15第十一章 光的干涉吴新10

null 波 动 光 学　 波 动 光 学　第 十一 章null物理学 第五版一 光学的发展 二千多年历史：公元前500年左右 光是什么？ 粒子性：牛顿 波动性：惠更斯 波粒二象性：爱因斯坦 1905年 光量子理论引言null光学 波动光学-----干涉，衍射，偏振光传播的几何性质波动光学量子光学几何光学物理光学波动性粒子性二 光学的内容引言null 生产、军事、医学、能源、科研、 日常生活……引言三 光学的应用------各个领域null激光步枪引言null激光切割机引言null引言null引言null专家预计, 到2010年,光伏发电将占 全球发电总量的1%; 引言96年开始，光伏市场的变化以35%速度增加null 无锡尚德太阳能公司，自主创新型企业的典范。2001年1月,施正荣博士带着他在澳大利亚积累的光伏领域的丰富知识和经验回到祖国. 2005年12月15日（纽约时间）在美国纽约证券交易所挂牌上市，成为中国大陆首家在国际主流资本市场上市的高科技企业.引言null武汉，中国光谷 光电子信息产业基地 引言nullNobel Prize in Physics 2005“对光学相干的量子理论的贡献 ”Roy J. Glauber奥伊- 格拉贝尔1/2 of the prize Harvard University USAJohn L. Hall约翰-哈尔 1/4 of the prize University of Colorado, USATheodor W. Hänsch特奥多尔-汉什1/4 of the prize Max-Planck-Institute, Germany“对基于激光的精密光谱学发展作出的贡献 ”引言nullNobel Prize in Physics 2006“宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性” 引言约翰·马瑟 美国宇航局戈达德航天中心 乔治·斯穆特 美国加利福尼亚大学伯克利分校 nullNobel Prize in Physics 2007 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 彰他们发现巨磁电阻效应的贡献法国艾尔伯-费尔 德国皮特-克鲁伯格 nullNobel Prize in Physics 2008预言”了量子世界自发性对称破缺现象的存在机制和根源美籍小林诚 南部阳一郎 益川敏英 nullNobel Prize in Physics 2009华人科学家高锟和2美科学家因光传输研究和CCD传感器获奖高锟 George E. Smith Willard S. Boyle nullNobel Prize in Physics 2010英国曼彻斯特大学2位科学家因在石墨烯方面的开创性实验获奖 安德烈·盖姆 康斯坦丁·诺沃肖罗夫 null 光的干涉　一 理解相干光的条件及获得相干光的方法. 　二 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变.11-0 教学基本要求null 三 能分析杨氏双缝干涉条纹及薄膜等厚干涉条纹的位置. 四 了解迈克耳孙干涉仪的工作原理.11-0 教学基本要求null光的偏振11-0 教学基本要求 光的衍射null光的干涉 INTERFERENCEnull一 光的相干性频率相同、振动方向一致、位相差恒定.1 光的相干条件2 光的干涉现象明（加强）、暗（减弱）相间的条纹§11-1 相干光11-1 相干光null1 光是一种电磁波(横波)二 光波的基本特点11-1 相干光null2 光的单色性单色光 具有单一频率的光。可见光 波长 400---760 nm频率 4.3×1014 -- 7.5×1014HZ复色光 各种频率复合起来的光。（真空中）11-1 相干光null紫 400--430nm 蓝 430--450nm 青 450--490nm 绿 490--560nm 黄 560--590nm 橙 590--630nm 红 630--760nm632.8 nm可见光波长范围：400---760 nm实验室光源钠光灯 He-Ne激光器589.3 nm单位换算11-1 相干光null三 光源及发光机理1 光源 发光的物体称为光源。