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1、第第 1 页页光的光的波动性波动性 第第 2 页页光是人类以及各种生物生活中不可或缺的要素。光是人类以及各种生物生活中不可或缺的要素。牛顿牛顿： 光是由光是由“光微粒光微粒”组成的，是一种组成的，是一种 机械观；机械观；惠更斯、托马斯惠更斯、托马斯杨、菲涅耳杨、菲涅耳：光是介质中传播的波；光是介质中传播的波； 能发生干涉、衍射。能发生干涉、衍射。麦克斯韦的电磁理论麦克斯韦的电磁理论： 光是一种电磁波。光是一种电磁波。迈克尔逊实验迈克尔逊实验： 电磁波的传播不需要介质。电磁波的传播不需要介质。光电效应光电效应 康普顿散射：康普顿散射： 光具有粒子性，这种粒子称做光具有粒子性，这种粒子称做“光光
2、量子量子”，德布罗意：德布罗意： 所有物质都具有波粒二象性。所有物质都具有波粒二象性。光是什么？光是什么？光的两种互补性质光的两种互补性质：传播过程中显示波动性，与其他物质相互作用时显示粒子传播过程中显示波动性，与其他物质相互作用时显示粒子性。性。第第 3 页页 以光直线传播为基础，研究光在透明介以光直线传播为基础，研究光在透明介质中的传播问题。质中的传播问题。 光的直线传播定律光的直线传播定律 光的独立传播定律光的独立传播定律 光的折射和反射定律光的折射和反射定律 几何光学：几何光学： 量子光学：量子光学：内容：内容： 以光和物质相互作用时所显示出的粒子性为以光和物质相互作用时所显示出的粒子
3、性为基础，研究光的一系列规律。基础，研究光的一系列规律。 反映光学与各个科技领域的紧密结合。反映光学与各个科技领域的紧密结合。现代光学：现代光学：内容：内容： 激光激光 全息摄影全息摄影 光纤维光学计算机光纤维光学计算机 傅里叶傅里叶光学红外技术光学红外技术 遥感遥感 遥测等遥测等光和物质的相互作用规律光和物质的相互作用规律内容：内容：内容：内容：以光波动性为基础，研究光传播及规律。以光波动性为基础，研究光传播及规律。干涉干涉 衍射衍射 偏振偏振波动光学：波动光学：第第 4 页页波动光学主要内容波动光学主要内容1、光的干涉、光的干涉 光的相干性光的相干性 杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉 薄膜干涉薄膜
4、干涉 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪2、光的衍射、光的衍射 惠更斯惠更斯 菲涅耳原理菲涅耳原理 单缝衍射单缝衍射 衍射光栅衍射光栅 光学仪器的分辩本领光学仪器的分辩本领 X 射线衍射射线衍射3、光的偏振、光的偏振 自然光和偏振光自然光和偏振光 双折射双折射 旋光性旋光性4、光的吸收和散射、光的吸收和散射第十章第十章 光的干涉光的干涉Chap.10 Interference of Light第第 6 页页本章要点本章要点理解相干光的条件及获得相干光的方法理解相干光的条件及获得相干光的方法. 掌握光程的概念以及光程差和相位差的关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
5、系，理解在什么情况下的反射光有相位跃变变.能分析杨氏双缝干涉条纹及薄膜等厚干涉能分析杨氏双缝干涉条纹及薄膜等厚干涉条纹的位置条纹的位置.了解迈克耳孙干涉仪的工作原理了解迈克耳孙干涉仪的工作原理.第第 7 页页第一节相干光第一节相干光一、光是一种电磁波一、光是一种电磁波能够引起人眼视觉的那部分电磁波称为可见光能够引起人眼视觉的那部分电磁波称为可见光(visible light)，波长，波长（真空中）为（真空中）为400760nm。光矢量光矢量 E 矢量能引起人眼视觉和底片感光，叫做光矢量矢量能引起人眼视觉和底片感光，叫做光矢量. 真空中的光速：真空中的光速：光波是电磁波光波是电磁波第第 8 页页
