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1、光学,电磁波谱,可见光波段,常用单色光源及波长(nm),光学的分类,研究光的直线传播、独立传播、光的反射、折射等，它的结果通常只是波动光学在某些条件下的近似或极限。,从光是一种波动的观点出发，研究光在传播过程中所发生的现象的学科。内容包括光的干涉、衍射 、偏振以及双折射现象等。,以光的量子性出发，研究光与物质相互作用的学科。,1.几何光学：,2.波动光学：,3.量子光学：,1. 普通光源的发光机理,自发辐射：,间歇性,随机性,一个原子两次发光随机 不相干,两个原子同时发光彼此独立 也不相干,6.1 光的相干性 杨氏双缝干涉实验,6.1.1 光的相干性,第6章 光的干涉,2.特殊光源-激光光源
2、激光光源发光：受激辐射,光放大 发出光的频率 相位 振动方向 全相同,对普通光源，只有将同一微观粒子（光源上同一点）同一次发出的光波分成两半，才能得到相干光。,波列长度 L为相干长度。,钠Na光，波长589.6nm， 相干长度 3.410-2m,氦氖激光 ，波长632.8nm， 相干长度 40102m,氦氖激光的相干性远比普通光源好,相干光与非相干光,3. 获得相干光的方法,方法有两种,分波阵面法,分振幅法,杨氏双缝干涉实验,菲涅尔双镜实验,洛埃镜,如薄膜干涉,等厚干涉,等倾干涉,分波面法,p,S *,分振幅法,p,薄膜,S *,历史的回顾,古代光学基本上停留在几何光学的研究和总结上。 公元前
3、5世纪墨经、北宋时期沈括的梦溪笔谈都有记载。古希腊欧几里德(Euclid，约公元前330-275） 研究光的反射。托勒密希，(C.Ptolemaeus, 约公元100-170) 研究光的折射。荷兰人斯涅耳最早提出折射定律，由法国数学家费马（1601-1665）提出费马原理，予以确定，使几何光学理论很快发展。1666-1704年间，牛顿用色散原理解释了天界神秘而瑰丽的彩虹。,6-2 杨氏双缝干涉,1800年正是微粒说占上风的时期，托马斯杨发表了关于光和声的实验与研究提纲的论文，文中他公开向牛顿的微粒说提出挑战。,从1801年起，他担任皇家学院的教授期间，完成了干涉现象的一系列杰出的研究工作。他做
4、了著名的杨氏干涉实验，先用双孔后来又用双缝获得两束相干光，在屏上得到干涉花样。这一实验为波动光学的研究作出了开创性的工作，由于它的重大意义，已作为物理学的经典实验之一流传于世。,1807年出版的自然哲学讲义中描述了现在众所周知的双缝干涉的基本实验。但是他的理论却没有立即得到重视，被说成是“没有任何价值”的、“荒唐”和“不合逻辑”的。这个自牛顿以来在物理光学上最重要的成果，就这样被缺乏科学讨论气氛的守旧的舆论压制埋没了将近二十年。直到菲涅耳提出他的波动理论后，托马斯杨才获得了应有的荣誉。,6-2 双缝干涉,1. 杨氏双缝实验,相干光的获得： 分波阵面法,杨氏双缝实验第一次测定了光的波长这个重要的
5、物理量。,条纹特点：直条纹，亮度近，等间距。红光疏，紫光密。,2、公式推导,明纹,暗纹,(6.1),(6.2a),(6.2b),光波实际是由一段段波列构成。将一束光分成两束光，S1和S2对应的的波列（同一次辐射）总是同时作相应的变化，可看成是振动方向相同,频率相同, 位相相同两光源 。两束光经不同路径汇合时，则位相差仅由波程差决定。,干涉加强,各级明条纹位置：,干涉减弱,各级暗条纹位置：,两明、暗纹（中心）之间距离,条纹宽度,(6.3a),(6.3b),(6.4),在双缝干涉实验中，为使屏上的干涉条 纹间距变大，可以采取的办法是,（A）使屏靠近双缝。 （B）使两缝的间距变小。 （C）把两个缝的
