大學(xué)物理干涉衍射

第17章波動(dòng)光學(xué)一光源與光的相干性干涉：兩列頻率/振動(dòng)方向相同，相位差恒定的波在空間相遇產(chǎn)生固定加強(qiáng)/減弱的現(xiàn)象。相干波為什么17世紀(jì)不做個(gè)干涉實(shí)驗(yàn)證明波動(dòng)性？1光源基本發(fā)光單元是分子、原子（電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)）.(基態(tài)-激發(fā)態(tài)，輻射能量，發(fā)光)非不為也，實(shí)不能也！P21普通光源發(fā)光特點(diǎn)：原子發(fā)光是斷續(xù)的，每次發(fā)光形成一長度有限的波列,各原子各次發(fā)光相互獨(dú)立，各波列互不相干.原子能級(jí)及發(fā)光躍遷基態(tài)激發(fā)態(tài)躍遷自發(fā)輻射波列長L=c隨機(jī)性：振動(dòng)方向，初相間歇性：斷續(xù)，波列獨(dú)立(不同原子發(fā)的光)··獨(dú)立(同一原子先后發(fā)的光)2如何獲得相干光？不同的光源/同一光源的不同部分，不相干------〉同一光源的同一部分分振幅(waveamplitude)法：光源同一點(diǎn)發(fā)出的光波列，設(shè)法一分為二，經(jīng)歷不同的路程后相遇（如果時(shí)間上來的及）。折射/反射（能量）分波陣面(wavesurface)法：從光源發(fā)出的光的同一波陣面上取出兩部分面元作為相干光的波源。子波*光源3光的疊加superposition光是電磁波。傳播的是交變電磁場(chǎng)EH。E矢量參與與物質(zhì)相互作用（感光、生理作用）：光矢量。E矢量的振動(dòng)稱為光振動(dòng)。振幅E0光的疊加遵循波的疊加原理：合成光矢量等于各個(gè)分光波的矢量和。波動(dòng)光學(xué)中主要討論的是相對(duì)光強(qiáng)，同一介質(zhì)中直接把光強(qiáng)定義為：平均能流密度：光強(qiáng)兩頻率相同，光矢量方向相同的光源在p點(diǎn)相遇A非相干疊加獨(dú)立光源的兩束光或同一光源的不同部位所發(fā)出的光，位相差任意疊加后，無干涉現(xiàn)象，亮度分布均勻。B相干疊加滿足相干條件的兩束光空間各點(diǎn)位相差恒定，明暗相間的干涉圖樣干涉相長（相等=4倍）干涉相消干涉：能量在空間的重新分布回顧干涉：兩列頻率/振動(dòng)方向相同，相位差恒定的波在空間相遇產(chǎn)生固定加強(qiáng)/減弱的現(xiàn)象?？臻g各點(diǎn)位相差恒定，明暗相間的干涉圖樣波的空間/時(shí)間周期性光的干涉1

楊氏雙縫干涉Young’sTwo-slitexperimentS1S2S***二分波陣面法干涉D>>d波程差干涉加強(qiáng)明紋位置干涉減弱暗紋位置中央明紋（k=0），相位差為0(1)明暗相間的條紋對(duì)稱分布于中心O點(diǎn)兩側(cè)干涉條紋特點(diǎn)(2)相鄰明條紋和相鄰暗條紋等間距，與干涉級(jí)k無關(guān)。兩相鄰明（或暗）條紋間的距離稱為條紋間距。復(fù)色光彩色干涉條紋加大狹縫寬度?繼續(xù)加大？例：白光入射，400-760nm，哪幾級(jí)光譜不會(huì)重疊？k=0,白色.k!=0,紫光-紅光123楊氏雙縫試驗(yàn)線光源很窄，保證干涉條紋清晰光強(qiáng)很弱矛盾2

其他分波陣面干涉裝置菲涅耳雙鏡P勞埃德鏡當(dāng)屏幕移至p‘處，從S1和S2

到L點(diǎn)的波程差為零，但對(duì)應(yīng)暗條紋！半波損失。光從光速較大的介質(zhì)射向光速較小的介質(zhì)時(shí)反射光的相位較之入射光的相位躍變?chǔ)?，相?dāng)于反射光與入射光之間附加了半個(gè)波長的波程差，稱為半波損失.PML問：原來的零級(jí)條紋如何變化？例：S2

縫上覆蓋介質(zhì)，厚度

h

，折射率n

，入射光波長.

分析：中心，從S1和S2發(fā)出的相干光所對(duì)應(yīng)的相位差不同介質(zhì)中波程差不反映相位差！三光程干涉現(xiàn)象決定于兩束相干光的位相差。同一介質(zhì)：波程差兩束相干光通過不同的介質(zhì)時(shí)，位相差不能單純由幾何路程差決定。光在介質(zhì)中傳播幾何路程為r，相應(yīng)的位相變化為介質(zhì)中光的波長光程：在相同的時(shí)間內(nèi)光在真空中通過的路程光在介質(zhì)中走過的路程，可折算為光在真空中的路程。不同介質(zhì)中光程具有可比性（例：水中游泳/風(fēng)中跑步）定義：光程差opticalpathdifference

光在真空中的波長若兩相干光源不是同位相的兩相干光源同位相，干涉條件相干光干涉取決于光程差透鏡？不同光線通過透鏡要改變傳播方向A、B、C的位相相同，在F點(diǎn)會(huì)聚（干涉增強(qiáng)）A、B、C各點(diǎn)到F點(diǎn)的光程都相等。結(jié)論：透鏡不會(huì)引起各相干光之間的附加光程差。相干光干涉取決于光程差（反射可能引起的附加光程差）干涉相長干涉相消小結(jié)：相干光干涉取決于相位差四分振幅法干涉a1a2a均勻透明介質(zhì)n1中,放入上下表面平行,厚度為d的均勻介質(zhì)n2(>n1)，單色光入射1

薄膜干涉臟臟的油污-五彩的油膜計(jì)算前兩束光線a2與a1的光程差半波損失由折射定律和幾何關(guān)系可得出：a1a2a對(duì)同一入射光來說，當(dāng)反射方向干涉加強(qiáng)時(shí)，在透射方向就干涉減弱。入射角、厚度能量守恒若厚度均勻，光程取決于入射角。等傾干涉透射光？薄膜干涉的應(yīng)用增透膜：照相機(jī)的光學(xué)鏡頭（紫紅色），鏡片增反膜：玻璃幕墻，汽車玻璃，反射望遠(yuǎn)鏡（多層）濾色片：多層鍍膜，使其他波長的光透射干涉相消a1a2aEr1r2F問：若反射光相消干涉的條件中取

k=1，膜的厚度為多少？此增透膜在可見光范圍內(nèi)有沒有增反？例已知波長550nm光線垂直入射，照相機(jī)鏡頭n3=1.5，上涂一層n2=1.38的氟化鎂增透膜。解：因?yàn)椋苑瓷涔饨?jīng)歷兩次半波損失。反射光相干相消的條件是：代入k和

n2

求得：很?。。。〈四?duì)反射光相干相長的條件：可見光波長范圍400~700nm波長412.5nm的可見光有增反。問：此增透膜在可見光范圍內(nèi)有沒有增反？2等厚干涉：劈尖夾角很小的兩個(gè)平面所構(gòu)成的薄膜。厚度變化空氣劈尖棱邊楔角平行單色光垂直照射空氣劈尖上，空氣折射率n,上、下表面的反射光將產(chǎn)生干涉，厚度為d

處，兩相干光的光程差為d干涉條件厚度相同，光程差相同，對(duì)應(yīng)一定k值的明或暗條紋（等厚干涉）d=0,=/2，暗條紋半波損失實(shí)心劈尖實(shí)心劈尖棱邊處？空氣劈尖干涉條紋空氣劈尖任意相鄰明（暗）條紋對(duì)應(yīng)的厚度差：條紋寬度b：任意相鄰明條紋(或暗條紋)之間的距離單色光：愈小條紋愈疏；令變大？白光：劈尖邊緣逐漸分開的彩色直條紋。若厚度不均勻，不規(guī)則的曲線花紋：肥皂泡，油膜，昆蟲的翅膀所有的光干涉相消。厚度為0肥皂泡上黑色的區(qū)域表明：波列長度L與光源的譜線寬度成反比。白光：L~波長鈉光燈：~0.058厘米低氣壓鎘燈：~40厘米激光器：~幾百公里玻璃表面的反射光干涉？~~~~~~~回顧~~~~~~~~~~~~~~~單色光垂直入射劈尖形薄膜上下表面反射光產(chǎn)生干涉明暗相間、平行等距分布的干涉條紋棱邊:零級(jí)暗條紋（？？此處有無可能零級(jí)明紋）。

(n1>n2>n3n1<n2<n3)相鄰明紋/暗紋對(duì)應(yīng)的薄膜厚度差：半個(gè)波長相鄰明紋/暗紋間距（條紋寬度）：例：牛頓環(huán)：檢驗(yàn)光學(xué)平面的質(zhì)量。平面：劈尖；球面：牛頓環(huán)（平凸透鏡）空氣薄層中，n=1,厚度d處上下表面反射光的干涉條件：等厚-同心圓R-d略去d2條紋間距非線性變化：牛頓環(huán)半徑變大，條紋變密。d=0,兩反射光的光程差=/2，為暗斑。R-d平凸透鏡垂直向上緩慢平移而遠(yuǎn)離平板玻璃時(shí)，干涉條紋將向中心收縮測(cè)量波長曲率半徑平整度微小位移單色光源反射鏡反射鏡與成角補(bǔ)償板

分光板移動(dòng)導(dǎo)軌五邁克耳遜干涉儀反射鏡反射鏡單色光源光程差的像當(dāng)不垂直于時(shí)，形成劈尖型等厚干涉條紋.反射鏡反射鏡單色光源一般M1、M2有小夾角

等厚條紋干涉條紋移動(dòng)數(shù)目邁克爾孫干涉儀的主要特性兩相干光束在空間完全分開，并可用移動(dòng)反射鏡或在光路中加入介質(zhì)片的方法改變兩光束的光程差.移動(dòng)距離移動(dòng)反射鏡干涉條紋的移動(dòng)當(dāng)與之間距離變大時(shí)，圓形干涉條紋從中心一個(gè)個(gè)長出,并向外擴(kuò)張,干涉條紋變密;距離變小時(shí)，圓形干涉條紋一個(gè)個(gè)向中心縮進(jìn),干涉條紋變稀.例在邁克耳遜干涉儀的兩臂中分別引入