6、二、相干光（二、相干光（coherent light）（1）相干光源（）相干光源（coherent light source）空间各处恒定的位相差导致空间各处形成稳定的不同光强分空间各处恒定的位相差导致空间各处形成稳定的不同光强分布，光的能量重新分布，称为光的干涉（布，光的能量重新分布，称为光的干涉（interference of light）。）。此时光源此时光源 叫做相干光源。叫做相干光源。 （2）干涉条件（）干涉条件（Coherent Condition）：）：两束光波具有相同的频率，相同的振动方向以及恒定的位相两束光波具有相同的频率，相同的振动方向以及恒定的位相差。差。1.相干光相干光
7、第第 9 页页波的叠加复习：波的叠加复习：设波源振动方程设波源振动方程点合振动为两同方向同频率谐振动合成点合振动为两同方向同频率谐振动合成其中其中两波在两波在p p点分振动位相差点分振动位相差点点点点第第 10 页页加强加强减弱减弱若若即两波源同位相，则即两波源同位相，则波程差波程差加强（相长、极大）加强（相长、极大）减弱（相消、极小）减弱（相消、极小）讨论：讨论：加强加强减弱减弱直线直线加强加强双曲线双曲线双曲线双曲线干涉加强、减弱条件：干涉加强、减弱条件：第第 11 页页合光强合光强加强加强减弱减弱若若即两波源同位相，则即两波源同位相，则波程差波程差加强（相长、极大）加强（相长、极大）减弱
8、（相消、极小）减弱（相消、极小）光的干涉光的干涉- -光强合成光强合成第第 12 页页合光强合光强加强加强减弱减弱若若即两波源同位相，则即两波源同位相，则波程差波程差加强（相长、极大）加强（相长、极大）减弱（相消、极小）减弱（相消、极小）若若第第 13 页页2.双光干涉的强度分布双光干涉的强度分布 当当时时，是干涉相，是干涉相长长，形成光，形成光强强极大。极大。时时，是干涉相消，形成光，是干涉相消，形成光强强极小。极小。 当当第第 14 页页三、相干光源的获得三、相干光源的获得1.1.普通光源普通光源(light source)(light source)的发光机制的发光机制原子能级及发光跃迁
9、原子能级及发光跃迁基态基态激激发发态态P2 21 1普通光源发光普通光源发光特点特点：间歇性：间歇性：跃迁过程的持跃迁过程的持续时间约为续时间约为 1010-8-8 s s发出发出的是一段长为的是一段长为 L=cL=c t t的的光波列。光波列。独立性独立性：各原子各次发各原子各次发光相互独立光相互独立, ,振动方向振动方向和振动初位相都不一定和振动初位相都不一定相同相同，各波列互不相干各波列互不相干。第第 15 页页2.2.相干光的获得相干光的获得用单色性好的点光源，把光线分成两部分，然后再叠加。用单色性好的点光源，把光线分成两部分，然后再叠加。（取自同一原子的同一次发光）（取自同一原子的同
10、一次发光）波阵面分割法波阵面分割法* *光源光源振幅分割法振幅分割法第第 16 页页第二节第二节 杨氏双缝实验杨氏双缝实验(Two-slit interference)一、实验装置与干涉图样一、实验装置与干涉图样 1801年，年，英国医生兼物理学家托马斯英国医生兼物理学家托马斯 杨首先成功地进行了光干杨首先成功地进行了光干涉实验，并看到了干涉条纹，这是一个关于光的性质的具有判别涉实验，并看到了干涉条纹，这是一个关于光的性质的具有判别意义的、关键性实验。意义的、关键性实验。托马斯杨像Thomas Young (1773-1829)第第 17 页页二、干涉规律二、干涉规律1.波程差波程差S1 和和
11、 S2 是同相波源。实验中，双缝和屏间距是同相波源。实验中，双缝和屏间距D一般一般 约约 1 m ，而，而 双缝间距双缝间距d 约约 10-4 m。波程差波程差第第 18 页页2.干涉的加强减弱条件：干涉的加强减弱条件：当当干涉相长干涉相长当当干涉相消干涉相消3.干涉条纹位置：干涉条纹位置：暗纹暗纹明纹明纹4.干涉条纹间距：干涉条纹间距：相邻两明（纹或暗纹）间的间距为：相邻两明（纹或暗纹）间的间距为：第第 19 页页三、讨论三、讨论（2 2）条纹间距）条纹间距 与与 、 的关系的关系 中央明条纹中央明条纹（1 1）其两侧明暗条纹对称分布）其两侧明暗条纹对称分布第第 20 页页（3 3）白光照射
