《大学物理学第三版(张三慧)课件第22章光的干涉》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大学物理学第三版(张三慧)课件第22章光的干涉（47页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,第四篇 光学 （Optics）,光学简史,17世纪：,波动说(Huygens),19世纪：,电磁理论(Maxwell),光的波动性,20世纪初：,康普顿效应(Compton),粒子说(Newton),双缝实验(Thomas Young),光电效应 (Photoelectric Effect),光的波粒二象性,2,1960年：,现代光学,波动光学：光的干涉、衍射、偏振,红宝石激光器(Maiman),3,第22章 光的干涉 Interference of Light,内容：,杨氏双缝干涉 相干光 光的非单色性对干涉条纹的影响 光源大小对干涉条纹的影响 光程 薄膜干涉（一）等厚条纹 薄膜干涉（二
2、）等倾条纹 迈克耳孙干涉仪,4,22.1 杨氏双缝干涉,Thomas Young (1773-1829), 1801年做成实验，确认了光的波动性。,几何：,很小 (10-3 rad),Dd ( D/d104 ),一、双缝干涉,5,波程差：,相位差：,暗纹,明纹,6,条纹间距,二、双缝干涉条纹强度,屏上任一点处：,合场强：,合振幅：,7,记,则有,明纹强度 = 4I0,暗纹强度 = 0,强度：,特殊情形：,光强曲线,8,同一级条纹在零级明纹两侧对称分布。,条纹间距相等：,分布特点：,三、双缝干涉条纹的特点,红光入射的杨氏双缝干涉照片,9,例22-1,用白光作光源观察双缝干涉。设缝间距为d，试求能
3、观察到的清晰可见光谱的级次。,解：,白光波长（390750nm），明纹条件有,某级次的红光 和高一级次的紫光 重合有,因而,10,由于k只能取整数，故有从紫到红的排列清晰的可见光谱只有正负一级，如下图所示,11,22.2 相干光,一般光源的发光机制：被激发到较高能级的原子跃迁到低能级时，辐射出能量。,一、相干光源,不同原子发出的光，一般不是相干光。,12,同一原子发出的一束光，分成两束后成为相干光。,分波面法,分振幅法,类双缝实验,劳埃德(Lloyd)镜 (半波损失！),菲涅耳(Fresnel)双镜,菲涅耳双棱镜,13,劳埃德镜实验:,暗纹,一个点光源和一个平面镜获得两相干光源, 干涉光路与杨
4、氏双缝类似. 此实验可观察光的半波损失 屏与镜的接触点为暗纹.,14,用一个点光源和两个互不平行的平面镜, 获得相干光源; 干涉光路与杨氏双缝类似,菲涅耳双镜实验:,15,* 22.3 光的非单色性对干涉条纹的影响,1.理想的单色光,2.实际光束：波列 准单色光,准单色光：在某个中心波长（频率）附近有一定波长（频率）范围的光。,: 谱线宽度,16,条纹消失时，最大光程差,17,3.相干长度,两列波发生干涉的最大波程差叫相干长度。,波列长度就是相干长度：,能干涉,不能干涉,只有同一波列分成的两部分，经过不同的路程再相遇时才能发生干涉。,18,光通过相干长度所需时间叫相干时间。,4.相干时间,时间
5、相干性的好坏，就是用一个波列延续的时间 或波列长度L来衡量的。,19,例22-2,在一双缝干涉实验中，光源用低压汞灯并使用它发出的绿光作实验，此绿光波长=546.1nm，谱线宽度=0.044nm，试求能观察到干涉条纹的级次和最大允许的光程差。,对普通单色光源，就光的非单色性，实验中总能观察到很多的干涉条纹。,解：,20,* 22.4 光源的大小对干涉条纹的影响,当光源宽度b增大到某个宽度b0时，干涉条纹刚好消失。,b0称为光源的极限宽度,21,D d ：,R b0 、d ：,b0的计算：,此时L端的一级明纹中心在,一级明纹：,22,空间相干性:,相干间隔,若 b 和 R一定，则要得到干涉条纹，
6、必须,相干间隔d0 是光场中正对光源的平面上能够产生干涉的两个次波源间的最大距离。,相干孔径：, 0 越大空间相干性越好。,23,由此得到：,测星干涉仪：,间的距离就是d0。,1920年12月测得：,利用空间相干性可以测遥远星体的角直径 ,迈克耳孙巧妙地用四块反射镜增大了双缝的缝间距。,猎户座,24,22.5 光程,为方便计算光经过不同介质时引起的相差，引入光程的概念。,定义,光程：= nr,e.g.,25,物理意义,光在介质中几何路程 r，与在真空中几何路程 nr 所经历的相位变化相同。,光程的物理意义, 真空中波长,26,e.g. 如图，计算光通过路程r1和r2在P点的相差。,3.透镜不产
