第3章光的干涉1

1、1 光學(xué)光學(xué)-研究研究 光的現(xiàn)象光的現(xiàn)象; 光的本性光的本性; 光與物質(zhì)的相互作用光與物質(zhì)的相互作用.20世紀(jì)世紀(jì)60年代激光問世后，光學(xué)有了年代激光問世后，光學(xué)有了飛速的發(fā)展，形成了飛速的發(fā)展，形成了非線性光學(xué)非線性光學(xué)等等現(xiàn)代光學(xué)現(xiàn)代光學(xué)。幾何光學(xué)：幾何光學(xué)：以光的直線傳播規(guī)律為基礎(chǔ)，以光的直線傳播規(guī)律為基礎(chǔ)， 研究各種光學(xué)儀器的理論。研究各種光學(xué)儀器的理論。量子光學(xué)：量子光學(xué)：以光的量子理論為基礎(chǔ)，以光的量子理論為基礎(chǔ)， 研究光與物質(zhì)相互作用的規(guī)律。研究光與物質(zhì)相互作用的規(guī)律。波動(dòng)光學(xué)：波動(dòng)光學(xué)：以光的電磁波本性為基礎(chǔ)，以光的電磁波本性為基礎(chǔ)， 研究傳播規(guī)律，特別是干涉、衍射、偏振研究傳

2、播規(guī)律，特別是干涉、衍射、偏振 的理論和應(yīng)用。的理論和應(yīng)用。2光的波動(dòng)性光的波動(dòng)性: :判判據(jù)據(jù)干涉現(xiàn)象干涉現(xiàn)象衍射現(xiàn)象衍射現(xiàn)象光波的特點(diǎn)：光波的特點(diǎn)：波長短波長短3900 - 7800 速度高速度高光源在原子內(nèi)部光源在原子內(nèi)部3 4水膜在白光下水膜在白光下白光下的肥皂膜白光下的肥皂膜豐富多彩的干涉現(xiàn)象豐富多彩的干涉現(xiàn)象5蟬翅在陽光下蟬翅在陽光下蜻蜓翅膀在陽光下蜻蜓翅膀在陽光下白光下的油膜白光下的油膜肥皂泡玩過嗎肥皂泡玩過嗎?6等傾條紋等傾條紋牛頓環(huán)牛頓環(huán)( (等厚條紋等厚條紋) )測油膜厚度測油膜厚度平晶間空氣隙干涉條紋平晶間空氣隙干涉條紋7電磁波譜電磁波譜是能引起人的視覺的那部分電磁波是能

3、引起人的視覺的那部分電磁波人眼最敏感的光：黃綠光，中心波長人眼最敏感的光：黃綠光，中心波長555555nmnm210310102103101110)(m對(duì)數(shù)坐標(biāo)對(duì)數(shù)坐標(biāo)軟軟x射線射線真空紫真空紫外線外線紫外光紫外光可見光可見光近紅近紅外光外光中紅中紅外光外光遠(yuǎn)紅外光遠(yuǎn)紅外光宇宙射線宇宙射線 射線射線 x射線射線微波微波短短波波中中波波長波長波10108106104102102104106108101010)(m1對(duì)數(shù)坐標(biāo)對(duì)數(shù)坐標(biāo)光光 波波390450492577597622760)(nm線性坐標(biāo)系線性坐標(biāo)系紫紫 靛靛藍(lán)藍(lán)綠綠黃黃橙橙紅紅青青470424注：注：波長的波長的數(shù)據(jù)各種資數(shù)據(jù)各種資料

4、不統(tǒng)一，料不統(tǒng)一，稍有不同稍有不同83-1 3-1 一一. . 普通光源與激光光源普通光源與激光光源光源的最基本的發(fā)光光源的最基本的發(fā)光單元是分子、原子。單元是分子、原子。（1）熱輻射）熱輻射（2）電致發(fā)光）電致發(fā)光（3）光致發(fā)光）光致發(fā)光（4）化學(xué)發(fā)光）化學(xué)發(fā)光光源光源冷光源：冷光源：利用熱能激發(fā)的光源利用熱能激發(fā)的光源熱光源：熱光源：利用化學(xué)能、電能或光能激發(fā)的光源利用化學(xué)能、電能或光能激發(fā)的光源光源光源-發(fā)光的物體發(fā)光的物體91.1.普通光源：自發(fā)輻射普通光源：自發(fā)輻射獨(dú)立獨(dú)立（同一原子不同時(shí)刻發(fā)的光）（同一原子不同時(shí)刻發(fā)的光）獨(dú)立獨(dú)立 （不同原子同一時(shí)刻發(fā)的光）（不同原子同一時(shí)刻發(fā)的光

