《大学物理课件：光的干涉》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大学物理课件：光的干涉（52页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第第18章章 光的干涉光的干涉(InterferenceofInterferenceoflightlight)托马斯托马斯杨杨( (Thomas Young)惠更斯惠更斯18.1 分波前干涉分波前干涉(Wavefront-splitting Interference)1.波的干涉波的干涉 光的相干性光的相干性波的波的叠加原理叠加原理标量波：标量相加矢量波：相互平行分量的叠加P18.1 分波前干涉波的波的干涉干涉干涉项干涉项加强，相长干涉加强，相长干涉相位差：相位差：减弱，相消干涉减弱，相消干涉光程差：光程差：18.1 分波前干涉加强，相长干涉加强，相长干涉减弱，相消干涉减弱，相消干涉波的相干条
2、件：波的相干条件：1)同频率；同频率；2)存在相互平行的振存在相互平行的振动分量动分量 (相同的振动方向相同的振动方向)；3)恒定的相位差。恒定的相位差。相干光，相干光，对应的光源称为相干光源相干光源对光波而言，第三点尤为重要。若不稳定， 光源的发光特性光源的发光特性光源光源：能够发光的物体。光源发光是光源内部大量分子或原子进行的一种微观过程。光源的最基本发光单元是分子、原子。 = (E2-E1)/hE1E2能级跃迁辐射能级跃迁辐射波列波列波列长波列长L = c18.1 分波前干涉波波列：列：原子在一次跃迁时发出的一列长度有限，有固定频率和振动方向的光波。激光光源：受激辐射激光光源：受激辐射
3、= (E2-E1) / hE1 完全一样（传播方向，频率，相位，振动方向） E2普通光源：自发辐射普通光源：自发辐射18.1 分波前干涉独立（同一原子先后发的光）独立(不同原子发的光)普通光源的发光特点普通光源的发光特点:1. 原子的发光是断续的，一个原子每一次发光只能发出一个波列；2. 同一时刻各原子发出光波的频率、振动方向和相位各不相同；3. 同一原子不同时刻所发出的波列，振动方向和相位各不相同。两个普通光源或同一普通光源的不同部分所发出的光是不相干的。18.1 分波前干涉18.1 分波前干涉普通光源获得相干光的途径分波前法分波前法分振幅法分振幅法分振动面法分振动面法pS * *分波前法分
4、波前法分振幅法分振幅法p薄膜薄膜S S * *18.1 分波前干涉2. 杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉1801年，英国科学家托马斯杨(Thomas Young 1773-1829)首先完成了光的干涉实验，第一次把光的波动学说建立在牢固的实验基础上。SS1S2S1，S2两子波源是同一波阵面的两部分，发出的光是相干光，分波阵面法。波程差波程差波程差波程差(远场近轴条件远场近轴条件)18.1 分波前干涉相位差：相位差：d，Dd (d 10-4m, D m)18.1 分波前干涉明纹明纹 暗纹暗纹 条纹间距条纹间距1.干涉条纹是一系列平行的明暗相间的条纹；在远场近轴条件下条纹是等间距。条纹间距正比于D、，反比
5、于d。2. K称为条纹的级次。讨论讨论:18.1 分波前干涉3.光强分布若I1 = I2 = I0，则：光强曲线光强曲线I0 2 -2 4 -4 k012-1-24I0x0x1x2x -2x -1sin 0 /d- /d-2 /d2 /d4. 若光路不在同一介质中，则应用光程差取代波程差，即：18.1 分波前干涉白光入射的杨氏双缝干涉照片5. 白光照射时，中央条纹仍是白色的，其他条纹是彩色的。18.1 分波前干涉EX18-1 已知：D=1.2m，d=0.03mm，x2=4.5cm。求： 。解：二级明纹处 ，18.1 分波前干涉解：EX18-2 已知：D=1.5m，d=0.025mm， 。求：
6、。18.1 分波前干涉求t。解：EX18-3 已知：n=1.58， ，中央变成第7级亮纹。3.3.其他分波其他分波前前干涉干涉 菲涅耳双面镜菲涅耳双面镜洛埃镜洛埃镜 菲涅耳双棱镜菲涅耳双棱镜18.1 分波前干涉半波损失：半波损失：光波从光疏媒质射到光密媒质界面发射时，反射光发生了相位的突变，或者说损失了半个波长。洛埃镜洛埃镜18.1 分波前干涉将屏移到与镜接触，接触点是暗条纹。明纹明纹条件：条件：暗纹条件：暗纹条件： 18.2 薄膜干涉薄膜干涉1. 薄膜干涉薄膜干涉光路分析光路分析B处处(上表面上表面)干干涉涉分振幅法分振幅法计算光程差计算光程差 LAB的长度远小于光源S到薄膜的距离，近似认为
