大學(xué)物理：12光的干涉

第五篇波動(dòng)光學(xué)研究光的波動(dòng)特性：干涉、衍射、偏振光的干涉第十二章§12-1光的單色性和相干性§12-2雙縫干涉§12-3光程與光程差§12-4薄膜干涉--等傾條紋§12-5薄膜干涉--等厚條紋§12-6邁克爾遜干涉儀§12-1光源光的特性激發(fā)輻射發(fā)光持續(xù)時(shí)間激發(fā)態(tài)上電子的壽命一、普通光源發(fā)光特點(diǎn)(1)發(fā)光是間歇的光波列----長(zhǎng)度有限、頻率一定、振動(dòng)方向一定的光波§12-1

光源光的特性(2)不同原子激發(fā)、輻射時(shí)彼此沒(méi)有聯(lián)系(3)同一原子不同時(shí)刻所發(fā)出的波列，振動(dòng)方向和相位各不相同二、相干性?xún)蓚€(gè)獨(dú)立的光源或同一光源的兩部分發(fā)出的光都不是相干光同一原子同一次發(fā)出的光在空間相遇時(shí)是相干光§12-1

光源光的特性

三、單色性光波：的電磁波色散：紅橙黃綠青藍(lán)紫----可見(jiàn)光譜四、相干光的獲得方法1.分波陣面法：從同一波陣面上取出兩部分作為相干光源楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)§12-1

光源光的特性2.分振幅法：利用光在兩種介質(zhì)分界面上的反射光和透射光作為相干光薄膜干涉§12-1

光源光的特性§12-2雙縫干涉一、楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)1.裝置原理§12-2

雙縫干涉

2.干涉明暗條紋的位置波程差§12-2

雙縫干涉干涉明暗條紋的位置明紋暗紋其中§12-2

雙縫干涉討論：(1)k=0的明紋：中央明紋，

k=1,k=2,：第一級(jí),第二級(jí)，明紋(2)相鄰兩明(或暗)紋的間距----明暗相間的等間隔條紋§12-2

雙縫干涉一定時(shí)(3)白光照射：----條紋變稀疏d和D一定時(shí)----條紋變密集中央明紋為白色，其它各級(jí)為彩色，內(nèi)紫外紅§12-2

雙縫干涉d或Dxd或Dxxx若

，則明紋光強(qiáng)暗紋光強(qiáng)(4)光強(qiáng)分布----I1、I2為兩相干光單獨(dú)在P點(diǎn)處的光強(qiáng)§12-2

雙縫干涉二、洛埃鏡實(shí)驗(yàn)光在鏡面反射時(shí)有半波損失----結(jié)果與楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)相反暗紋§12-2

雙縫干涉

一、光程§12-3光程與光程差設(shè)c為真空中的光速，v為光在折射率為n的介質(zhì)中的傳播速度由折射率定義

t

時(shí)間內(nèi)光在介質(zhì)中傳播距離§12-3

光程與光程差

t

時(shí)間內(nèi)，光在真空中傳播的距離光程：光在介質(zhì)中走過(guò)的幾何路程r與該介質(zhì)折射率n的乘積nr介質(zhì)中真空中§12-3

光程與光程差意義：將介質(zhì)中的路程折算成真空中的路程，以便比較光程差：相位差：：光在真空中的波長(zhǎng)§12-3

光程與光程差二、透鏡的等光程性AF、CF：空氣中傳播距離長(zhǎng)BF：透鏡中傳播距離長(zhǎng)AF、CF和BF的光程相等：會(huì)聚F點(diǎn)形成亮點(diǎn)透鏡不會(huì)引起附加的光程差§12-3

光程與光程差[例1]在楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)中，用折射率n=1.58的透明薄膜蓋在上縫上，并用λ=6.32810－7m的光照射，發(fā)現(xiàn)中央明紋向上移動(dòng)了5條，求薄膜厚度解：P點(diǎn)為放入薄膜后中央明紋的位置§12-3

光程與光程差又因P點(diǎn)是未放薄膜時(shí)第N級(jí)的位置可得：§12-3

光程與光程差另解：光程差每改變一個(gè)，條紋移動(dòng)一條因r2光程未變，r1改變了(n-1)x§12-3

光程與光程差§12-4薄膜干涉--等傾條紋一、薄膜干涉光程差1.反射光干涉折射定律§12-4薄膜干涉-等傾條紋§12-4薄膜干涉-等傾條紋明、暗紋條件----暗紋----明紋討論：----等傾干涉(1)由知，光源不同位置發(fā)出光的傾角相同時(shí)，均對(duì)應(yīng)同一干涉級(jí)k§12-4薄膜干涉-等傾條紋(2)等傾干涉條紋是一組明暗相間的同心圓環(huán)，圓環(huán)分布內(nèi)疏外密；半徑大的圓環(huán)對(duì)應(yīng)的i大，而干涉級(jí)k低§12-4薄膜干涉-等傾條紋薄膜反射板透鏡屏幕§12-4薄膜干涉-等傾條紋薄膜反射板透鏡屏幕§12-4薄膜干涉-等傾條紋(3)

