光光的干涉精品課件

1、光光的干涉第1頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一 光學是研究光的傳播以及它和物質相互作光學通常分為以下三個部分： 幾何光學：以光的直線傳播規(guī)律為基礎， 波動光學：研究光的電磁性質和傳播規(guī)律， 量子光學：以光的量子理論為基礎，研究各種成象光學儀器的理論。是干涉、衍射、偏振的理論和應用。物質相互作用的規(guī)律。主要研究光與特別用問題的學科。第2頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一2光 的 干 涉（Interference of light）第3頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一3 光源的相干性一. 光源（light source） 光源的

2、最基本發(fā)光單元是分子、原子。 = (E2-E1)/hE1E2能級躍遷輻射波列波列長 L = c第4頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一42. 激光光源：受激輻射 = (E2-E1) / hE1完全一樣E21. 普通光源：自發(fā)輻射獨立（同一原子先后發(fā)的光）獨立（不同原子發(fā)的光）（傳播方向，頻率，相位，振動方向） 第5頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一5二. 光的相干性 1. 兩列光波的疊加P12r1r2P：12E0E10E20干涉項（只討論電振動）第6頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一6 非相干光源： I = I 1 + I 2 非

3、相干疊加 完全相干光源： 相長干涉（明）（k = 0,1,2） 相消干涉（暗） (k = 0,1,2) 第7頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一7I02-24-44I1襯比度差 (V ，D d （d 10 -4m， D m）波程差：相位差：P第10頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一10明紋 暗紋 條紋間距：x0 xI xr1r2xdxD0P第11頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一11（1）一系列平行的明暗相間的條紋； （3）中間級次低，兩邊級次高；明紋： k ，k =1，2（整數級）暗紋： (2k+1)/2 （半整數級）（4） 條

4、紋特點：（2） 不太大時條紋等間距；白光入射時，0級明紋中心為白色（可用來定0級位置），其余級明紋構成彩帶，第2級開始出現重疊（某條紋級次 = 該條紋相應的 之值）（書P124 例 3.1）第12頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一12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第13頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一13二 . 光強公式若 I1 = I2 = I0 ，則光強曲線k012-1-2I02-24-44I0sin0 /d- /d-2 /d2 /dx0 x1x2第14頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一14 三. 干

5、涉問題分析的要點：（1）搞清發(fā)生干涉的光束； （2）計算波程差（光程差）； （4）求出光強公式、畫出光強曲線。（3）搞清條紋特點： 形狀、位置、級次分布、條紋移動等；第15頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一15四. 其他分波面干涉實驗要求明確以下問題：1.如何獲得的相干光； 2.明、暗紋條件； 3.干涉條紋特點： 4.勞埃德鏡實驗說明了什么？重點搞清勞埃德鏡實驗。形狀、間距、級次位置分布；第16頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一16一. 光的非單色性1.理想的單色光 、2.準單色光、譜線寬度有一定波長（頻率）范圍的光。譜線寬度：準單色光：在某個中心波

6、長（頻率）附近 00II0譜線寬度 時間相干性（temporal coherence）第17頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一17（1）自然寬度 EjEiEi 3.造成譜線寬度的原因：（2） 多普勒增寬（3） 碰撞增寬 Ej第18頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一18二. 非單色性對干涉條紋的影響設能產生干涉的最大級次為kM ， - (/2) + (/2)合成光強123456012345x0I又則應有：第19頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一19三 . 相干長度與相干時間1. 相干長度（coherent length） 兩列波能

7、發(fā)生干涉的最大波程差叫相干長度。SS1S2c1c2b1b2a1a2 PS1S2Sc1c2b1b2a1a2P才能發(fā)生干涉。上圖表明，波列長度就是相干長度。相干長度能干涉不能干涉只有同一波列分成的兩部分，經過不同的路程再相遇時， ：中心波長第20頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一20普通單色光：激光： （實際上，一般為10 1 101m）（理想情況）第21頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一21光通過相干長度所需時間叫相干時間。2.相干時間（coherent length）的長短來衡量的。 光的單色性好，相干時間時間相干性也就好。時間相干性的好壞，就是用相