6、宽度稍微调窄。 （D）改用波长较小的单色光源。, B ,若用复色光源，则干涉条纹是彩色的。,K 2 条纹有重叠,0级条纹为各种波长光叠加形成的白色明纹,波长不同条纹间距不同,杨氏实验：A1=A2=A，,公式所对应的光强分布曲线,I,0,2,4,6,-2,-4,-6,由光强分布曲线可知：,明纹的光强并非矩形分布，每条明纹的中心强度最大，两边强度对称性地逐渐减弱至零，故明纹有一定的宽度，通常所指的明纹位置是明纹中心的位置。,暗纹也不是一根几何线，同样有一定的宽度，通常所指的暗纹位置是暗纹中心的位置。,3、 条纹强度分布,(6.5),(6.7),二、 菲涅耳双镜,三、 洛埃镜实验,O,O处为暗，说明
7、反射光与入射光在该处的位相差为，反射光有相当于/2的附加光程，洛埃镜实验验证了反射时有半波损失存在。,解 洛埃镜实验与杨氏实验类似，条纹间距公式不变， 但由于S和 是两个反相光源，,在观察屏上测得相邻明条纹间距为,所出现的干涉条纹明暗位置恰与杨氏公式相反。 据扬氏双缝干涉条纹间距公式,P点的干涉效果取决于S和 至P点的波程差：,否则，介于最明最暗之间。,P处应为暗纹。,代入数据，得,6.2 光源对干涉条纹的影响 空间相干性与时间相干性,6.2.1 光源大小对干涉条纹的影响,单逢下移，屏上条纹朝上移动,单缝不在二狭逢中心，屏上 干涉条纹将如何变化？,看中央明纹朝什么方向变化,单逢有一定宽度。 为
8、简单化，设S，S/两光源，屏上有两套干涉条纹(非相干迭加)，彼此错开距离等于条纹宽度一半时，干涉条纹消失。,S/,光源宽度对干涉条纹对比度的影响，就是所谓光源的空间相干性问题。,6.2.2 光源非单色性对干涉条纹的影响,k级以后干涉条纹消失。,相干长度（波列长度）,总光强曲线,光程差,光源的非单色性对干涉条纹对比度的影响，就是所谓的光源的时间相干性问题。 时间相干性是相干长度（波列长度）有限引起的，,光在折射率为n的媒质中传播时,波长为，光振动的相位沿传播方向逐点落后,则通过路程r时,光振动相位落后的值为,6.3 光程与光程差,1）光程：折射率与几何路程的乘积nr,nr 等效真空路程,真空中的
9、波长,相干光源 a b 初相相同 ,但到达场点c的过程中经过的介质不同,c点的干涉结果取决于两相干光在c点的相位差,光程差,相位差 = 光程差( ),2) 据光程差确定明暗纹位置,(6.10),真空中波长为 的单色光，在折射率 n 的透明介质中从 A 传播到 B ，两处相位差为 3 ，则沿此路径 AB 间的光程差为 （A）1.5 （B） 1.5n （C）3 （D） 1.5/n, A ,A,B,n,分析：,将双缝干涉装置由空气中放入水中时， 屏上的干涉条纹有何变化？,n水 n空气,实验装置放入水中后条纹间距变小。,例6.2 如图6.11所示，扬氏双缝实验中，O处为中央明纹， 今用折射率n=1.5
10、8的云母片盖住其中一缝，发现中央明纹 移动到原第7级明纹P处，若入射光的波长 求云母片的厚度a.,解法一 盖上云母片的这一光路至P的光程为,另一光路至P的光程为,由题意两列光的光程差满足：,未盖云母片时， P处 为第7级明纹，故必有,解法二 因为双缝干涉条纹间距相等，加云母片后，条纹下移，此间距并不改变，则O处现在出现的是第7级明纹，必有：,解法三：盖上云母片的这一光路附加了光程,另一光路光程未变，,也就是两束相干光光程差的改变量。,由于中央明纹处出现在原第7级明纹处， 光程差变化7个波长，必有：,解法三：盖上云母片的这一光路附加了光程,另一光路光程未变，,也就是两束相干光光程差的改变量。,解