5、） = (E2-E1)/hE1E2自發(fā)輻射躍遷自發(fā)輻射躍遷波列波列波列長波列長 L = t c發(fā)光時(shí)間發(fā)光時(shí)間t t 10-8s原子發(fā)光：原子發(fā)光：方向不定的振動(dòng)方向不定的振動(dòng) 瞬息萬變的初位相瞬息萬變的初位相此起彼伏的間歇振動(dòng)此起彼伏的間歇振動(dòng)102 激光光源：受激輻射激光光源：受激輻射E1E2 = (E2-E1)/h 可以實(shí)現(xiàn)光放大可以實(shí)現(xiàn)光放大;單色性好單色性好;相干性好。相干性好。例如例如:氦氖激光器氦氖激光器; 紅寶石激光器紅寶石激光器; 半導(dǎo)體激光器等等。半導(dǎo)體激光器等等。完全一樣完全一樣（頻率頻率, 相位相位,振動(dòng)方向振動(dòng)方向,傳播方向傳播方向都相同）都相同）11二二. . 光的

6、單色性光的單色性實(shí)際原子的發(fā)光實(shí)際原子的發(fā)光:是一個(gè)有限長的波列是一個(gè)有限長的波列,所以所以不是嚴(yán)格的余弦函數(shù)不是嚴(yán)格的余弦函數(shù),只能說是準(zhǔn)單色光只能說是準(zhǔn)單色光: 在某個(gè)中心頻率（波長）附近有一定頻率在某個(gè)中心頻率（波長）附近有一定頻率 （波長）范圍的光。（波長）范圍的光。衡量單色性好壞的衡量單色性好壞的物理量是物理量是譜線寬度譜線寬度 理想的單色光：理想的單色光：具有恒定單一波長的簡諧波，具有恒定單一波長的簡諧波，它是無限伸展的。它是無限伸展的?；騿我活l率的光或單一頻率的光例例:普通單色光普通單色光 : 10-2 10 0A 激光激光 ：10-8 10-5 A 0 0II0I0 / 2譜線

7、寬度譜線寬度12三、復(fù)色光三、復(fù)色光復(fù)色光：復(fù)色光：由各種頻率復(fù)合的光由各種頻率復(fù)合的光實(shí)際波列有限長實(shí)際波列有限長復(fù)色光復(fù)色光13pS * *分波陣面法分波陣面法分振幅法分振幅法p薄膜薄膜S S * *14楊楊(T.Young)在在1801年年首先首先發(fā)現(xiàn)光的干涉發(fā)現(xiàn)光的干涉現(xiàn)象，并首次測量了現(xiàn)象，并首次測量了光波的波長。光波的波長。15S1S2SdS 1、S 2 是同一光源是同一光源 S 形成的，振動(dòng)方向相同、頻率形成的，振動(dòng)方向相同、頻率相同、相位差恒定，滿足相干條件，產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。相同、相位差恒定，滿足相干條件，產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。16x12rr 1r2rPS0D1S2Sd12rr sind

8、dtgDxdDxDd:條件17xdDk明紋明紋dDk212暗紋暗紋3,2, 1,0kDxd極小2) 12(k極大k18級(jí)級(jí)亮亮紋紋稱稱級(jí)級(jí)亮亮紋紋稱稱級(jí)級(jí)中中央央亮亮紋紋稱稱22,21,100,0210 dDxkdDxkxk 相鄰兩亮紋相鄰兩亮紋(或暗紋或暗紋)之間的距離都是之間的距離都是dDx x一系列平行的明暗相間的一系列平行的明暗相間的條紋條紋kkxxx1dD 不太大時(shí)條紋等間距不太大時(shí)條紋等間距I19 2021II 1max4II0minI5) 光強(qiáng)分布光強(qiáng)分布cos22121IIIIII21白光入射的楊氏雙縫干涉照片白光入射的楊氏雙縫干涉照片紅光入射的楊氏雙縫干涉照片紅光入射的楊氏雙

9、縫干涉照片您能判斷您能判斷0級(jí)條紋在哪嗎？級(jí)條紋在哪嗎？22例例. 鈉光燈作光源，波長鈉光燈作光源，波長 ，屏與雙縫的，屏與雙縫的距離距離 D=500 mm ,(1) d = 1.2 mm 和和 d = 10 mm , 相鄰明相鄰明條紋間距分別為多大？（條紋間距分別為多大？（2) 若相鄰明條紋的最小分辨距若相鄰明條紋的最小分辨距離為離為 0.065 mm ,能分辨干涉條紋的雙縫間距是多少？能分辨干涉條紋的雙縫間距是多少？m5893. 0解解 (1) d= 1.2 mm mmdDx25. 02 . 110893. 55004d=10 mmmmdDx030. 01010893. 55004(2)m

