大学物理 相干光教材

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1、第十一章 波动光学11.1 光的干涉 * 1）频率相同； 2）振动方向平行； 3）相位相同或相位差恒定. 波的相干条件 其他 振动始终加强 振动始终减弱 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 振动始终减弱 振动始终加强 其他 3 ) 波程差 若 则 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 牛顿的微粒说 光是由发光物体发出的遵循力学规 律的粒子流。 惠更斯的波动说 光是机械波，在弹性介质“以太”中 传播。 一 光的两种学说 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 几何光学:以光的直线传播和反射、折射定律为基础 ，研究光学仪器成象规律。 物理光学:以光的波动性和粒子性为基础，研究光现 象基本规律。 波

2、动光学 量子光学 光的电磁理论波动性： 干涉、衍射、偏振 光的量子理论粒子性： 黑体辐射、光电效应、康普顿效应 二 光的本性 三 光的分类 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 1.频率相同； 2.振动方向一致； 3.有恒定的相位差； 4*.光程差不太大； 1 1、产生相干光的条件、产生相干光的条件 一 光的相干性 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 低能级E1 2、原子发光机制 当原子吸收外界能量后，由低能级跃迁到 高能级，但在高能级不稳定，又会从高能级跳 回低能级。 高能级E2 光子 能级跃迁辐射 1.相干光源 / 二、原子发光机制 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 2.各原子发光是

3、随机的，无固定相位差。 1.原子发光的时间很短，只有10-8秒。 注意注意 两个频率相同的钠光灯不能产生干涉现象 ，即使是同一个单色光源的两部分发出的光， 也不能产生干涉。 无干涉现象 1.相干光源 / 二、原子发光机制 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 1. 普通光源：自发辐射 独立(不同原子发的光) 独立(同一原子先后发的光) 普通光源是观察不到干涉现象的。 1.相干光源 / 二、原子发光机制 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 波阵面分割法 * 光源 产生相干光的方法产生相干光的方法 1.分波面法 在同一波面 上两固定点光源 ，发出的光产生 干涉的方法为分 波面法。如杨氏 双缝干涉

4、实验。 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 2.分振幅法 一束光线经过 介质薄膜的反射 与折射，形成的 两束光线产生干 涉的方法为分振 幅法。如薄膜干 涉、等厚干涉等 。 振幅分割法 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 3 3、光程与光程差、光程与光程差 1.光程 L 在真空中光的波长为 ，光速为 C，进入 折射率为 n 的媒质中后，波长n , 光速为 v ,由 折射定律可知： 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 相当于真空中走的波程为： 定义光程： 光程为光在媒质中传播的波程与媒质折射 率的乘积。 光在媒质中传播 l的距离后，相位改变了 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 2.光程差

5、 光程差为两束光的光程之差。 如果光线穿过多种媒质时，其光程为： r1 n1 r2 n2 ri ni rn nn 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 3.光程差与相位差的关系 则相位差为： 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 干涉加强减弱条件干涉加强减弱条件 当光程差满足波长的整数倍时，两束光干 涉加强；当光程差满足半波长的奇数倍时，两 束光干涉减弱。 两束单色光相干时，光程差满足： 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 4、相干长度 可发生干涉 不能发生干涉 要使两束光产生干涉，两束光的最大光程 差必须小于波列长度 L0 为相干时间，即原子发光的持续时间 第十一章 波动光学11.1 光的

6、干涉 理论上可以证明光的频率范围为 波列的相干长度为 由于 ,所以有 所以有 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 p 实 验 装 置 二 杨氏双缝干涉实验 光程差 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 减弱 加强 暗纹 明纹 p 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 明暗条纹的位置 白光照射时，出现彩色条纹 暗纹 明纹 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 讨论 条纹间距 1）条纹间距 与 的关系 ; 若 变化 ，则 将怎样变化？ 一定时， 一定时，2） 条纹间距 与 的关系如何？ 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 双缝干涉光强分布 干涉项若 合光强 其中 则 第十一章 波动光学11.1

7、 光的干涉 光 强 分 布 图 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 P 菲涅耳双面镜 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 劳埃德镜 P M L 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 干涉相长： 光程差为： 干涉相消： M 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 例1： 在杨氏双缝实验中，若在下缝放一折 射率为 n，厚度为l的透明的介质薄片，求（1 ）两相干光到达屏上任一点P的光程差；（2 ）分析加媒质前后干涉条纹的变化情况 p 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 例2 以单色光照射到相距为0.2mm的双缝上,双缝与 屏幕的垂直距离为1m. (1) 从第一级明 纹 到同侧 的第四级明 纹的距

8、离为 7.5mm,求单色光的波长; (2) 若入射光的波长为600nm,求相邻两明纹间的距离. 解 （1） （2） 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 例：如图，虚线代表双缝S1、S2的中心轴线， 双缝间距为d，单缝屏的距离为L，照明单缝S 的准单色光波长为 ，单缝S不在中心轴上， 而在轴上方离轴b处，试问零级干涉条纹在屏 上什么位置。 D S1 S2 S P x o L 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 例：如图，双缝屏S1,S2右侧10cm处置一焦距 为10cm的凸透镜L,L的光轴通过S1,S2中点， 在L的右侧10cm远处又放置一垂直于轴的屏幕 。已知双缝间距d=0.2cm，且用