12、时，出现彩色条纹）白光照射时，出现彩色条纹红光在外，紫光在内。红光在外，紫光在内。第第 21 页页例题例题1 杨氏实验中，双缝与屏的距离为杨氏实验中，双缝与屏的距离为D= 1m, 用钠光作光源用钠光作光源(=589.3nm)。问。问(1)缝间距为缝间距为d=2mm和和d=10mm两种情况下，明两种情况下，明条纹间距各为多大？条纹间距各为多大？(2)若肉眼能分辨的两条纹间距为若肉眼能分辨的两条纹间距为0.15mm，则双缝的最大间距可为多少？则双缝的最大间距可为多少？由公式由公式(1) 当当d=2mm： 当当d=10mm：(2) 如果如果x =0.15mm，则，则可见，双缝间距必须小于可见，双缝间
13、距必须小于4mm解：解：第第 22 页页例题例题2 2 以单色光照射到相距为以单色光照射到相距为0.2mm的双缝上的双缝上, ,双缝与屏幕的垂直双缝与屏幕的垂直距离为距离为1m. ( (1 1) ) 从第一级明从第一级明 纹纹 到同侧到同侧 的第四级明的第四级明 纹的距离为纹的距离为7.5mm, ,求单色光的波长求单色光的波长; ; ( (2 2) ) 若入射光的波长为若入射光的波长为600nm, ,求相邻两明纹间的距离求相邻两明纹间的距离. .解：解： （1 1）（2 2）第第 23 页页第三节第三节 劳埃德镜实验劳埃德镜实验一、劳埃德（一、劳埃德（H. Lloyd）镜）镜当经平面镜反射的光
14、线，与直接射到屏幕上的光相与，发当经平面镜反射的光线，与直接射到屏幕上的光相与，发生干涉，出现干涉条纹。生干涉，出现干涉条纹。PML L半波损失：半波损失：光从光疏介质到光密介质表面反射时，反射光有光从光疏介质到光密介质表面反射时，反射光有半个波长的附加波程差。半个波长的附加波程差。当将屏幕移当将屏幕移近到镜面的近到镜面的一端时，发一端时，发现接触处出现接触处出现的是现的是暗条暗条纹纹！这一实！这一实验事实说明，验事实说明，从镜面反射从镜面反射的光，的光，发生发生了了 的相位突的相位突变变第第 24 页页第四节第四节 光程与光程差光程与光程差一、光程（一、光程（optical path） 单色
15、光在不同介质中传播时，光波的频率单色光在不同介质中传播时，光波的频率不变，但波长和传播不变，但波长和传播的速度发生了变化的速度发生了变化 真空中真空中介质中介质中介质中的波长与速率介质中的波长与速率光在介质中传播时，路程光在介质中传播时，路程 r 上相位变化为：上相位变化为：第第 25 页页光程（光程（optical path） 介质折射率与光的几何路程之积介质折射率与光的几何路程之积 = = 物理意义：光程就是光在不同介质中的传播路程物理意义：光程就是光在不同介质中的传播路程 , ,折算为折算为（在相同时间内或者改变相同的位相）真空中的传播路程（在相同时间内或者改变相同的位相）真空中的传播路
16、程. .好好处是统一用真空中的波长处是统一用真空中的波长来计算。来计算。二、二、光程差光程差 和相位差和相位差 的关系的关系 波程差波程差 光程差光程差 ( (两光程之差两光程之差) ) 相位差相位差 第第 26 页页当两相干光相遇时，光程差为半波长的偶数倍时，干涉加当两相干光相遇时，光程差为半波长的偶数倍时，干涉加强；光程差为半波长的奇数倍时，干涉减弱。即：强；光程差为半波长的奇数倍时，干涉减弱。即： 三、透镜的等光程性三、透镜的等光程性第第 27 页页三、透镜的等光程性三、透镜的等光程性半波损失：半波损失：光从光疏介质到光密介质表面反射时，反射光有光从光疏介质到光密介质表面反射时，反射光有
17、半个波长的附加波程差。半个波长的附加波程差。四、半波损失引起的附加光程差四、半波损失引起的附加光程差第第 28 页页* *P* *例题例题3 计算光程差、相位差。初相计算光程差、相位差。初相例题例题4 4 用云母片（用云母片（n n = 1.58 = 1.58）覆盖在杨氏双缝的一条缝上，）覆盖在杨氏双缝的一条缝上，这时屏上的零级明纹移到原来的第这时屏上的零级明纹移到原来的第 7 7 级明纹处。若光波波长级明纹处。若光波波长为为 550 nm 550 nm ，求云母片的厚度。，求云母片的厚度。插入云母片后，插入云母片后，P P 点为点为 0 0 级明纹级明纹d dP Po o插入云母片前，插入云
