《大学物理-多媒体课件-3光的干涉3电子教案》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大学物理-多媒体课件-3光的干涉3电子教案（66页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、波 动 光 学1 光学是研究光的传播以及它和物质相互作用光学通常分为以下三个部分： 几何光学：以光的直线传播规律为基础， 波动光学：研究光的电磁性质和传播规律， 量子光学：以光的量子理论为基础，研究各种成象光学仪器的理论。是干涉、衍射、偏振的理论和应用。物质相互作用的规律。主要研究光与特别问题的学科。2光 的 干 涉（Interference of light）第三章33.1 光源的相干性一. 光源（light source） 光源的最基本发光单元是分子、原子。 = (E2-E1)/hE1E2能级跃迁辐射波列波列长 L = c52. 激光光源：受激辐射 = (E2-E1) / hE1完全一样E
2、21. 普通光源：自发辐射独立（同一原子先后发的光）独立（不同原子发的光）（传播方向， 频率，相位， 振动方向） 6二. 光的相干性 1. 两列光波的叠加P12r1r2P：12E0E10E20干涉项（只讨论电振动）7 非相干光源： I = I 1 + I 2 非相干叠加 完全相干光源： 相长干涉（明）（k = 0,1,2） 相消干涉（暗） (k = 0,1,2) 8I02-24-44I1衬比度差 (V ，D d （d 10 -4m， D m）波程差：相位差：P（书3.1和3.2节）11明纹 暗纹 条纹间距：x0 xI xr1r2xdxD0P12（1）一系列平行的明暗相间的条纹； （3）中间级次
3、低，两边级次高；明纹： k ，k =1，2（整数级）暗纹： (2k+1)/2 （半整数级）（4） 条纹特点：（2） 不太大时条纹等间距；白光入射时，0级明纹中心为白色（可用来定0级位置）， 其余级明纹构成彩带，第2级开始出现重叠（某条纹级次 = 该条纹相应的 之值）（书P124 例 3.1）13白光入射的杨氏双缝干涉照片红光入射的杨氏双缝干涉照片14二 . 光强公式若 I1 = I2 = I0 ，则光强曲线k012-1-2I02-24-44I0sin0 /d- /d-2 /d2 /dx0 x1x215 三. 干涉问题分析的要点：（1）搞清发生干涉的光束； （2）计算波程差（光程差）； （4）求
4、出光强公式、画出光强曲线。（3）搞清条纹特点： 形状、 位置、级次分布、条纹移动等；16 四. 其他分波面干涉实验要求明确以下问题：1.如何获得的相干光； 2.明、暗纹条件； 3.干涉条纹特点： 4.劳埃镜实验说明了什么？重点搞清劳埃镜实验。形状、间距、 级次位置分布；（自学书P128129）17一. 光的非单色性1.理想的单色光 、2.准单色光、谱线宽度有一定波长（频率）范围的光。谱线宽度：准单色光：在某个中心波长（频率）附近 00II0谱线宽度3.3 时间相干性（temporal coherence）18（1）自然宽度 EjEiEi 3.造成谱线宽度的原因：（2） 多普勒增宽（3） 碰撞增
5、宽 Ej19二. 非单色性对干涉条纹的影响设能产生干涉的最大级次为kM ， - (/2) + (/2)合成光强123456012345x0I又则应有：20三 . 相干长度与相干时间1. 相干长度（coherent length） 两列波能发生干涉的最大波程差叫相干长度。 ：中心波长SS1S2c1c2b1b2a1a2 PS1S2Sc1c2b1b2a1a2P才能发生干涉。上图表明，波列长度就是相干长度。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，21普通单色光：激光： （实际上，一般为10 -1 101m）（理想情况）22光通过相干长度所需时间叫相干时间。2.相干时间（
6、coherent length）的长短来衡量的。 光的单色性好，相干时间时间相干性也就好。时间相干性的好坏， 就是用相干长度M（波列长度）或相干时间（波列延续时间）相干长度和相干时间就长，233.4 空间相干性（spatial coherence）一. 空间相干性的概念讨论光源宽度对干涉条纹衬比度的影响。S1d /2S2RD光源宽度为 bb/2LMN0M0N0LI非相干叠加+1L1NxI合成光强Ix合成光强24xI合成光强0Nx+1L0M0L-1NS1d /2S2RD光源宽度为 b0b0 /2LMN0M0N0LI非相干叠加+1L1N二. 极限宽度当光源宽度b增大到某个宽度b0时，纹刚好消失：干
7、涉条25D d ：R b0 、d ：b0就称为光源的极限宽度，x / 2+1Lr1d0DRr2r1r2单色光源b0 / 2xLM其计算如下：此时L的一级明纹的极大在一级明纹：26光源的极限宽度时，才能观察到干涉条纹。为观察到较清晰的干涉条纹通常取有：由27三. 相干间隔和相干孔径角1. 相干间隔R一定时，d0 越大，光场的空间相干性越好。由则要得到干涉条纹，必须。令 相干间隔d0bS1S2Rd若 b 和 R一定，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。282. 相干孔径角S1S2b0d0R相干孔径角 0 越大空间相干性越好。 在0 范围内的光场中，正对光源的
8、平面上的任意两点的光振动是相干的。 普通单色光源分波面干涉受到光源宽度的限制，不受以上限制。 相干孔径角来代替。相干间隔也可以用 d0 对光源中心的张角。存在条纹亮度和衬比度的矛盾。而激光光源则29四. 相干间隔的应用举例bdR 星体测遥远星体的角直径 考虑到衍射的影响，有使d = d0 ，则条纹消失。由，有利用空间相干性可以30由此得到： 测星干涉仪：间的距离就是d0。M1M2M3M4屏迈克耳孙测星干涉仪反射镜S1S21920年12月测得：利用干涉条纹消失测星体角直径遥远星体相应的d0 几至十几米。迈克耳孙巧妙地用四块反射镜增大了双缝的缝间距。屏上条纹消失时，M1M4猎户座 星 nm（橙色）
9、，313.5 光程（optical path）一. 光程真空中：rab 介质中：abnr介质 介质中波长 真空中波长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。32为介质中与路程 r相应的光程。这表明，光在介质中传播路程 r 真空中波长传播路程 nr 引起的相位差相同。我们称 nr由此得到关系：例计算图中光通过路程 r1 和 r2 在P点的相差。nS1S2r1r2dP和在真空中33二 . 透镜不会产生附加光程差 物点到象点（亮点）各S acbSFacbABCFacbABCF在干涉和衍射装置中经常要用到透镜，光线经过透镜后并不附加光程差。焦点 F、F 都是亮点，说明各光线在此同相叠加。
10、而 A、B、C 或 a、b、c都在同相面上。光线之间的光程差为零。BF， CF说明 AF，各光线等光程。BF，CF或 AF，34厚度均匀薄膜在无穷远处的等倾条纹。3.6 薄膜干涉（film interference）（一） 等厚条纹（equal thickness fringes） 薄膜干涉是分振幅干涉。 日常中见到的薄膜干涉：肥皂泡上的彩色、雨天地上油膜的彩色、昆虫翅膀的彩色。 膜为何要薄？ 光的相干长度所限。膜的薄、厚是相对的， 与光的单色性好坏有关。普遍地讨论薄膜干涉是个极为复杂的问题。实际意义最大的是厚度不均匀薄膜表面的等厚条纹和35本节讨论不均匀薄膜表面的等厚条纹。一. 劈尖（wed
11、ge film）（劈形膜）夹角很小的两个平面所构成的薄膜叫劈尖。en Ann( 设n n )反射光2反射光1S*单色平行光12 1、2两束反射光例如在膜面上（A点）来自同一束入射光，它们可以产生干涉。1、2两束反射光相干叠加， 就可行成明暗条纹。36反射光1单色平行光垂直入射ennnA反射光2(设n n )所以反射光1、2的明纹：暗纹：同一厚度e对应同一级条纹 等厚条纹实际应用中大都是平行光垂直入射到劈尖上。程差可简化计算。考虑到劈尖夹角极小，反射光1、2在膜面的光光程差为在A点，反射光1有半波损失，37条纹间距：又 Leekek+1明纹暗纹n L38等厚干涉条纹劈尖不规则表面39白光入射单色
12、光入射肥皂膜的等厚干涉条纹演示白光经肥皂膜的干涉（KG001）40(1)暗环erR平晶平凸透镜 o二 . 牛顿环 (2)暗环： 条纹间距， 内圈的条纹级次低。（k = 0， 1， 2 ）(1)、(2)第k个暗环半径：光程差：41明环半径公式思考 平凸透镜向上移，条纹怎 白光入射条纹情况如何？（自己推导）牛顿环装置简图：平晶S分束镜 M显微镜0平凸透镜.样移动? 透射光条纹情况如何？42牛顿环照片演示白光牛顿环（KG002，KG003）43三 . 等厚条纹的应用1. 劈尖的应用： 测波长：已知、n，测 L 可得 测折射率：已知、 ，测 L可得 n 测细小直径、 测表面不平度h待测块规标准块规平晶
13、等厚条纹待测工件平晶待测样品石英环平晶干涉膨胀仪依据公式厚度、 微小变化：（书P145 例 3.4）（书P146 例 3.5）（书P159习题 3.19）442. 牛顿环的应用： 测透镜球面的半径R 测波长 检验透镜球表面质量标准验规待测透镜暗纹已知 , 测 m、rk+m、rk ，可得R 。已知R，测出m 、 rk+m、rk， 可得 。 依据公式若条纹如图，说明待测透镜球表面不规则，且半径有误差。一圈条纹对应 的球面误差。45暗纹标准验规待测透镜暗纹标准验规待测透镜如何区分如下两种情况?思考46一. 点光源照明时的干涉条纹分析L fP0 r环 ennn n rA CD21Siiii光束1、2的
14、光程差：得 膜厚均匀（e不变）又B3.7 薄膜干涉（二） 等倾条纹（equal inclination fringes）47或明纹暗纹 形状：条纹特点：一系列同心圆环r环= f tg i 条纹间隔分布：内疏外密（想想为什么？） 条纹级次分布： e 一定时， 波长对条纹的影响： 膜厚变化时，条纹的移动：i相同的光线对应同一条干涉条纹 等倾条纹。即倾角当k ( k) 一定时，i也一定，L fPor环iSi12 en nii n48二 . 面光源照明时，干涉条纹的分析 只要 i 相同，都将汇聚在同一个干涉环上（非相干叠加），因而明暗对比更鲜明。foennn n面光源Pr环ii49观察等倾条纹的实验装
15、置和光路inMLS f屏幕 对于观察等倾条纹，没有光源宽度和条纹衬比度的矛盾 !50等倾条纹照相三. 应用：增透射膜和增反射膜（书例3.7 ）演示等倾干涉条纹（KG005）51 9 迈克耳孙干涉仪（Michelson interferometer）一. 仪器结构、光路二. 工作原理光束2和1发生干涉 若M1、M2平行 等倾条纹 若M1、M2有小夹角 等厚条纹十字叉丝等厚条纹M12211半透半反膜补偿板反射镜反射镜光源观测装置薄膜则有：补偿板可补偿两臂的附加光程差。若M1平移d 时， 干涉条移过N条，SM2M1G1G2E5253迈克耳孙干涉仪演示 迈克耳孙干涉仪的等倾条纹（KG007）54迈克耳
16、孙在工作 迈克耳孙（A.A.Michelson）因创造精密光学仪器，用以进行光谱学和度量学的研究，并精确测出光速，获1907年诺贝尔物理奖。美籍德国人55全息照相实验、迈克耳孙干涉仪至今仍是许多光学仪器的核心。爱因斯坦赞誉道：“我总认为迈克耳孙是科学中的艺术家，最大乐趣似乎来自实验本身的优美的精湛，和所使用方法他从来不认为自己在科学上是个严格的专家，事实上的确不是，他的但始终是个艺术家。”重要的物理思想 巧妙的实验构思精湛的实验技术 科学中的艺术许多著名的实验都堪称科学中的艺术，如：吴健雄实验、 施 盖实验等等。56三. 迈克耳孙干涉仪的应用 测介质折射率 测量微小位移ln光路1中插入待测介质，由此可测折射率n 。以波长 为尺度，可精确到 产生附加光程差：M11若相应移过 N 个条纹，则应有（书P161习题3.31）57用迈克耳孙干涉仪测气流58 *光学相干CT 断层扫描成像新技术（CT-Computed Tomography） 第二代： NMR CT核磁共振成象第一代： X射线 CT 射线 CT工业CT计算机断层成象空间分辨率达微米的量级第三代：光学相干CTOCT（Optical C