11-1 相干光光源发光类型热辐射 电致发光 光致发光 生化发光 受激辐射null各类发光二极管深海发光鱼荧光玩具太阳11-1 相干光null11-1 相干光a 原子或分子所发的光是一个个很短波列b 不同分子或原子发光具有各自独立性c 同一分子或原子发光具有间歇性2 普通光源发光特点null普通光源：自发辐射独立（同一原子不同时刻发的光）独立 （不同原子同一时刻发的光） ·· 11-1 相干光null 完全一样(频率、位相、 振动方向,传播方向)激光光源：受激辐射11-1 相干光null 普通光源发光特点： 原子发光是断续的，每次发光形成一长度有限的波列, 各原子各次发光相互独立，各波列互不相干.11-1 相干光两个独立光源—非相干光同一光源不同部分发出的光也是非相干光如何获得相干光呢?null 基本思想：将同一光源同一部分发出的同一束光设法分成两束，让它们经过不同路径后相遇。 基本方法：分振幅法和分波阵面法。11-1 相干光四 获得相干光的方法null1)分振幅法 将普通光源上同一点发出的光利用反射或折射等方法使它一分为二，沿两条不同路径传播并相遇如薄膜干涉等11-1 相干光null2)分波阵面法同一波阵面上取两部分作为相干光源11-1 相干光nullThomas Young(1773~1829) 英国物理学家、考古学家、医生、光的波动说奠基人之一。杨氏双缝干涉实验是最早利用单一光源，通过分波阵面法获得干涉现象的典型实验。§11-2 双缝干涉一 杨氏双缝干涉实验(1801)11-2 杨氏双缝干涉null1 实验装置 一个有单缝的屏： 产生“线光源”． 一个有双缝的屏(缝间距很小约0.1毫米)：产生相干光． 一个光屏：接收干涉图像． 11-2 杨氏双缝干涉null实 验 示 意 图11-2 杨氏双缝干涉2 理论计算null二列波干涉加强和减弱的条件位相差条件加强或波程差条件加强11-2 杨氏双缝干涉null11-2 杨氏双缝干涉null(2) 条纹间距 (1) 明暗条纹中心的位置 一系列平行的明暗相间的等间距条纹；各级明暗纹在中央明纹两侧对称分布。 (3) 条纹特点x=0处, k=0,中央明纹11-2 杨氏双缝干涉其它地方的亮度介于最明和最暗之间null1) 条纹间距 与 的关系如何？讨论:11-2 杨氏双缝干涉null2) 若 变化, 则 将怎样变化？11-2 杨氏双缝干涉null 杨氏双缝实验中用白光照射时中央明纹为什么色？白色思考：11-2 杨氏双缝干涉*两侧呢?彩色条纹null 中央明纹两侧出现彩色条纹，最靠近中央明纹的是什么颜色？紫色11-2 杨氏双缝干涉null二 菲涅耳双面镜11-2 杨氏双缝干涉nullS1S2SMdP11-2 杨氏双缝干涉三 菲涅耳双棱镜理论分析等效于杨氏双缝null四 劳埃德镜PM11-2 杨氏双缝干涉干涉条件与杨氏双缝相反——半波损失null四．半波损失11-2 杨氏双缝干涉null　例1　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间的距离为7.5mm，求单色光的波长； (2)若入射光的波长为600nm，中央明纹中心距离最邻近的暗纹中心的距离是多少？11-2 杨氏双缝干涉null解(1)(2) 已知求(1) (2) k=3k=2k=1k=0k=411-2 杨氏双缝干涉null 例2　用白光作双缝干涉实验时，能观察到几级清晰可辨的彩色光谱？ 解 用白光照射时，除中央明纹为白光外，两侧形成内紫外红的对称彩色光谱. 当k级红色明纹位置xk红大于k+1级紫色明纹位置x(k+1)紫时，光谱就发生重叠。据前述内容有11-2 杨氏双缝干涉null将红=760nm，紫=400nm代入得：k=1.1 即：在中央白色明纹两侧， 只有第一级彩色光谱是清晰可辨的．由 xk红 = x(k+1)紫 的临界情况可得因为k只能取整数，即k=2时条纹就重叠11-2 杨氏双缝干涉null一 光程11-3 光程 薄膜干涉null11-3 光程 薄膜干涉null11-3 光程 薄膜干涉null 物理意义：光程就是光在介质中通过的几何路程按相位差相等折合到真空中的路程.　 (1)光程: 　　　介质折射率与光的几何路程之积 11-3 光程 薄膜干涉null(2)光程差 (两光程之差)11-3 光程 薄膜干涉null11-3 光程 薄膜干涉null二 透镜不引起附加的光程差11-3 光程 薄膜干涉nullL三 薄膜干涉11-3 光程 薄膜干涉null11-3 光程 薄膜干涉null11-3 光程 薄膜干涉null 透射光的光程差注意：透射光和反射光干涉具有互补 性 ，符合能量守恒定律.11-3 光程 薄膜干涉null11-3 光程 薄膜干涉null11-2 杨氏双缝干涉null 例 一油轮漏出的油(折射率n1=1.20)污染了某海域, 在海水(n2=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正下方观察，他所正对的油层厚度为460 nm,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，并向正上方观察，又将看到油层呈什么颜色？11-3 光程 薄膜干涉null绿色已知n1=1.20n2=1.30d=460 nm11-3 光程 薄膜干涉null11-3 光程 薄膜干涉null 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 .11-3 光程 薄膜干涉null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n1=1.00，氟化镁 n2=1.38 ，=550 nm11-3 光程 薄膜干涉nullSM一 劈 尖11-4 劈尖 牛顿环null11-4 劈尖 牛顿环null劈尖干涉11-4 劈尖 牛顿环null(2)相邻明纹（暗纹） 间的厚度差11-4 劈尖 牛顿环null (3)条纹间距11-4 劈尖 牛顿环null (4 )干涉条纹的移动11-4 劈尖 牛顿环null 例 1 波长为680 nm的平行光照射到L=12 cm长的两块玻璃片上，两玻璃片的一边相互接触 ，另一边被厚度Ｄ=0.048 mm的纸片隔开. 试问在这12 cm长度内会呈现多少条暗条纹 ?解11-4 劈尖 牛顿环null共有142条暗纹11-4 劈尖 牛顿环null(2)测膜厚 劈尖干涉的应用11-4 劈尖 牛顿环null (3)检验光学元件表面的平整度11-4 劈尖 牛顿环null(4)测细丝的直径11-4 劈尖 牛顿环null二 牛顿环由一块平板玻璃和一平凸透镜组成光程差11-4 劈尖 牛顿环null 牛顿环实验装置显微镜SLM 半透半反镜T11-4 劈尖 牛顿环null明纹光程差11-4 劈尖 牛顿环null11-4 劈尖 牛顿环null (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？11-4 劈尖 牛顿环null (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. (3)将牛顿环置于 的液体中，条纹如何变？11-4 劈尖 牛顿环null 测量透镜的曲率半径11-4 劈尖 牛顿环null 例2 如图所示为测量油膜折射率的实验装置，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G11-4 劈尖 牛顿环nullG解 条纹为同心圆11-4 劈尖 牛顿环null油膜边缘11-4 劈尖 牛顿环null11-4 劈尖 牛顿环null　总结　 (1)干涉条纹为光程差相同的点的轨迹，即厚度相等的点的轨迹.11-4 劈尖 牛顿环null　　(2)厚度线性增长条纹等间距，厚度非线性增长条纹不等间距.11-4 劈尖 牛顿环null(4)半波损失需具体问题具体分析.11-4 劈尖 牛顿环null一 迈克耳孙干涉仪光路及结构单色光源11-5 迈克耳孙干涉仪null单色光源光程差11-5 迈克耳孙干涉仪null单色光源11-5 迈克耳孙干涉仪null二 迈克耳孙干涉仪的主要特性 (1)两相干光束完全分开； (2)两光束的光程差可调.11-5 迈克耳孙干涉仪null 干涉条纹的移动11-5 迈克耳孙干涉仪null插入介质片光程差光程差变化光程差11-5 迈克耳孙干涉仪null11-5 迈克耳孙干涉仪null11-5 迈克耳孙干涉仪null解已知11-5 迈克耳孙干涉仪