8、干長度M（波列長度）或相干時間（波列延續(xù)時間）相干長度和相干時間就長，第22頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一22 空間相干性（spatial coherence）一. 空間相干性的概念討論光源寬度對干涉條紋襯比度的影響。S1d /2S2RD光源寬度為 bb/2LMN0M0N0LI非相干疊加+1L1NxI合成光強Ix合成光強第23頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一23xI合成光強0Nx+1L0M0L-1NS1d /2S2RD光源寬度為 b0b0 /2LMN0M0N0LI非相干疊加+1L1N二. 極限寬度當光源寬度b增大到某個寬度b0時，紋剛好消失：干

9、涉條第24頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一24D d ：R b0 、d ：b0就稱為光源的極限寬度，x / 2+1Lr1d0DRr2r1r2單色光源b0 / 2xLM其計算如下：此時L的一級明紋的極大在一級明紋：第25頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一25光源的極限寬度時，才能觀察到干涉條紋。為觀察到較清晰的干涉條紋通常取有：由第26頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一26 光程（optical path）一. 光程真空中：rab 介質中：abnr介質 介質中波長 真空中波長為方便計算光經過不同介質時引起的相差，引入光程的概念。

10、第27頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一27為介質中與路程 r相應的光程。這表明，光在介質中傳播路程 r 真空中波長中傳播路程 nr 引起的相位差相同。我們稱 nr由此得到關系：例計算圖中光通過路程 r1 和 r2 在P點的相差。nS1S2r1r2dP和在真空第28頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一28二 . 透鏡不會產生附加光程差 物點到象點（亮點）各S acbSFacbABCFacbABCF在干涉和衍射裝置中經常要用到透鏡，光線經過透鏡后并不附加光程差。焦點 F、F 都是亮點，說明各光線在此同相疊加。而 A、B、C 或 a、b、c都在同相面上。光

11、線之間的光程差為零。BF，CF說明 AF，各光線等光程。BF，CF或 AF，第29頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一29厚度均勻薄膜在無窮遠處的等傾條紋。 薄膜干涉（film interference）（一） 等厚條紋（equal thickness fringes） 薄膜干涉是分振幅干涉。 日常中見到的薄膜干涉：肥皂泡上的彩色、雨天地上油膜的彩色、昆蟲翅膀的彩色。 膜為何要?。?光的相干長度所限。膜的薄、厚是相對的，與光的單色性好壞有關。普遍地討論薄膜干涉是個極為復雜的問題。實際意義最大的是厚度不均勻薄膜表面的等厚條紋和第30頁，共53頁，2022年，5月20日，3點3

12、5分，星期一30本節(jié)討論不均勻薄膜表面的等厚條紋。一. 劈尖（wedge film）（劈形膜）夾角很小的兩個平面所構成的薄膜叫劈尖。en Ann( 設n n )反射光2反射光1S*單色平行光12 1、2兩束反射光例如在膜面上（A點）來自同一束入射光，它們可以產生干涉。1、2兩束反射光相干疊加，就可行成明暗條紋。第31頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一31反射光1單色平行光垂直入射ennnA反射光2(設n n )所以反射光1、2的明紋：暗紋：同一厚度e對應同一級條紋 等厚條紋實際應用中大都是平行光垂直入射到劈尖上。程差可簡化計算。考慮到劈尖夾角極小，反射光1、2在膜面的光光

13、程差為在A點，反射光1有半波損失，第32頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一32條紋間距：又 Leekek+1明紋暗紋n L第33頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一33等厚干涉條紋劈尖不規(guī)則表面第34頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一34白光入射單色光入射肥皂膜的等厚干涉條紋演示白光經肥皂膜的干涉（KG001）第35頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一35(1)暗環(huán)erR平晶平凸透鏡 o二 . 牛頓環(huán) (2)暗環(huán)： 條紋間距，內圈的條紋級次低。（k = 0，1，2 ）(1)、(2)第k個暗環(huán)半徑：光程差：第36