10、mx065. 0雙縫間距雙縫間距 d 為為mmxDd5 .4065.010893.5500423二、二、 菲涅耳雙棱鏡干涉實(shí)驗(yàn)菲涅耳雙棱鏡干涉實(shí)驗(yàn)EEMNss1s2dBCp干涉區(qū)干涉區(qū)24面面1M2MCS2S1SABE干涉區(qū)干涉區(qū)252S1SMEE?干涉區(qū)干涉區(qū)26楊氏雙縫花樣楊氏雙縫花樣 雙棱鏡花樣雙棱鏡花樣勞埃鏡花樣勞埃鏡花樣27vcn vtr tnc28ctnrvtr nrnnn291n2n1122rnrn1r2r兩光程之差叫做光程差兩光程之差叫做光程差)(21122rr2)(21122rnrnnn30在光學(xué)中常用到透鏡在光學(xué)中常用到透鏡三三. . 透鏡不產(chǎn)生附加光程差透鏡不產(chǎn)生附加光程

11、差S acbS實(shí)驗(yàn)告訴我們：實(shí)驗(yàn)告訴我們： ( (不證不證) )acbFabcFF31媒質(zhì)媒質(zhì)1 光疏媒質(zhì)光疏媒質(zhì)媒質(zhì)媒質(zhì)2 光密媒質(zhì)光密媒質(zhì)n1n2折射光折射光反射光反射光入射光入射光四、半波損失四、半波損失若若 n n1 1 n n )反射光反射光2反射光反射光1S* 單色平行光單色平行光12 1、2兩束反射光來自兩束反射光來自同一束入射光，它們同一束入射光，它們可以產(chǎn)生干涉可以產(chǎn)生干涉 。3-5 3-5 劈尖劈尖干涉干涉 -等厚干涉等厚干涉 劈尖劈尖夾角很小的兩個(gè)平面所構(gòu)成的薄膜夾角很小的兩個(gè)平面所構(gòu)成的薄膜51設(shè)單色平行光線在設(shè)單色平行光線在A點(diǎn)處入射，膜厚為點(diǎn)處入射，膜厚為d ，光程

12、差光程差，很小，很小，21 )(22dnd在在 n, 定了以后定了以后, 只是厚度只是厚度 d 的函數(shù)。的函數(shù)。 反射光反射光1 單色平行光垂直入射單色平行光垂直入射dn n nA反射光反射光2(設(shè)設(shè)n n )一個(gè)厚度一個(gè)厚度d， 對(duì)應(yīng)著一個(gè)光程差對(duì)應(yīng)著一個(gè)光程差 ， 對(duì)應(yīng)著一個(gè)條紋對(duì)應(yīng)著一個(gè)條紋等厚條紋等厚條紋。反射光反射光1,2疊加疊加 要不要考慮半波損失？要不要考慮半波損失？52在此問題中，棱邊處在此問題中，棱邊處 是亮紋還是暗紋？是亮紋還是暗紋？亮紋亮紋, 2 , 1 , 0,21222kknd暗紋暗紋3 , 2 , 1,22kknddkdk+1 （答：暗紋）（答：暗紋）相鄰兩條亮紋對(duì)

13、應(yīng)的厚度相鄰兩條亮紋對(duì)應(yīng)的厚度dk ,dk+1相差相差多大？多大？亮紋與暗紋亮紋與暗紋等間距地相間排列。等間距地相間排列。53dl dn2) 1(22221mndmndmm22nndnl2 條紋條紋間距間距 條紋間距條紋間距md1md明紋明紋暗紋暗紋l d條紋分得更開，更好測量。條紋分得更開，更好測量。 L2d54dA2AdB22 ndnd255(1)測長度微小變化測長度微小變化(2)檢查光學(xué)平面的缺陷檢查光學(xué)平面的缺陷受熱受熱膨脹膨脹干涉條紋移動(dòng)干涉條紋移動(dòng)玻璃板向上平移玻璃板向上平移nd2條紋整體移條紋整體移 l 改變改變 h條紋偏向膜（空氣）厚部條紋偏向膜（空氣）厚部表示平面上有凸起。表

14、示平面上有凸起。平面上有凹坑平面上有凹坑。等厚干涉的等厚干涉的應(yīng)用應(yīng)用56P1n1n2n1M2MdLiDC34E5A1B212nn 2sin222122inndinnd22122sin21n1n2n5722 nd dn n nA(n n )劈尖干涉劈尖干涉-等厚干涉等厚干涉 nd2nl2 條紋間距條紋間距58d1n2nSiO2Sien22, 1 , 0kk5922nkek2626ned50. 12105893610m6101786. 160R0nrd22 nd-明明k-暗暗2)12(k61222dRRr22ddRRd Rrd22R0rnd62Rrd2222 nd-明明k-暗暗2)12(k222

