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1、13-2 相干光波的产生,13-6 迈克耳孙干涉仪,13-5 分振幅干涉薄膜干涉,13-4 分波前干涉杨氏双缝干涉实验,13-0 教学基本要求,物理学 第五版,第十三章 光的干涉,13-1 光波,13-3 光程 光程差,一 理解相干光的条件及获得相干光的方法. 二 掌握光程的概念以及光程差和相位差的关系，理解在什么情况下的反射光有相位跃变.,13-0 教学基本要求,三 能分析杨氏双缝干涉条纹及薄膜等厚干涉条纹的位置.,四 了解迈克耳孙干涉仪的工作原理.,前 言光学的发展历史和研究内容,一、 光学的发展史,光为人类带来热和光明，光不仅是能量的载体，也是信息的载体。,公元前四百多年的墨经中记载了许
2、多光学现象，比如投影、小孔成象、平面镜、凸面镜、凹面镜等。,（一）光学是物理学中发展最早的部分之一,古希腊数学家欧几里在其著作反射光学中研究了光的反射。但比墨经晚了100多年。,由于光的物理本性不容易被认识，古代对光的研究基本上停留在对现象的描述、简单规律的总结。,人们对光本性的认识经历了漫长的过程，直到17世纪中叶才开始了对它的认真探讨。当时存在以牛顿为代表的微粒说和以惠更斯为代表的波动说。,微粒说可以说明光的反射和折射规律，并认为光在水中的传播速度比空气中的速度大。 波动说也能解释光的反射和折射规律，并能说明双折射现象，但是认为光在水中的传播速度比空气中速度小。,由于牛顿在力学中的伟大贡献
3、，所以当时虽然存在两种学说的争论，但在相当一段时期微粒说占统治地位。,（二）对光本性的早期认识,1865年麦克斯韦建立了电磁理论，并指出光是电磁波。1888年赫兹用一系列实验证实了麦克斯韦的假设，证实了光是电磁波。19世纪末以光的电磁理论为基础建立了经典光学。,1801年的杨氏实验以及后来菲涅耳等人的工作都能说明光的波动特性，为光的波动学奠定了基础。 1850年傅科从实验中测定了光在水中的传播速度比空气中的速度小，证明了波动说所得的结论是正确的。,（三） 19世纪是波动光学的全盛时期,1960年第一台红宝石激光器的发明是光学发展史中的一个重要的里程碑。计算机延伸了人的大脑，而激光延伸了人的感观
4、，称为探索大自然奥秘的“超级探针”。在激光的作用下，人们观察到许多新现象，加深了对物质及其运动规律的认识，推动了物理学、化学、生物学和光学自身的发展。,1905年爱因斯坦发展了普朗克的量子论，提出了光量子假说，并利用该假说解释了光电效应实验。1927年康普顿散射实验进一步证明了爱因斯坦光量子理论的正确性。量子论和光子学说的提出是人们对光的本性认识的又一次飞跃，它标准着近代光学的建立。,（四） 20世纪是光学大发展的一百年,面对都具有坚实基础的波动学和微粒学，人们对光本性的认识迈进了一大步，即认为：光具有波粒二象性。,光学是研究光的本性，光的发射、传播、接收以及光和物质相互作用的学科。,二、 光
5、学研究内容,光学通常分为以下三个部分：,以光的直线传播规律为基础，主要研究各种成象光学仪器的理论。,研究光的电磁性质和传播规律，特别是干涉、衍射、偏振的理论和应用。,以光的量子理论为基础，研究光与物质相互作用的规律。,一 光波是一种电磁波,13-1 光 波,可见光的范围,二 光波的传播速度,真空中光速,介质折射率,在光波中起光作用的主要是电场矢量E，因此电场矢量E又称为光矢量。,四 光强,光波的能流密度I在光学中称为光强，表示在单位时间内通过垂直于光传播方向的单位截面的平均光能。,考虑同一介质的相对光强时，有,三 光波是横波,光波具有偏振特性。,简谐平面光波的光强表示为：,一 光波的相干条件,