14、頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一36明環(huán)半徑公式思考 平凸透鏡向上移，條紋怎 白光入射條紋情況如何？（自己推導）牛頓環(huán)裝置簡圖：平晶S分束鏡 M顯微鏡0平凸透鏡.樣移動? 透射光條紋情況如何？第37頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一37牛頓環(huán)照片演示白光牛頓環(huán)（KG002，KG003）第38頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一38三 . 等厚條紋的應用1. 劈尖的應用： 測波長：已知、n，測 L 可得 測折射率：已知、 ，測 L可得 n 測細小直徑、 測表面不平度h待測塊規(guī)標準塊規(guī)平晶等厚條紋待測工件平晶待測樣品石英環(huán)平晶干涉膨

15、脹儀依據公式厚度、微小變化：（書P145 例 3.4）（書P146 例 3.5）（書P159習題 3.19）第39頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一392. 牛頓環(huán)的應用： 測透鏡球面的半徑R 測波長 檢驗透鏡球表面質量標準驗規(guī)待測透鏡暗紋已知 , 測 m、rk+m、rk ，可得R 。已知R，測出m 、 rk+m、rk， 可得 。 依據公式若條紋如圖，說明待測透鏡球表面不規(guī)則，且半徑有誤差。一圈條紋對應 的球面誤差。第40頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一40暗紋標準驗規(guī)待測透鏡暗紋標準驗規(guī)待測透鏡如何區(qū)分如下兩種情況?思考第41頁，共53頁，202

16、2年，5月20日，3點35分，星期一41一. 點光源照明時的干涉條紋分析L fP0 r環(huán) ennn n rA CD21Siiii光束1、2的光程差：得 膜厚均勻（e不變）又B 薄膜干涉（二） 等傾條紋（equal inclination fringes）第42頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一42或明紋暗紋 形狀：條紋特點：一系列同心圓環(huán)r環(huán)= f tg i 條紋間隔分布：內疏外密（想想為什么？） 條紋級次分布：e 一定時， 波長對條紋的影響： 膜厚變化時，條紋的移動：i相同的光線對應同一條干涉條紋 等傾條紋。即傾角當k ( k) 一定時，i也一定，L fPor環(huán)iSi1

17、2 en nii n第43頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一43二 . 面光源照明時，干涉條紋的分析 只要 i 相同，都將匯聚在同一個干涉環(huán)上（非相干疊加），因而明暗對比更鮮明。foennn n面光源Pr環(huán)ii第44頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一44觀察等傾條紋的實驗裝置和光路inMLS f屏幕 對于觀察等傾條紋，沒有光源寬度和條紋襯比度的矛盾 !第45頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一45等傾條紋照相三. 應用：增透射膜和增反射膜演示等傾干涉條紋（KG005）第46頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一4

18、6 邁克耳孫干涉儀（Michelson interferometer）一. 儀器結構、光路二. 工作原理光束2和1發(fā)生干涉 若M1、M2平行 等傾條紋 若M1、M2有小夾角 等厚條紋十字叉絲等厚條紋M12211半透半反膜補償板反射鏡反射鏡光源觀測裝置薄膜則有：補償板可補償兩臂的附加光程差。若M1平移d 時，干涉條移過N條，SM2M1G1G2E第47頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一47第48頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一48邁克耳孫干涉儀演示邁克耳孫干涉儀的等傾條紋（KG007）第49頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一49邁克耳孫在工作 邁克耳孫（）因創(chuàng)造精密光學儀器，用以進行光譜學和度量學的研究，并精確測出光速，獲1907年諾貝爾物理獎。美籍德國人第50頁，共53頁，2022年，5月20日，3點35分，星期一50全息照相實驗、邁克耳孫干涉儀至今仍是許多光學儀器的核心。愛因斯坦贊譽道：“我總認為邁克耳孫是科學中的藝術家，最大樂趣似乎來自實驗本身的優(yōu)美的精湛，和所使用方法他從來不認為