11、法三：盖上云母片的这一光路附加了光程,另一光路光程未变，,由于中央明纹处出现在原第7级明纹处， 光程差变化7个波长，必有：,也就是两束相干光光程差的改变量。,解法三：盖上云母片的这一光路附加了光程,另一光路光程未变，,例： 图示一种利用干涉现象测定气体折射率的原理图。在缝S1后面放一长为l 的透明容器，在待测气体注入容器而将空气排出的过程中，屏幕上的干涉条纹就会移动。通过测定干涉条纹的移动数可以推知气体的折射率，问,若待测气体的折射率大于空气折射率, 干涉条纹如何移动？,设l=2.0cm，光波波长 =5893 ,空气折射率 为1.000276, 充以某种 气体后，条纹移过20 条，这种气体的折
12、射率为多少 (不计透明容器的器壁厚度) ?,解 ： 1.讨论干涉条纹的移动，可跟踪屏幕上某一条纹(如零级亮条纹), 研究它的移动也就能了解干涉条纹的整体移动情况.,当容器未充气时，,其零级亮纹出现在屏上与 S1 、S2 对称的P0点.,容器充气后，S1射出的光线经容器时光程要增加，零级亮纹应在 P0的上方某处P出现，因而整个条纹要向上移动。,2.按题意，条纹上移20条，P0处现在出现第20 级亮条纹，因而有,光程差：,其中 N=20，,光程差：,n，n 分别为气体和空气的折射率，所以有,3)、 成象的等光程性,结论,透镜的使用可以改变光波的传播方向， 但不造成附加的光程差,对透镜成象，从物点到
13、象点，沿各条传播路径(光线)的光程相等，即物点到象点各光线之间的光程差为零，使用透镜不会产生附加的光程差。,总结:光的干涉问题处理步骤,1.将一个波列分成两个子波列(找到相干光);,2.(明/暗条纹 计算 改用光程差) 光程差,3.(若两相干光有反射,还需考虑半波损失) 半波损失(附加光程差),蝉翅在阳光下,蜻蜓翅膀在阳光下,白光下的油膜,肥皂泡玩过吗?,6.4 薄膜干涉,等倾条纹,牛顿环(等厚条纹),测油膜厚度,平晶间空气隙干涉条纹,1. 等厚干涉,薄膜干涉可分成等厚干涉和等倾干涉两类。,1.1 劈尖膜,实验装置及现象,两块平面玻璃片，一端互相叠合另一端夹一纸片，在两玻璃片之间形成的空气膜称
14、为空气劈尖。两玻璃片的交线称为棱边，在平行于棱边的线上，劈尖的厚度是相等的。 膜的上表面产生明暗相间的干涉条纹。,6.4.1.等厚干涉,6.4.1.1劈尖,n1,n,n1,棱,劈尖状薄膜，由折射率为n的透明介质构成。,n1n,1,2,光沿坚直方向照射下来,在上下两表面反射，形成相干光1，2,e,明,暗,干涉图象：,(1) 明暗相间的直条纹,从公式看：n，一定时，e相同处，干涉条纹级数k相同（等厚干涉）。,A,光程差一是由于光经过的路程及介质不同而引起的，二是由于光在上下两个表面上反射时可能产生的半波损失。,真空中波长,实验原理,(2)两相邻明(暗)条纹之间的距离L相等.,已知折射率和波长，又测
15、出条纹间距，则利用上式可求劈尖角。,(6.13),(6.14),例: 在半导体元件生产中，为了测定硅片上SiO2薄膜的厚度，将该膜的一端腐蚀成劈尖状，已知SiO2 的折射率n =1.46，用波长 =5893埃的钠光照射后，观察到劈尖上出现9条暗纹，且第9条在劈尖斜坡上端点M处，Si的折射率为3.42。试求SiO2薄膜的厚度。,解：由暗纹条件,e = (2k+1) /4n,= 2ne = (2k+1） /2 (k=0,1,2),知,第9条暗纹对应于k =8,代入上式得,= 1.72(m),所以SiO2薄膜的厚度为1.72m。,例:测量微小物体的直径.,D,L,二块玻璃板之间垫一细金属丝空气劈尖,玻璃板出现干涉条纹,量出干涉明纹30条的距离S=4.29510-3m,L=2.888 10-2m.求:D,解:,例: 利用空气劈尖的等厚干涉条纹可以检测工件表面存在的极小的加工纹路，在经过精密加工的工件表面上放一光学平面玻璃，使其间形成空气劈形膜，用单色光照射玻璃表面，并在显微镜下观察到干涉条纹，,如图所示，试根据干涉条纹的弯曲方向，判断工件表面是凹的还是凸的；并证明凹凸深度可用
