平面波波面上的各點發(fā)出的光到達點F的光程相同的光程相同 波面上波面上a,b,c三點相位相同三點相位相同_經(jīng)透鏡會聚在焦點經(jīng)透鏡會聚在焦點F 三光束在三光束在F點是干涉相長點是干涉相長 三束光到三束光到F點的光程相等點的光程相等 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL a,b,c三點到三點到F點的光程相等點的光程相等 物點物點S的光經(jīng)過透鏡的光經(jīng)過透鏡L1和和L2后在焦平面一點后在焦平面一點F會聚會聚透鏡可以改變光傳播的方向透鏡可以改變光傳播的方向_但不增加額外的光程但不增加額外的光程 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL1 1 楊氏

16、雙縫干涉儀楊氏雙縫干涉儀S，S1和和S2 3個平行狹縫個平行狹縫 平行單色光入射單縫平行單色光入射單縫 S1 和和S2是相干子光源是相干子光源12S SdD三、幾種典型的干涉儀 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL 頻率相同頻率相同 光矢量振動方向光矢量振動方向 垂直紙面垂直紙面12120IIIS1 和和S2相干子光源相干子光源 P點光強的計算點光強的計算 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL221S Crr,d xDsintantansinxDd 兩光到兩光到P點光程差點光程差考慮到考慮到21S S C dxD 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL122()2兩列光波

17、在兩列光波在P點相差點相差12012IIIdxD121 22cospIIII IP點的光強點的光強022(1cos)I 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL2dxD干涉相長干涉相長2k k (21)2k 干涉相消干涉相消(21)k 121 22cospIIII IP點的光強點的光強022(1cos)IDxkd (21)2Dxkd 暗條紋位置暗條紋位置明條紋位置明條紋位置 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WLDxkd 2max120()4PIIII(21)2Dxkd 2min12()0PIII明條紋位置明條紋位置暗條紋位置暗條紋位置022(1cos)PII(21)2kdxDk 物

18、理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WLDxd 干涉條紋特點干涉條紋特點Dxkd (21)2Dxkd 明條紋明條紋暗條紋暗條紋1) 平行雙縫明暗相間的條紋平行雙縫明暗相間的條紋2) 相鄰明條紋或暗條紋的間距相鄰明條紋或暗條紋的間距 等間距條紋等間距條紋 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL3) 白光光源白光光源 除中央零級條紋為白色外除中央零級條紋為白色外 兩邊對稱分布為彩色條紋兩邊對稱分布為彩色條紋_光譜光譜 同一級干涉條紋同一級干涉條紋 波長短的條紋波長短的條紋_距離中心越近距離中心越近 Dxkd 明條紋的位置明條紋的位置 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL洛埃德鏡洛埃

19、德鏡(Lloyds mirror)實驗實驗 來自來自S1的光波和來自反射面的光波和來自反射面(來自虛光源來自虛光源S2)的光的光 進行干涉形成干涉條紋進行干涉形成干涉條紋半波損失半波損失 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL 光以掠射入射角從光疏介質(zhì)射入光密介質(zhì)時光以掠射入射角從光疏介質(zhì)射入光密介質(zhì)時 反射光相對于入射光的相位發(fā)生反射光相對于入射光的相位發(fā)生相變相變 S1和和S2光在光在M點相差為零點相差為零_P點應(yīng)為干涉相長點應(yīng)為干涉相長 實際為暗條紋實際為暗條紋 兩光在兩光在P點相位相反點相位相反 相變相變 半波損失半波損失10/16 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL

20、光疏介質(zhì)到光密介質(zhì)光疏介質(zhì)到光密介質(zhì) 反射光反射光有半波損失有半波損失 透射光無半波損失透射光無半波損失 光密介質(zhì)到光疏介質(zhì)光密介質(zhì)到光疏介質(zhì) 反射光和透射光反射光和透射光 均無半波損失均無半波損失 半波損失半波損失 發(fā)生的條件發(fā)生的條件 光以近似垂直光以近似垂直_或掠射介質(zhì)表面或掠射介質(zhì)表面 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL2 薄膜等厚干涉薄膜等厚干涉_劈尖干涉劈尖干涉_干涉熱漲儀干涉熱漲儀空氣劈尖空氣劈尖_上表面反射光上表面反射光 無半波損失無半波損失 下表面反射光下表面反射光 有半波損失 來自來自上表面的反射光上表面的反射光1 和和下表面的反射光下表面的反射光2干涉干涉 物理

21、學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL22222(21)2kn hk劈尖干涉結(jié)果討論劈尖干涉結(jié)果討論1) 條紋定域條紋定域 兩束反射光在上表面相遇兩束反射光在上表面相遇 干涉條紋位于劈尖上表面干涉條紋位于劈尖上表面 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL122kkhhn22sinan2) 相鄰條紋對應(yīng)薄膜厚度相鄰條紋對應(yīng)薄膜厚度3) 條紋的間距條紋的間距 明條紋或暗條紋明條紋或暗條紋22222(21)2kn hk 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL4) 增大或減小增大或減小_條紋間距減小或增大條紋間距減小或增大5) h=0 最小級條紋最小級條紋 h=hmax 最大級條紋最大級條紋22sinan22(21)22n hk 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL 等厚干涉應(yīng)用等厚干涉應(yīng)用 微小長度測量微小長度測量 固體線膨脹系數(shù)測定固體線膨脹系數(shù)測定 222(21)222sinn hkan 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL3 薄膜等厚干涉薄膜等厚干涉牛頓環(huán)牛頓環(huán) 物理學(xué)原理及工程應(yīng)用物理學(xué)原理及工程應(yīng)用WL 曲率半徑很大的平凸透鏡置于一塊平玻璃板上曲率半徑很大的平凸透鏡置于一塊平玻璃板上 兩者位于折射率為兩者位于折射率為n的介質(zhì)中的介質(zhì)中 單色光垂直入射平凸透鏡的上表面單色光垂直入射平凸透鏡的上表面 在平凸透鏡下表面形成明暗相間的