6、有相互平行的电振动分量；, 两列波的频率相等；, 初相差恒定；,二、光源的发光特性,光源的最基本发光单元是分子、原子.,原子每一次发光只能发出一段长度有限、频率一定和振动方向一定的光波，该段光波称为一波列；,13-2 相干光波的产生,1. 普通光源：自发辐射,普通光源发光特点： 原子发光是断续的，每次发光形成一个短短的波列, 各原子各次发光相互独立，各波列互不相干.,2. 激光光源：受激辐射,激光是相干光。,三、 从普通光源 获得相干光的方法,原则：将同一波列的光分成两束，经不同路径后相遇， 产生干涉。,1 分波前的方法 杨氏干涉,2 分振幅的方法 薄膜干涉,3 分振动面的方法 偏振光干涉,光
7、程表示在介质中通过真实路程所用时间内能在真空中所走的路程,13-3 光程 光程差,光程的物理意义,光在介质中走过距离r所用时间为：,一 光程,L = nr定义为与路程r相应的光程。,二 光程差与位相差的关系,一束光在不同媒质中传播相同距离引起的位相滞后是不同的。,介质中的波长,媒质中,将光在介质中通过的路程按相位变化相同的原则折算为真空中的路程,光程的物理意义,光程差 ： = L2 - L1,相位差和光程差的关系：,光程 L = ( ni di ),光程差表示干涉加强和减弱的条件,利用光程可将光在各种介质中通过的路程折算为真空中的路程！,若介质折射率连续变化，则A、B 两点之间的光程为,解：S
8、1p的光程为,S2p的光程为,两条路径的光程差为：,三 透镜不会引起附加的光程差,物点到象点各光线之间的光程差为零.,平行光线经透镜聚焦不会 引起附加光程差,总结：使用透镜不会引起各相干光之间的附加光程差。所以当用透镜或透镜组成的光学仪器观测干涉时，观测仪器不会带来附加的光程差，即不会引起干涉图案的变化。,四 半波损失,当光从光密介质入射于到光疏介质时，反射光没有半波损失。,3 反射光有半波损失情况,1 光密介质，光疏介质概念,2 反射光无半波损失情况,当光从光疏介质入射到光密介质时，则反射光有半波损失。,光密介质折射率较大的媒质,光疏介质折射率较小的媒质,一 杨氏双缝干涉,1 实验装置,2
9、实验结果及讨论,13-4 分波前干涉杨氏双缝干涉实验,光程差：,相位差：,相位差为：,条纹间距,相邻明（或暗）条纹间的距离称为条纹间距。,杨氏干涉条纹是等间距的。,用白光作实验，只有在0级亮纹处仍是白色外，其余级次则出现彩色干涉条纹。,在屏幕上x处发生重极时，满足：,当 即 发生重级 。,干涉级次越高重叠越容易发生。,明纹中心位置,条纹间距,讨论题1,把一条缝加宽，条纹如何变化？,若 d不变，则条纹位置不变。,则暗纹强度不为0，,条纹反差小（有衬底）,可见度降低。,明纹强度也变大,讨论题 2,若把S向上移，条纹如何变化？,条纹间距不变，但干涉条纹整体向下平移！,a)可用于测量波长,方法一：,方
10、法二：,3 杨氏干涉的应用,b)可用于测量薄片物体的厚度和折射率,例2 在双缝实验中分别作下面调节时屏上的条纹将怎样变化？1）屏幕移近；2）波长变化；3）把实验放在水中进行。,依据：,条纹靠近中央，变密,解： 第一级和第十级暗纹之间共有（10-1）个间隔,相邻暗纹间距为：,解：设玻璃片厚度为t.,原第7 级明纹处的光程差为,加片后此处为零级明纹，其光程差为,例5：如图所示，用波长为的单色光照射双缝干涉实验装置，并将一折射率为n劈角为（很小）的透明尖劈b插入光线2中，设光源S和屏C上的点O都在双缝的中垂线上。问要使O的光强由最亮变为最暗，劈尖至少要向上移动多大距离d（只遮住S2）。,解： 用l表
11、示光线2在劈尖中走过的 距离，在o点形成亮斑的条件,此时如使劈尖向上移动后，第一次在o点形成暗斑的条件,(2)（1）得：,而劈尖向上移动的距离,二 干涉条纹的可见度,为了定量描述干涉条纹的清晰度，引入条纹的可见度,1) 两列光波完全非相干,从 知：,视场中各处等光强，完全无干涉条纹出现。,2) 两列光波部分相干,a) 若 ，则 ，可见度最大，条纹清晰；,b) 若两列光波的振幅相差很大时（A1A2或A2A1)，则 ，条纹不能分辨。,3) 两列光波完全相干,三 分波前干涉的其它一些实验,1 菲涅耳双面镜实验：,实验装置：,虚光源 、,平行于,明条纹中心的位置,屏幕上O点在两个虚光源连线的垂直平分线
