第十四光的干涉演示文稿

第十四光的干涉演示文稿當(dāng)前1頁，總共61頁。（優(yōu)選）第十四光的干涉當(dāng)前2頁，總共61頁?；疽笠弧⒘私馄胀ü庠窗l(fā)光的特點，理解獲得相干光的方法。二、掌握光程的概念以及光程差和相位差的關(guān)系。三、掌握楊氏雙縫干涉的基本裝置及干涉條紋位置的計算。四、掌握薄膜等厚干涉的基本裝置（平面平行膜、劈尖、牛頓環(huán)等），了解產(chǎn)生“半波損失”的條件，能分析確定干涉條紋的位置。五、了解麥克爾遜干涉儀的工作原理及應(yīng)用。當(dāng)前3頁，總共61頁?！?4-

5

光的相干性一、光源—

能發(fā)射光波的物體光源的最基本發(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當(dāng)前4頁，總共61頁。★

可見光的頻率范圍：7.5×1014~3.9×1014Hz

★

真空中的波長范圍：400~760nm★

相應(yīng)光色：紫、藍、綠、黃、橙、紅★

單色光：具有單一頻率的光★

復(fù)色光：由各種頻率組成的光★

光波是電磁波E

稱為光矢量，E矢量的振動稱為光振動。光波中與物質(zhì)相互作用(感光作用、生理作用)的是

E

矢量。平面簡諧電磁波：★

光強：平均能流密度，用

I

表示。

波動光學(xué)中主要討論的是相對光強，因此在同一介質(zhì)中直接把光強定義為：當(dāng)前5頁，總共61頁。1.普通光源：自發(fā)輻射獨立(同一原子先后發(fā)的光)★發(fā)光的隨機性

★發(fā)光的間歇性熱光源★

結(jié)論：兩個獨立的光源不可能成為一對相干光源。

★

原因：原子發(fā)光是隨機的、間歇性的，兩列光波的振動方向不可能一致，相位差不可能恒定。鈉光燈

A鈉光燈

B兩束光不相干

！獨立(不同原子發(fā)的光)當(dāng)前6頁，總共61頁。2.激光光源：受激輻射

=(E2-E1)/h頻率、相位、振動方向完全一樣，激光可做相干光源。E12.相干條件（1）頻率相同；（2）振動方向相同；（3）相位差恒定二、光的相干性1.光的干涉現(xiàn)象★

將光源上一個發(fā)光點的光分成兩束，各經(jīng)歷不同的路徑再會合迭加，可滿足相干條件產(chǎn)生干涉。3.相干光源—

滿足相干條件的光源當(dāng)前7頁，總共61頁。1.

分波陣面方法三、相干光的獲得同一波陣面上的不同部分產(chǎn)生次級波相干利用光的反射和折射，將同一光束分割成振幅較小的兩束相干光PS

*2.分振幅的方法3.

激光薄膜PS

*當(dāng)前8頁，總共61頁。四、可見光的波長范圍λ：400~760

nm（4000~7600

?)

紫：400~450nm藍：450~500nm綠：500~580nm黃：580~600nm橙：600~620nm紅：620~760nm

1

?

=m

當(dāng)前9頁，總共61頁。五、光程和光程差1.光程光在真空中的傳播速度

c

：光在介質(zhì)中的傳播速度

u

：光在介質(zhì)中的波長：真空n★

結(jié)論：光在介質(zhì)中的波長是真空中波長的倍。(14-40)當(dāng)前10頁，總共61頁。

光在介質(zhì)中傳播幾何路程

r

后相位的變化為：∴兩光到達相遇點的相位差是：∴不能用幾何路程差

而必須用光程差計算相位差。當(dāng)前11頁，總共61頁。光在某一介質(zhì)中所傳播的幾何路程

r

和該介質(zhì)的折射率

n

的乘積

n

r光程=2.光程的意義光在介質(zhì)中的光程

=

相同時間內(nèi)光在真空中走的幾何路程。★

結(jié)論：

決定干涉強弱的是相位差或光程差而不是幾何路程差。光程（14-42）當(dāng)前12頁，總共61頁。兩個同相的相干光源發(fā)出的相干光的干涉條紋明暗條件光程差相位差3.光程差干涉條件明紋暗紋由光程差確定：當(dāng)前13頁，總共61頁。已知