7、生附加的光程差,光程1,光程2,光程3,光程1=光程2=光程3,27,22.6 薄膜干涉（一）-等厚条纹,膜厚不均匀，垂直入射。则同一条纹位于薄膜的同一厚度处。,1.劈尖干涉,夹角很小的两个平面所构成的薄膜,光程差 (nnn情形),28,(明纹),(暗纹),条纹间距,29,相邻两条纹光程差的改变量：,于是,通常,若,则,30,2.牛顿环 (Newtons rings),一种特殊的劈尖干涉现象(渐变),在空隙上下表面反射的光产生干涉,31,牛顿环干涉装置如图所示，在一块平玻璃B上放一曲率半径R很大的平凸透镜A，在A，B之间形成一薄的劈形空气层，当单色平行光垂直于平凸透镜时，可以观察到,例22-3
8、,在透镜下表面出现一组干涉条纹，这些条纹是以接触点O为中心的同心圆环，称为牛顿环，试分析干涉的起因并求出环半径r与R的关系。,32,空气层上下表面的反射光在平凸透镜下表面发生干涉，考虑半波损失，光程差为,解：,其中h是空气薄层的厚度。,明环形成须满足,暗环形成须满足,根据几何图形，环半径r与R之间满足,(1),(2),33,由(1)(2) 求得h代入(3)，可得明环半径为,暗环半径为,由于半径r与环的级次的平方根成正比，故环形条纹越向外越密集。,(3),34,例22-4,利用等厚条纹可以检验精密加工工件表面的质量。在工件上放一平玻璃，使其间形成一空气劈尖。今观察到干涉条纹如图所示。试根据纹路弯
9、曲方向，判断工件表面上纹路是凹还是凸？并求纹路深度H。,解：,条纹局部弯向棱边，说明在工件表面的相应位置处有一条垂直于棱边的不平的纹路。,35,等厚条纹对应相同的厚度，故弯向棱边的部分和直的部分对应的膜厚度相等，可以判断出工件表面的纹路是凹下去的。,如图，b为条纹间隔，a为条纹弯曲深度，hk和hk+1为k级与k+1级条纹对应的空气膜厚度， h= hk+1- hk=/2，H为纹路深度。根据相似性，,故得,36,例22-5,把金属细丝夹在两块平玻璃之间，形成空气劈尖，如图所示。金属丝和棱边间距离为D=28.880mm。用波长=589.3nm的钠黄光垂直照射，测得明条纹之间的总距离为4.295mm，
10、求金属丝的直径d。,解：,相邻明条纹的间距,很小，有,故,37,例22-6,在一折射率为n的玻璃基片上均匀镀一层折射率为ne的透明介质膜。今使波长为的单色光由空气（折射率为no）垂直入射到介质膜表面上。如果要想使在介质膜上、下表面反射的光干涉相消，介质膜至少应多厚？设nonen。,解：,考虑上下表面的反射有半波损失，干涉相消,故介质膜最小厚度(使k=1)为,38,22.7 薄膜干涉（ 二）-等倾条纹,L,f,P,0,r环,r,A,C,D,2,1,S,光线1、2的光程差：,得,膜厚均匀（h不变）,又,B,膜厚均匀，入射角不同：则同一条纹对应于同一入射角。,39,或,明纹,暗纹,40,例22-7,
11、用波长为的单色光观察等倾条纹，看到视场中心为一亮斑，外面围以若干圆环，如图22.28(b)所示。今若慢慢增大薄膜的厚度，则看到的干涉圆环会有什么变化？,解：,厚度h一定时，愈靠近中心，折射角r愈小，上式中的k愈大，环纹的级次愈高。,中心处，r=0，级次最高，满足,kc是中心亮斑的级次，向外的亮斑级次依次为kc-1, kc-2,41,h增大时，中心会先变暗再逐渐变亮，即级次慢慢增加；随着薄膜变厚，不断会冒出新的亮斑，而周围的亮环也不断向外扩大。,在中心处,每冒出(涌进)一亮斑，薄膜增加(减小),对(1)式微分可得,令k=1，可得相邻两环的角间距,故h增大时，角间距变小，条纹越来越密，同一视场中的
12、环数越来越多。,42,22.8 迈克耳孙干涉仪,迈克耳孙干涉仪,利用光的干涉来进行精密测量的仪器,43,迈克耳孙干涉仪,44,Thomas Young 1773-1829,英国医生、科学家托马斯.杨1801年用双缝干涉实验证明了光的波动性，并首先测出太阳光的平均波长：,该实验对光的波动说的复苏起到关键作用，在物理学史上占重要地位。,托马斯.杨和菲涅耳,45,1815年，菲涅耳向科学院提交了关于光的衍射的第一份研究报告，这时他还不知道托马斯杨关于衍射的论文。菲涅耳以光波干涉的思想补充了惠更斯原理，认为在各子波的包络面上，由于各子波的互相干涉而使合成波具有显著的强度，这给予惠更斯原理以明确的物理意
13、义。,菲涅耳的光学成就:,Augustin Fresnel 1788-1827,46,但是，波动说在解释偏振光的干涉现象上还存在着很大的困难。一直在为这一困难寻求解决办法的杨在1817年觉察到，如果光是横波或许问题能得到解决，他把这一想法写信告诉了阿拉果，阿拉果立即转告给了菲涅耳，菲涅耳当时已经独立地领悟到了这个思想，他立即以这一假设解释了偏振光的干涉的定律，证明了光的横波特性。,利用光的横波特性，菲涅耳还得到了一系列重要结论，奠定了晶体光学的基础。,47,菲涅耳的研究成果，标志着光学进入了一个新时期弹性以太光学的时期。这个学说的成功，在牛顿物理学中打开了第一个缺口，为此他被人们称为“物理光学的缔造者”。,菲涅耳等人建立的波动理论是在弹性以太中传播的横波。直到1865年，麦克斯韦建立了光的电磁理论，才完成了光的波动理论的最后形式。,北京工业大学 大学物理课程组,