15、2Rrn 暗明kkRrn2/2-明明k-暗暗2)12(k63nRkrk212nkRrk2 , 1k2 , 1 , 0knkRnRkr) 1(nRkk1164AB平移平移 距離時(shí)有一條條紋移過距離時(shí)有一條條紋移過265白光入射的牛頓環(huán)照片白光入射的牛頓環(huán)照片662n3n2) 12(222kdn672max2nkd6 . 12105700410m102 . 7768測凸透鏡的曲率半徑測凸透鏡的曲率半徑RhRrh級(jí)級(jí)暗暗紋紋中中心心000 mh第第 m 級(jí)暗環(huán)對(duì)應(yīng)級(jí)暗環(huán)對(duì)應(yīng)半徑半徑 rm222)(mmrhRR 2222mmmmrrhRh 膜厚膜厚nmhm2 mnrRm222 hn212 mm明明暗暗

16、牛頓環(huán)的牛頓環(huán)的應(yīng)用應(yīng)用701G2G1M2M補(bǔ)償玻補(bǔ)償玻璃板璃板半透明半透明鍍銀層鍍銀層工作原理工作原理2Md兩光束發(fā)生干涉兩光束發(fā)生干涉補(bǔ)償板補(bǔ)償板G2的作用的作用補(bǔ)償光程差補(bǔ)償光程差71d2k ：d)(2dd k2)(kkd2nn722nd73邁克耳遜在工作邁克耳遜在工作 邁克耳遜邁克耳遜（A.A.Michelson） 美籍德國人美籍德國人因創(chuàng)造精密光學(xué)儀因創(chuàng)造精密光學(xué)儀器，用以進(jìn)行光譜器，用以進(jìn)行光譜學(xué)和度量學(xué)的研究，學(xué)和度量學(xué)的研究，并精確測出光速，并精確測出光速，獲獲19071907年諾貝爾物年諾貝爾物理獎(jiǎng)。理獎(jiǎng)。74請(qǐng)點(diǎn)擊你認(rèn)為是正確的答案請(qǐng)點(diǎn)擊你認(rèn)為是正確的答案（1）2ne；一折

17、射率為一折射率為 , , 厚度為厚度為e e 的平面平行膜被一折射率為的平面平行膜被一折射率為 的的媒質(zhì)包圍。有一單色平行光垂直于薄膜的上表面入射，從薄媒質(zhì)包圍。有一單色平行光垂直于薄膜的上表面入射，從薄膜上、下表面反射的兩束光發(fā)生干涉，若膜上、下表面反射的兩束光發(fā)生干涉，若 ，且入射光，且入射光在在 媒質(zhì)中的波長為媒質(zhì)中的波長為 ，則兩反射光的程差為，則兩反射光的程差為nnnnn22nne22nne22nne（2） ; (3) ; (4) 。結(jié)束選擇結(jié)束選擇75小議鏈接1請(qǐng)點(diǎn)擊你認(rèn)為是正確的答案請(qǐng)點(diǎn)擊你認(rèn)為是正確的答案（1）2ne；一折射率為一折射率為 , , 厚度為厚度為e e 的平面平行

18、膜被一折射率為的平面平行膜被一折射率為 的的媒質(zhì)包圍。有一單色平行光垂直于薄膜的上表面入射，從薄媒質(zhì)包圍。有一單色平行光垂直于薄膜的上表面入射，從薄膜上、下表面反射的兩束光發(fā)生干涉，若膜上、下表面反射的兩束光發(fā)生干涉，若 ，且入射光，且入射光在在 媒質(zhì)中的波長為媒質(zhì)中的波長為 ，則兩反射光的程差為，則兩反射光的程差為nnnnn22nne22nne22nne（2） ; (3) ; (4) 。結(jié)束選擇結(jié)束選擇76小議鏈接2請(qǐng)點(diǎn)擊你認(rèn)為是正確的答案請(qǐng)點(diǎn)擊你認(rèn)為是正確的答案（1）2ne；一折射率為一折射率為 , , 厚度為厚度為e e 的平面平行膜被一折射率為的平面平行膜被一折射率為 的的媒質(zhì)包圍。有一單色平行光垂直于薄膜的上表面入射，從薄媒質(zhì)包圍。有一單色平行光垂直于薄膜的上表面入射，從薄膜上、下表面反射的兩束光發(fā)生干涉，若膜上、下表面反射的兩束光發(fā)生干涉，若 ，且入射光，且入射光在在 媒質(zhì)中的波長為媒質(zhì)中的波長為 ，則兩反射光