9、的光照明，试求屏幕上的条纹间距。 S1 S P o f S2 A 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 A B 透镜不引起附加的光程差 A B 三 薄膜干涉 通过光轴的光 线波程最短，但在 透镜中的光程长； 远离光轴的光线波 程长，但在透镜中 的光程短，总的来 讲，各条光线的光 程都是相同的。 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 P L 薄膜干涉 D C 3 4 E 5 A 1 B 2 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 反射光的光程差 加 强 减 弱 P L D C 3 4 E 5 A 1 B 2 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 根据具体 情况而定 P L D C 3 4 E 5

10、A 1 B 2 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 当光线垂直入射时 当 时 当 时 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 增透膜和增反膜 利用薄膜干涉可以提高光学器件的透光率 . 取 氟化镁为增透膜 例 为了增加透射率 , 求 氟化镁膜的最小厚度. 已知 空气,氟化镁 , 减弱 解 23 玻璃 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 S M 劈尖角 一 劈 尖 明纹 暗纹 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 （明纹） （暗纹） 讨论 1）劈尖 为暗纹. 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 2）相邻明纹（暗纹）间的厚度差 3）条纹间距（明纹或暗纹） 劈尖干涉 第十一章 波动光学11.1 光

11、的干涉 每一条纹对应劈尖 内的一个厚度，当此 厚度位置改变时，对 应的条纹随之移动. 4 ）干涉条纹的移动 若上表面上移 , 则条纹级次改变1, 当某处有m个条纹 移过,则该处厚度变 化 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 2）测膜厚度 1）干涉膨胀仪 劈尖干涉的应用劈尖干涉的应用 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 空气 3）检验光学元件表面的平整度4）测细丝的直径 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 二二 牛顿环牛顿环 由一块平板玻璃和一平凸透镜组成 光程差 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 牛顿环实验装置牛顿环实验装置 牛顿环干涉图样 显微镜 S L M半透 半反镜 T 第十一

12、章 波动光学11.1 光的干涉 R 明纹 暗纹 rd 光程差 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 R rd 暗环半径 明环半径 明纹 暗纹 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 4）应用例子:可以用来测 量光波波长，用于检测透镜质 量，曲率半径等. 1）从反射光中观测，中心点是暗点还是亮点？ 从透射光中观测，中心点是暗点还是亮点？ 2）属于等厚干涉，条纹间距不等，为什么？ 3）将牛顿环置于 的液体中，条纹如何变？ 工工 件件 标标 准准 件件 暗环半径 明环半径讨 论 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 测量透镜的曲率半径测量透镜的曲率半径 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 检测光学镜

13、头表面曲率是否合格 将玻璃验规盖于待 测镜头上，两者间形成 空气薄层，因而在验规 的凹表面上出现牛顿环 ，当某处光圈偏离圆形 时，则该处有不规则起 伏。 验规 4.等厚干涉、劈尖、牛顿环 / 三、牛顿环 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 例 1 有一玻璃劈尖 , 放在空气中 , 劈尖夹 角 , 用波长 的单色光垂直 入射时 , 测得干涉条纹的宽度 , 求 这玻 璃的 折射率. 解 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 例2 用氦氖激光器发出的波长为633nm的单色光 做牛顿环实验，测得第个 k 暗环的半径为5.63mm , 第 k+5 暗环的半径为7.96mm，求平凸透镜的曲率半径R. 解

14、 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 S L 例3 在平面玻璃片G上放一油滴，并展开成圆形 油膜，在波长 的单色光垂直入射下，从 反射光中可观察到油膜所形成的干涉条纹 . 已知玻 璃的折射率 问：当油膜中心最高点与 玻璃片的上表面相距 时，干涉 条纹如何分布？可见明纹 的条数及各明纹处膜厚 ? 中心点的明暗程度如何 ? 若油膜展开条纹如何变化? , 油膜的折射率 G 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 解 1）条纹为同心圆 油膜边缘明纹 明纹 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 当油滴展开时，条纹间距 变大，条纹数减少. 由于 故可观察到四条明纹 . 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 例 一油轮漏出的油(折射率 =1.20)污染了某 海域, 在海水( =1.30)表面形成一层薄薄的油污. (1) 如果太阳正位于海域上空,一直升飞机的驾 驶员从机上向下观察,他所正对的油层厚度为460nm, 则他将观察到油层呈什么颜色? (2) 如果一潜水员潜入该区域水下,又将看到油 层呈什么颜色? 解 (1) 绿色 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 (2) 透射光的光程差 红光 紫光 紫红色 第十一章 波动光学11.1 光的干涉 单色光源 反 射 镜 反射镜 一一 迈克耳孙干涉仪迈克耳孙干涉仪 与 成 角 补偿