12、上，屏幕 上明暗条纹中心对O点的偏离 x为：,暗条纹中心的位置,2 劳埃德镜实验,当屏幕W移至B处， 从 S 和 S 到B点的 光程差为零，但是 观察到暗条纹，验 证了反射时有半波 损失存在。,3 菲涅耳双棱镜实验,用几何光学 可以证明：, 13-5 分振幅干涉-薄膜干涉,13-6 迈克耳孙干涉仪,下次课将讲章节,14-1光的衍射现象,14-2 惠更斯-菲涅尔原理,上次课主要公式,干涉加强,减弱条件,通常反射率很低，只需考虑前两条反射光1、2的干涉。其光程差,一. 薄膜干涉基本公式,半波损失项?, 13-5 分振幅干涉薄膜干涉,1，2两条反射光线的光程差：,干涉相长， 明纹中心,干涉相消 暗纹
13、中心,极值条件,半波损失项的确定,满足n2n1,n3 或 n2n1,n3 计入半波损失项；,满足n1n2n3(或n1 n2 n3) 不计入半波损失项。,1，2两条反射光线的光程差：,是真空中波长！,1，2两条反射光线的光程差：,1. 半波损失 中的l是什么介质中的波长？,2. 半波损失 项前面可否为 ？,可以！,3. 半波损失 项前面取 会有何不同？,不会影响分析结果，但会影响干涉相长或干涉相消条件中级次的取值。,二. 薄膜干涉应用增透(射)膜和增反射膜,对同样的入射光来说，当反射方向干涉加强时，在透射方向就干涉减弱。反之亦然。,1）增透膜-能使某种波长的光全部透过而无反射的膜,使薄膜上、下表
14、面反射光符合干涉相消的条件来减少反射，从而使透射增强。,在垂直入射和n1 n2 n3条件下，增透膜厚度为,说明:一定厚度的增透膜只适合于某一种或几种波长 的光。,使薄膜上、下表面反射光符合干涉相长的条件来减少透射，从而使反射增强。,在垂直入射，且n1 n2 n3且的条件下，增反膜厚度为,说明：一定厚度的增反膜只适合于某一种或几种波长 的光。,2)增反膜-能使某种波长的光全部反射而无透过的膜,反射加强条件为：,透射加强（反射减弱）条件,解：可见光0.40.76m.二反射光线的光程差为：,例2 白光垂直照射到空气中一厚度d=3800的肥皂膜上，肥皂膜的折射率n1.33，在可见光范围内（400076
15、00），哪些波长的光在反射中增强？,所以只有k2和k3对应的两色光在反射中加强。,解：反射加强公式为,由14000得：,由27600得：,K=2,K=3,随着级次的增加波长逐渐减小。,三. 等倾薄膜干涉(*),知：当d一定时，光程差决定于入射角，相同的入射角对应同一级条纹。因此，称它为薄膜等倾干涉。,注意：因光程差大于波列长度的两束光不能相干，所以d不能太大。,当薄膜厚度均匀，其上下表面平行，反射光1和光2也平行。（如何观察干涉图样？）,1. 观察等倾薄膜干涉实验装置,形状:,一系列同心圆环,r环= f tan i,条纹间隔分布:,内疏外密,2. 等倾薄膜干涉条纹特点,条纹级次分布:,d一定，k,i,rk，所以中心k最高,膜厚变化时,条纹的移动：,k一定，d, ,i ,rk ；(圆条纹从中心冒出),波长对条 纹的影响:,k,d一定，, ,i ,rk ,用白光照明，在边缘处观察从内到外是红紫的彩色环。,明纹,暗纹,3. 用面光源照明时，干涉条纹的分析,只要入射角i相同，都将汇聚在同一个干涉环上（非相干叠加）。,使用面光源所得干涉条纹明暗对比比使用点光源的更鲜明，所以在观察等倾干涉现象时常使用面光源。,一） 劈尖（劈形膜）,夹角很小的两个平面所构成的薄膜。,1、2两束反射光来自同一束入射光，它们可以产生干涉 。,四. 等厚薄膜干涉,1