r1，

r2

，n，l，相干光

S1，S2

初相相同，●●S1S2Plnr1r2求：相干光

S1，S2

到達P

點的光程差

Δ

和相位差

Δ

φ

。1.光程差：2.相位差：練習(xí)當(dāng)前14頁，總共61頁。

A、B、C

的相位相同，在

F

點會聚，互相加強，

A、B、C

各點到

F

點的光程相等。★

結(jié)論：薄透鏡不會引起各相干光之間的附加光程差。六、透鏡的等光程性當(dāng)前15頁，總共61頁?！?4-6

分波陣面法產(chǎn)生的干涉

1.實驗裝置一、楊氏雙縫實驗S1S2S***當(dāng)前16頁，總共61頁。2.楊氏雙縫干涉條紋明紋中心位置：暗紋位置：D>>2a(14-50)(14-51)當(dāng)前17頁，總共61頁。(1)明、暗相間的條紋對稱分布于中央明紋兩側(cè)；3.干涉條紋特點(2)相鄰明(或暗)條紋等間距，與干涉級k

無關(guān)。xI***S1S2S當(dāng)前18頁，總共61頁。4.相鄰兩明(或暗)條紋間的距離稱為條紋間距。S1S2d2aPr2r1DxI當(dāng)前19頁，總共61頁。5.D、a

一定時，或

若用白光照射雙縫，屏上中心明紋仍為白色，兩側(cè)對稱分布各級紫內(nèi)紅外的彩色條紋。更高級次的彩色條紋可能會發(fā)生重疊。123402233111230中央明紋0當(dāng)前20頁，總共61頁。例題：在揚氏雙縫實驗中，用薄云母片（n=1.5)蓋住一縫，這時，屏幕的中心為原來的第8級條紋所占據(jù)，若以鎘燈作光源（λ=648.3nm)，求云母片的厚度是多少？當(dāng)前21頁，總共61頁。P91例題14-3當(dāng)前22頁，總共61頁。2.洛埃鏡實驗★

結(jié)論：光從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)界面時，在掠射或正射兩種情況下，在反射時產(chǎn)生“半波損失”。驗證了反射時有半波損失存在。實驗裝置：1.菲涅耳雙面鏡實驗二、分波面法干涉的其他一些實驗實驗裝置：當(dāng)前23頁，總共61頁。nS1S2OPr2r1l解法1：解法2：練習(xí)在楊氏雙縫實驗中，若λ=632.8mm，如果用折射率

n=1.58的透明薄膜蓋在S1縫上，如圖所示，發(fā)現(xiàn)中央明紋向上移動了3條，處于P點位置，試求薄膜的厚度。

當(dāng)前24頁，總共61頁。利用薄膜上、下兩個表面對入射光的反射和折射，可在反射方向（或透射方向）獲得相干光束。一、平行平面薄膜干涉在透明介質(zhì)

n1

中放入上下表面平行、厚度為e

的均勻介質(zhì)

n2(>n1)，en1n1n2§14

-

7

分振幅法產(chǎn)生的光的干涉屏SirACBD12用光源照射薄膜，其反射和透射光如圖所示：當(dāng)前25頁，總共61頁。光線1

與2

的光程差為：半波損失由折射定律和幾何關(guān)系可得出：en1n1n2屏SirACBD12當(dāng)前26頁，總共61頁。★

附加光程差的確定：由半波損失引起的附加光程差薄膜12n1n2n3滿足

n1<n2>n3

(或

n1>n2

<n3)