e增大，則k增大，圓環(huán)中心處有圓環(huán)冒出；反之，則圓環(huán)中心處有圓環(huán)吞入(4)垂直入射時(shí)有----明----暗§12-4薄膜干涉-等傾條紋2.透射光干涉光程差透射光明、暗紋條件----明----暗反射光和透射光互補(bǔ)，反射光干涉加強(qiáng)時(shí)，透射光干涉減弱§12-4薄膜干涉-等傾條紋[例2]在白光下，觀(guān)察一層折射率為1.30的薄油膜，若觀(guān)察方向與油膜表面法線(xiàn)成300角時(shí)，可看到油膜呈藍(lán)色(波長(zhǎng)為4800?)，試求油膜的最小厚度。若從法向觀(guān)察，反射光呈什么顏色?解:

需考慮半波損失。根據(jù)明紋條件§12-4薄膜干涉-等傾條紋k=1時(shí)有§12-4薄膜干涉-等傾條紋從法向觀(guān)察，i=0:k=1時(shí)：k=2時(shí)：----綠色光----紫外光，不可見(jiàn)§12-4薄膜干涉-等傾條紋

二、應(yīng)用1.增透膜玻璃MgF2光在膜的上下表面反射時(shí)都有半波損失反射光干涉相消時(shí)有§12-4薄膜干涉-等傾條紋膜的最小厚度為或----光學(xué)厚度----此時(shí)透射光增強(qiáng)即光學(xué)厚度為某一波長(zhǎng)的1/4時(shí)，則膜為該波長(zhǎng)的增透膜§12-4薄膜干涉-等傾條紋2.高反射膜考慮半波損失第一層最小光學(xué)厚度第二層最小光學(xué)厚度即每層膜的光學(xué)厚度都為/4時(shí)，可得到該波長(zhǎng)的高反射膜§12-4薄膜干涉-等傾條紋介質(zhì)劈§12-5薄膜干涉--等厚條紋一、劈尖干涉設(shè)光垂直入射----明----暗棱邊處(e=0)，對(duì)應(yīng)k=0的暗紋§12-5薄膜干涉-等厚條紋空氣劈對(duì)空氣劈，光程差(1)每級(jí)明或暗條紋與一定的膜厚e相對(duì)應(yīng)討論：----等厚干涉(2)干涉條紋為平行于棱邊的明暗相間的直條紋。棱邊(e=0)處有半波損失時(shí)形成暗紋§12-5薄膜干涉-等厚條紋(3)相鄰兩明(或暗)紋對(duì)應(yīng)劈尖的厚度差對(duì)空氣劈§12-5薄膜干涉-等厚條紋(4)相鄰兩明(或暗)紋之間的距離----等間距變大時(shí)條紋變密，反之則變疏§12-5薄膜干涉-等厚條紋(5)劈尖上表面向上平移，干涉條紋間距不變，條紋向棱邊移動(dòng)；反之條紋向相反方向移動(dòng)對(duì)空氣層：平移距離時(shí)有一條條紋移過(guò)§12-5薄膜干涉-等厚條紋[例3]為測(cè)定Si上SiO2厚度d，可用化學(xué)方法將SiO2膜的一部分腐蝕成劈尖形?，F(xiàn)用=5893?的光垂直入射,觀(guān)察到7條明紋，問(wèn)d=?

(已知Si：n1=3.42，SiO2：n2=1.50)解：上下面都有半波損失§12-5薄膜干涉-等厚條紋SiO2Si因棱邊：k=0，d處明紋對(duì)應(yīng)于k=6§12-5薄膜干涉-等厚條紋SiO2Si[例4]利用劈尖干涉可對(duì)工件表面微小缺陷進(jìn)行檢驗(yàn)。當(dāng)波長(zhǎng)為的單色光垂直入射時(shí)，觀(guān)察到干涉條紋如圖。問(wèn)(1)不平處是凸的，還是凹的?(2)凹凸不平的高度為多少?§12-5薄膜干涉-等厚條紋解：(1)等厚干涉，同一條紋上各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的空氣層厚度相等所以不平處是凸的(2)由相似三角形關(guān)系得§12-5薄膜干涉-等厚條紋平板玻璃平凸透鏡二、牛頓環(huán)在厚度為e

處----明----暗中心處(e=0):對(duì)應(yīng)k=0的暗紋§12-5薄膜干涉-等厚條紋討論：(1)光程差由厚度e

決定----等厚干涉(2)厚度相同的點(diǎn)是一系列以0為中心的同心圓環(huán)，因此干涉條紋是一系列同心圓環(huán)----牛頓環(huán)(3)干涉環(huán)半徑又§12-5薄膜干涉-等厚條紋明環(huán)半徑暗環(huán)半徑(4)干涉環(huán)間的距離----內(nèi)疏外密§12-5薄膜干涉-等厚條紋試問(wèn)(1)油滴與玻璃交界處是明條還是暗條?(2)油膜的最大厚度是多少?(3)若油滴逐漸灘開(kāi)，條紋將如何變化?

(油:n2=1.60,玻璃:n3=1.50）[例4]在平面玻璃板上滴一滴油，用=5760?的單色光垂