7、SA与SB平行，作ADSB，光线bb在光疏媒质到光密媒质的界面反射，有半波损失。 18.2 薄膜干涉折射角入射角亮纹暗纹 18.2 薄膜干涉1. 垂直入射，垂直入射，i=0：正入射时，薄膜表面某处干涉光强仅与所在点的厚度有关， 沿薄膜等厚线等厚线的干涉光强相等。 等厚干涉等厚干涉讨论：讨论：2. 透射光干涉时无半波损失透射时如果干涉相互加强则反射时干涉相互减弱；反之亦然。 18.2 薄膜干涉3. 白光入射，会形成彩色干涉条纹。白光入射单色光入射肥皂泡的干涉条纹 18.2 薄膜干涉解：反射光相长干涉，EX18-4 空气中的水膜(n=1.33)，厚度为 ，这膜受白光正入射，试问反射光将呈现什么颜色
8、？2. 劈尖干涉劈尖干涉夹角很小的两个平面所构成的薄膜，当入射光垂直入射 (i=0)时，在劈尖上表面的干涉。 18.2 薄膜干涉光程差：光程差：明条纹暗条纹d：两相干光相遇处对应的劈尖的厚度相邻明(暗)条纹间对应的厚度差两相邻明(暗)条纹间的距离 干涉条纹是与棱边平行的明暗条纹等厚干涉 18.2 薄膜干涉 愈小,干涉条纹越疏； 愈大,干涉条纹越密。在交棱处，d=0，是一条暗条纹。这证实了半波损失半波损失的存在。 18.2 薄膜干涉观察透射光透射光的干涉，则无半波损失。干涉条纹的明暗情况与反射时相反,棱边为明条纹。应用：检查玻璃片的光洁平整程度。 18.2 薄膜干涉EX18-6 利用空气劈尖的等
9、厚干涉条纹，可以检验经精密加工的工件表面质量。为此在工件表面放上一块平板玻璃，使其形成空气劈尖。用单色光垂直照射玻璃表面，观察到条纹如图示。试根据条纹的弯曲方向说明工件表面的纹路是凹的还是凸的。牛顿环牛顿环3. 牛顿环牛顿环 18.2 薄膜干涉平整玻璃板平整玻璃板大曲率平凸透镜大曲率平凸透镜弧形空气劈尖弧形空气劈尖在劈尖的上表面形成干涉，干涉条纹是一组明暗相间的同心圆环等厚干涉等厚干涉。光程差光程差 Ln=1n11n11有半波损失有半波损失 18.2 薄膜干涉明环暗环明环半径暗环半径R1. 干涉条纹是以接触点为圆心的一组明、暗相间的同心圆环。中心接触处为一暗斑；2. 从中心向外，条纹的级次越来
10、越高；离中心愈远，牛顿环越密；讨论：讨论： 18.2 薄膜干涉3. 透射光干涉时无半波损失。干涉条纹的明暗情况与反射时相反，中心为亮斑；白光入射的牛顿环照片白光入射的牛顿环照片4. 白光入射时，出现彩色干涉条纹，对同级的彩色条纹，红色的在外圈，紫色的在内圈。 18.2 薄膜干涉5. 应用：可用牛顿环测凸透镜的曲率半径如果透镜和平玻璃并不严格接触，对应中心黑斑k 0 18.2 薄膜干涉第k级暗环：4. 增透膜和高反膜增透膜和高反膜光线射向透明介质时，同时有折射和反射，比如玻璃：透射占96%，反射占4%。原理：利用薄膜干涉，使反射光发生干涉相消增透膜。增透膜。 18.2 薄膜干涉n1nn2两束反射
11、光的光程差相消条件：薄膜厚度满足此式，透射光增强。或光学厚度光学厚度可以证明：当薄膜折射率满足下式时：两束反射光强相等，发生完全透射例：n1=1.0， n2=1.52,用氟化镁 MgF2，n=1.38，反射率1.2%。当 k=0 时， 薄膜厚度有最小值 18.2 薄膜干涉上表面一次上表面一次半波损失半波损失反射光干涉相长条件：两束反射光的光程差当k=1时， 薄膜厚度有最小值与增透膜公式相同。n1n2 18.2 薄膜干涉或光学厚度光学厚度高反膜高反膜空气空气介质膜介质膜玻璃玻璃n1=1n1n2 n i rA CD21Siii 18.2 薄膜干涉得或明纹明纹暗纹暗纹倾角i相同的光线对应同一条干涉条
12、纹，有相同的光强等倾等倾干涉干涉条纹条纹。 18.2 薄膜干涉1. 等倾干涉可以使用面光源面光源。2. 等倾干涉条纹中央级次高，边缘级次低。3. 等厚干涉条纹取决于厚度，通常发生于厚度不均匀的薄膜；等倾干涉条纹取决于入射倾角，通常发生于厚度均匀的薄膜。 18.2 薄膜干涉解：等倾干涉亮环的条件为：EX18-8 如果单色光的波长为 ，看到等倾干涉条纹中心为一亮斑。设想慢慢增加薄膜厚度，试分析干涉条纹的变化。越靠近中心，i越小， 也越小， 越大，亮环的级次越高。设中心刚好为一亮斑。18.3 18.3 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪1. 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪补偿光程，使两光束在玻璃介质中的光程
13、相等。补偿板补偿板空气薄膜光束2和1发生干涉若M1、M2垂直等倾条纹等倾条纹若M1、M2不垂直等厚条纹等厚条纹光程差：空气薄膜厚度的两倍前后调节M2，相当于改变两镜空气间隙的厚度。空气膜厚度变化 ，光程差 ，亮(暗)条纹移过一条。18.3 迈克尔逊干涉仪如果干涉条纹移动 条，则 M2移动距离：18.3 迈克尔逊干涉仪求n。解：充入空气后，光程差改变为：EX18-9 已知：l=10.004cm， 。18.3 迈克尔逊干涉仪2. 迈克尔逊干涉仪与光的传播迈克尔逊干涉仪与光的传播GGGM2u22dM1uGd迈克尔逊迈克尔逊- -莫雷实验莫雷实验18.4 光波的空间相干性和时间相干性光波的空间相干性和
14、时间相干性描述干涉现象的显著程度的物理量。Io 2 -2 4 -4 4I1决定反衬度的因素有振幅比；光源的宽度；光源的单色性等。IImaxImino 2 -2 4 -4 1. 干涉条纹的反衬度干涉条纹的反衬度反衬度差()反衬度好()2. 光波的空间相干性光波的空间相干性实际光源都有一定的宽度，这会对干涉条纹反衬度产生影响。S1d /2S2RD光源宽度为bb/2LMN0M0N0LI非相干叠加+1L 1N18.4 光波的空间相干性和时间相干性xI合成光强合成光强0N x+1L0M0L-1N18.4 光波的空间相干性和时间相干性临界临界宽度宽度为观察到较清晰的干涉条纹通常取：临临界界宽宽度度：当光源
15、宽度b增大到某个宽度时，干涉条纹消失，则称该宽度为光源的临界宽度。3. 光波的时间相干性光波的时间相干性光源发光的微观过程是断续的，每个原子的持续发射时间是有限的，因此光源发射的每个波列有有限的长度。18.4 光波的空间相干性和时间相干性有干涉条纹无干涉条纹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。波列长度就是相干长度相干长度相干相干时间时间18.4 光波的空间相干性和时间相干性谱线宽度谱线宽度I0I0/2 18.4 光波的空间相干性和时间相干性相干长度与单色光谱线宽度 的关系谱线宽度谱线宽度作业：作业：18-10, 18-12, 18-13托马斯托马斯杨杨(Thomas
16、 Young)(一一) 托马斯杨出生于英国一个富裕教徒家庭，是10个孩子中的老大，从小受到良好教育，是个不折不扣的神童。 杨2岁时学会阅读，对书籍表现出强烈的兴趣；4岁能将英国诗人的佳作和拉丁文诗歌背得滚瓜烂熟；不到6岁已经把圣经从头到尾看过两遍，还学会用拉丁文造句；9岁掌握车工工艺，能自己动手制作一些物理仪器；几年后他学会微积分和制作显微镜与望远镜；14岁之前，他已经掌握10多门语言，包括希腊语、意大利语、法语等等，不仅能够熟练阅读，还能用这些语言做读书笔记；之后他又把学习扩大到了东方语言希伯来语、波斯语、阿拉伯语；他不仅阅读了大量的古典书籍，在中学时期，就已经读完了牛顿的原理、拉瓦锡的化学
17、纲要以及其他一些科学著作，才智超群。杨26岁时，著名的罗塞塔石碑被发现。石碑上刻了三种文字：古埃及象形文、古埃及通俗文字和希腊文，杨是把碑文的译文发表成书的第一人。 作业：作业：18-14, 18-18, 18-21托马斯托马斯杨杨(Thomas Young) )(二二) 英国物理学家、医生和考古学家，光的波动说的奠基人之一。波动光学：杨氏双缝干涉实验；生理光学：三原色原理；材料力学：杨氏弹性模量；考古学 ：破译古埃及石碑上的文字。作业：作业：18-23, 18-28, 18-36说说说说“以太以太”( (AetherAether) )以太最初是作为光波媒介的假设而提出的。但“以太”一词的由来
18、则早在古希腊：亚里士多德在论天一书里阐述了他对天体的认识。他认为日月星辰围绕着地球运转，但其组成却不同与地上的四大元素水火气土。天上的事物应该是完美无缺的，它们只能由一种更为纯洁的元素所构成，这就是亚里士多德所谓的“第五元素”-以太(希腊文的)。而自从这个概念被借用到科学里来之后，以太在历史上的地位可以说是相当微妙的，一方面，它曾经扮演过如此重要的角色，以致成为整个物理学的基础；另一方面，当它荣耀不再时，也曾受尽嘲笑。虽然它不甘心地再三挣扎，改换头面，赋予自己新的意义，却仍然逃不了最终被抛弃的命运，甚至有段时间几乎成了伪科学的专用词。但无论怎样，以太的概念在科学史上还是占有它的地位的，它曾经代表的光媒以及绝对参考系，虽然已经退出了舞台，但直到今天，仍然能够唤起我们对那段黄金岁月的怀念。它就像是一张泛黄的照片，记载了一个贵族光荣的过去。今天，以太(Ether)作为另外一种概念用来命名一种网络协议(Ethernet)，看到这个词的时候，是不是也每每生出几许慨叹？向以太致敬。