18、母片前，P P 点为点为 7 7 级明纹级明纹解：解：解：解：第第 29 页页第五节第五节 薄膜干涉薄膜干涉 一、等倾干涉一、等倾干涉LPDC34E5A1B2发生干涉的两条发生干涉的两条2 2、3 3光线的光线的光程差为：光程差为：反射光反射光的光程差的光程差：1.光路分析与光程差：光路分析与光程差：第第 30 页页 反射光与入射光比较反射光与入射光比较 有有半波损失半波损失无无半波损失半波损失 经膜上下介面两反射光比较经膜上下介面两反射光比较 或或 n i rA CD21Siii 在等倾干涉条纹中：在等倾干涉条纹中： ， 因此中央处因此中央处k最大最大。第第 33 页页动画动画2等倾干涉膜厚
19、度连续改变造成条纹吞吐等倾干涉膜厚度连续改变造成条纹吞吐第第 34 页页 当光线当光线垂直垂直入射时入射时 透射光透射光的光程差的光程差注意：注意：透射光和反射光干涉具有互透射光和反射光干涉具有互补性补性 ，符合能量守恒，符合能量守恒. .加加 强强减减 弱弱第第 35 页页白光照射的时候膜的厚度与颜色白光照射的时候膜的厚度与颜色第第 36 页页例题例题5 5 空气中肥皂膜（空气中肥皂膜（n n2 2=1.33=1.33），厚为），厚为0.320.32 m m。如用白光。如用白光垂直入射，问肥皂膜呈现什么色彩？垂直入射，问肥皂膜呈现什么色彩？解：解：黄光黄光空气空气空气空气 有半波损失有半波损
20、失红外红外紫外紫外 考虑半波损失时，附加波程差取考虑半波损失时，附加波程差取 均可，均可，符号不同，符号不同， 取值不同，对问题实质无影响取值不同，对问题实质无影响.注意注意第第 37 页页例例 平面单色光垂直照射在厚度均匀的油膜上，油膜覆盖平面单色光垂直照射在厚度均匀的油膜上，油膜覆盖在玻璃板上。当光波波长连续变化时，观察到在玻璃板上。当光波波长连续变化时，观察到 500 nm 与与 700 nm 两波长的光反射消失。油膜的折射率为两波长的光反射消失。油膜的折射率为 1.30 ，玻，玻璃的折射率为璃的折射率为 1.50 ，求油膜的厚度。，求油膜的厚度。 n2 n1 m 此例无半波损失。反射光
21、消此例无半波损失。反射光消失，即为反射光干涉极小：失，即为反射光干涉极小：解第第 38 页页例题例题6 光学仪器的镜头上常镀有一层氟化镁增透膜，使白光中人光学仪器的镜头上常镀有一层氟化镁增透膜，使白光中人眼最敏感的黄绿光尽可能透过，也就是使黄绿光在薄膜表面反眼最敏感的黄绿光尽可能透过，也就是使黄绿光在薄膜表面反射最少。已知氟化镁的折射率射最少。已知氟化镁的折射率n=1.38，黄绿光的波长，黄绿光的波长=550nm，问薄膜的厚度为多少时，黄绿光反射最少？，问薄膜的厚度为多少时，黄绿光反射最少？解：解：在氟化镁薄膜的上、下表面的反射都有半波损失，故上、下在氟化镁薄膜的上、下表面的反射都有半波损失，
22、故上、下表面的两条反射线的光程差表面的两条反射线的光程差=2=2nene。这两条反射线相消干涉。这两条反射线相消干涉的条件为的条件为取取k k=1=1，可得氟化镁薄膜的最小厚度为，可得氟化镁薄膜的最小厚度为 k=1，2，利用薄膜干涉可以提高或降低光学器件的透光率利用薄膜干涉可以提高或降低光学器件的透光率 . .增透膜和增反膜增透膜和增反膜 由能量守恒，黄绿光减弱（无反射光），透射光增强由能量守恒，黄绿光减弱（无反射光），透射光增强增透膜增透膜第第 39 页页倾角倾角i i不变情况，光程差决定于不变情况，光程差决定于薄膜厚度薄膜厚度，焦平面上同一干涉条纹，焦平面上同一干涉条纹（亮或暗）对应相同的
23、（亮或暗）对应相同的薄膜厚度薄膜厚度。仍近似采用薄膜干涉加强减弱条件：仍近似采用薄膜干涉加强减弱条件：加加 强强减减 弱弱 当光线全部当光线全部垂直垂直入射时入射时 加加 强强减减 弱弱厚度相同地方明暗程度相同，条纹级数相同厚度相同地方明暗程度相同，条纹级数相同二、等厚干涉二、等厚干涉第第 40 页页等厚干涉典型情况等厚干涉典型情况1.1.1.1.劈尖干涉劈尖干涉劈尖干涉劈尖干涉（1 1）光程差基本公式光程差基本公式有半波损失有半波损失明纹明纹暗纹暗纹空气劈尖空气劈尖 n=1n=1明纹明纹暗纹暗纹SM第第 41 页页（2 2）讨论）讨论 (a) (a) 劈尖条纹对应薄膜厚度劈尖条纹对应薄膜厚度