滿足

n1>n2>n3

(或

n1

<n2

<n3)對同樣的入射光來說，當(dāng)反射方向干涉加強時，在透射方向就干涉減弱

產(chǎn)生附加光程差

不存在附加光程差

當(dāng)前27頁，總共61頁。

1.薄膜干涉條件2.空氣中的介質(zhì)薄膜干涉條件加強減弱加強減弱當(dāng)前28頁，總共61頁。4.透射光干涉(垂直入射）★

結(jié)論：當(dāng)反射光干涉加強時透射光干涉減弱，反之亦然。3.入射光垂直照射空氣中的介質(zhì)薄膜(）加強減弱加強減弱當(dāng)前29頁，總共61頁。5.薄膜的顏色在白光照射下，不同方向觀察薄膜呈不同顏色。6.只有膜厚m

，才可觀察到干涉現(xiàn)象。反射后干涉加強，薄膜呈該波長的光的顏色。i

一定時一定，只有符合的那些波長的光當(dāng)前30頁，總共61頁。當(dāng)前31頁，總共61頁。en例題一平行平面肥皂膜，其折射率為1.33，厚度為0.32μm,如用白光垂直照射，觀察反射光，問肥皂膜呈什么顏色？已知：平面肥皂膜

n

=1.

33，e

=0.32μm，白光垂直照射時觀察反射光，問膜呈何色？解：加強非可見光綠光非可見光故膜呈綠色。當(dāng)前32頁，總共61頁。en★若沿膜面40o角方向觀察，該膜呈何色？40o即i

=50o，斜入射：非可見光藍光非可見光故膜呈藍色。當(dāng)前33頁，總共61頁?！铩锶舸怪庇^察透射光，該膜呈何色？en透射光滿足：非可見光紫光非可見光故膜呈紫色。或用反射減弱條件：結(jié)果一樣。當(dāng)前34頁，總共61頁。7.增透膜和增反膜(1)增透膜利用薄膜上、下表面反射光的光程差滿足相消干涉條件來減少反射，從而使透射增強。(2)增反膜利用薄膜上、下表面反射光的光程差滿足相長干涉，因此反射光干涉加強。玻璃MgF2Z

n

S玻璃MgF21.51.38空氣當(dāng)前35頁，總共61頁。p98：在玻璃上鍍

MgF2

薄膜，使其對的綠光增透，MgF2

膜厚應(yīng)為多少？玻璃MgF21.51.38空氣解：對綠光反射相消得：該膜對何種光反射加強？（紫光）當(dāng)前36頁，總共61頁。8.等傾干涉*由公式知，具有相同入射傾角

的光經(jīng)薄膜干涉形成等傾干涉條紋。當(dāng)前37頁，總共61頁。二、非平行平面薄膜干涉當(dāng)薄膜很薄時，從垂直于膜面的方向觀察，且視場角范圍很小，膜上厚度相同的位置有相同的光程差對應(yīng)同一級條紋，固稱為薄膜等厚干涉。1、2

兩束反射光來自同一束入射光，它們可以產(chǎn)生干涉。ne反射光2反射光1單色平行光當(dāng)前38頁，總共61頁。1.劈尖干涉平行單色光垂直照射實心劈尖上、下表面的反射光將產(chǎn)生干涉，厚度為

e

處，兩相干光的光程差為

夾角

很小的兩個平面所構(gòu)成的薄膜劈尖：空氣劈尖實心劈尖當(dāng)前39頁，總共61頁。(1)空氣中的介質(zhì)劈尖干涉條件n1

=1,n2

=n垂直入射

i

=0，上式變?yōu)椋喊导y明紋當(dāng)前40頁，總共61頁。(2)等厚干涉條紋劈尖表面與棱邊平行的任一直線上各點對應(yīng)的膜厚度相等，滿足相同的干涉條件，形成與棱邊平行的明暗相間的等厚干涉條紋。(3)

相鄰明(或暗)紋對應(yīng)的膜厚之差

當(dāng)前41頁，總共61頁。(4)劈尖棱邊處是暗紋

棱邊出現(xiàn)暗條紋說明上表面反射有“半波損失”。(5)任意相鄰明條紋(或暗條紋)之間的距離為：

當(dāng)前42頁，總共61頁?！锝Y(jié)論：ⅰ)劈尖干涉條紋是等間距的；ⅱ），，在入射單色光一定時，劈尖的楔角：

θ

愈小，則l

愈大，干涉條紋愈疏；

愈大，則l

愈小，干涉條紋愈密。當(dāng)用白光照射時，將看到由劈尖邊緣逐漸分開的彩色直條紋。ⅲ）當(dāng)前43頁，總共61頁。ⅰ)明暗條紋ⅱ）相鄰條紋對應(yīng)空氣膜厚之差ⅲ）相鄰條紋間距空氣劈尖（6）空氣劈尖（）暗紋明紋當(dāng)前44頁，總共61頁。ⅳ）條紋平移★結(jié)論：膜厚每增加，條紋向棱邊平移1

條；條紋移動的個數(shù)

N

與膜厚變化的關(guān)系：膜厚每減少，條紋離開棱邊平移1

條。當(dāng)前45頁，總共61頁。ⅴ）條紋疏密增大，條紋向棱邊方向平移變密；（7）劈尖干涉的應(yīng)用ⅰ）干涉膨脹儀減小，條紋離開棱邊方向平移變疏。當(dāng)前46頁，總共61頁。利用空氣劈尖干涉原理測定樣品的熱膨脹系數(shù)

樣品表面和平板玻璃之間形成空氣劈尖，樣品受熱膨脹時，空氣劈尖厚度減小，干涉條紋發(fā)生移動。溫度升高，樣品升高，測得條紋移動了N

條，樣品h則且得：平板玻璃石英圓杯干涉膨脹儀當(dāng)前47頁，總共61頁。ⅱ)薄膜厚度的測定已知：AB

間共有

8

條暗紋。求：

SiO2

膜的厚度。例：

練習(xí)十四計算題4解：棱邊處e

k=0，Δ

=0，是明紋中心。暗紋公式B

處是第

8

條暗紋中心，故應(yīng)取

k

=7

。AS

iSiO2B01234567Bn2=1.50

，n3=3.42，

=600nm，當(dāng)前48頁，總共61頁。AS

iSiO2B01234567暗紋公式B處是第8

條暗紋中心故應(yīng)取k=7

。另解：B

處的膜厚應(yīng)有

7

個加半個相鄰暗紋對應(yīng)的膜厚故：當(dāng)前49頁，總共61頁。ⅲ)測金屬絲的直徑dd空氣劈尖D已知：測得

N

=

30條明紋間的距離為x

=

4.925mm，求：金屬絲直徑d

。解：相鄰條紋間距為由圖知：當(dāng)前50頁，總共61頁。ⅳ)光學(xué)元件表面的檢測條紋向棱邊方向彎曲，工件表面凹下；工件表面凸起。條紋離開棱邊方向彎曲，設(shè)條紋彎曲：a

，表面缺陷深：h

，則三者的關(guān)系：條紋間距：b

，等厚條紋待測工件平晶當(dāng)前51頁，總共61頁。例題：用波長為λ的單色光垂直照射由兩塊玻璃板構(gòu)成的空氣劈尖，已知劈尖角為θ，如果劈尖角變?yōu)棣龋?，從劈棱?shù)起的第四條明紋位移值Δx是多少？解：第四條明紋滿足以下條件：所以即：第四條明紋的位移值為當(dāng)前52頁，總共61頁。例題：用波長λ=500nm的單色光垂直照射在兩塊玻璃板（一端剛好接觸成為劈尖）構(gòu)成的空氣劈尖上，劈尖角如果劈尖內(nèi)充滿折射率為n=1.4的液體，求：從劈尖數(shù)起第五條明紋在充入液體前后移動的距離。

解：設(shè)第五條明紋處膜厚為e,則有：設(shè)該處至劈棱的距離為x,則有：由以上兩式得：充入液體前第五條明紋位置：充入液體后第五條明紋位置：移動距離：當(dāng)前53頁，總共61頁。常量空氣薄層中，任一厚度

e

處上下表面反射光的光程差為:2.牛頓環(huán)環(huán)形空氣劈尖暗環(huán)

明環(huán)當(dāng)前54頁，總共61頁。，略去e

2

，明環(huán)半徑暗環(huán)半徑