24、明纹明纹暗纹暗纹暗纹暗纹明纹明纹(b)(b)相邻明纹（暗纹）间的厚度差相邻明纹（暗纹）间的厚度差明纹明纹暗纹暗纹( (空气劈尖）空气劈尖）(c)(c)条纹间距（明纹或暗纹）条纹间距（明纹或暗纹）第第 42 页页第第 43 页页每一条纹对应劈尖内的一个厚度，当此厚度位置改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变时，对应的条纹随之移动. .左右平移，伸缩左右平移，伸缩（d d）干涉条纹的移动）干涉条纹的移动第第 44 页页测微小厚度测微小厚度(3) (3) 劈尖干涉的应用劈尖干涉的应用空气空气 测细丝的直径测细丝的直径第第 45 页页 检验光学元件表面平整度检验光学元
25、件表面平整度干涉膨胀仪干涉膨胀仪第第 46 页页2.2.2.2.牛顿环牛顿环牛顿环牛顿环（1 1）牛顿环实验装置与现象牛顿环实验装置与现象第第 47 页页光程差光程差光程差光程差（2 2）光程差与明暗条件光程差与明暗条件 有半波损失有半波损失明纹明纹暗纹暗纹几何关系：几何关系：暗环半径暗环半径明环半径明环半径明暗条件明暗条件明暗条件明暗条件第第 48 页页(a)(a)在中心形成一暗斑，越向外环越密，等厚条纹的级次越高。在中心形成一暗斑，越向外环越密，等厚条纹的级次越高。（3 3）讨论(d)(d)牛顿环可用来测量光波波长、检测牛顿环可用来测量光波波长、检测透镜质量等透镜质量等. . (c) (c
26、)将牛顿环置于将牛顿环置于 的液体中，条纹变密。的液体中，条纹变密。工工工工 件件件件标标标标 准准准准 件件件件(b)(b)测量透镜的曲率半径：测量透镜的曲率半径： 第第 49 页页第第 50 页页例题例题7 7 用氦氖激光器发出的波长为用氦氖激光器发出的波长为633nm的单色光做牛顿环实的单色光做牛顿环实验，测得第验，测得第k 个暗环的半径为个暗环的半径为5.63mm , , 第第 k+5个 暗环的半径暗环的半径为为7.96mm，求平凸透镜的曲率半径，求平凸透镜的曲率半径R. .解：解：第第 51 页页第六节第六节 迈克耳孙干涉仪迈克耳孙干涉仪单单色色光光源源反反射射镜镜反射镜反射镜与与
27、成成 角角补偿板补偿板 分光板分光板 移动导轨移动导轨第第 52 页页反反射射镜镜反射镜反射镜单单色色光光源源光程差光程差 的像的像第第 53 页页两相干光束在空间完全分开，并可用移动反射镜或在光路中加入两相干光束在空间完全分开，并可用移动反射镜或在光路中加入介质片的方法改变两光束的光程差。介质片的方法改变两光束的光程差。例如例如M M1 1移动移动 d d时，屏上干涉条纹移动（冒出或埋进）数目为时，屏上干涉条纹移动（冒出或埋进）数目为N N：由此迈克尔逊干涉仪由此迈克尔逊干涉仪可用于测长度、测折可用于测长度、测折射率。射率。当两镜面相互严格垂当两镜面相互严格垂直时等效于平行平面间直时等效于平
28、行平面间空气膜的等倾干涉；空气膜的等倾干涉； 当两镜面不严格垂直时等效于空气劈尖的等厚干涉当两镜面不严格垂直时等效于空气劈尖的等厚干涉。第第 54 页页迈克耳孙迈克耳孙 莫雷实验（莫雷实验（1881年）关于年）关于寻找寻找“以太以太”的否定结果，是相对论的的否定结果，是相对论的实验基础之一。实验基础之一。迈克耳孙干涉仪和以它为原型发迈克耳孙干涉仪和以它为原型发展起来的多种干涉仪有广泛的用展起来的多种干涉仪有广泛的用途，如可精密测量长度、折射率途，如可精密测量长度、折射率、光谱线的波长和精细结构等。、光谱线的波长和精细结构等。美国科学家迈克耳孙因发明干涉美国科学家迈克耳孙因发明干涉仪和对计量学的研究而获得了仪和对计量学的研究而获得了1907年的诺贝尔物理奖。年的诺贝尔物理奖。1907年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖
