光的干涉2007

null第一章 光的干涉第一章 光的干涉张永梅Tel: 52075675 youngmeizhang@163.comnull丰富多彩的干涉现象水膜在白光下白光下的肥皂膜null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?null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主要内容：主要内容：光波是电磁波 引起光效应的主要是电场强度 干涉现象及重要应用 获得清晰的干涉图样 §1-1 光的电磁理论 §1-1 光的电磁理论 一 电磁波的传播速度和折射率真空中介质中透明介质null二 光强度能流密度：单位时间内通过与波的传播方向垂直的单位面积的能量光的强度由能流密度的大小决定null三 电磁波谱§1-2 光的相干性§1-2 光的相干性null1 普通光源 处于激发态的任一原子（或分子）向基态跃迁时，均发射频率一定、振动方向一定的有限长的一段光波，称为光波列。激发辐射一 普通光与单色光null发光是间歇的光波列----长度有限、频率一定、振动方向一定的光波不同原子激发、辐射时彼此没有联系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null 2 单色光：具有单一频率的光波。光谱曲线： 光的强度按波长分布曲 线。可见光的波长范围：390—760 nm线宽越窄，光的单色性越好。Xe灯光谱图530nm激光光谱图null二、 光的相干性相械波的相干条件： 频率相同、振动方向相同、位相差恒定光的相干条件： 频率相同、振动方向相同、位相差恒定null设两个同频单色光在空间某点相遇时的光矢量 E1 和 E2合成：null在观测的时间内： null1 对于非相干光分子发光的随机性非相干叠加加！null2 对于相干光null讨论： 光的强度为最大值，干涉极大null讨论： 光的强度为最小值，干涉极小§1-3 两列单色波的干涉§1-3 两列单色波的干涉null一 相位差和光程差null在Ｐ点的位相差光程光程差null光的路程之差假设null二 干涉图样的形成k称为干涉级，一般从0取起。null由于S1、S2是点光源，可向任何方向传播。强度相同的空间各点的几何位置，应当满足：这些点的轨迹是以S1、S2为轴线的双叶旋转双曲面，S1、S2为双曲面的焦点。null三 相干光的获得 同一时刻，光源中不同原子发出的光波的频率、振动方向、初位相均无任何关系，是非相干光。 同一原子不同时刻发出的不 同 的光波列也是非相干光。 因此，不同光源发出的光或同一光源的两部分发出的光都不是相干光。null只有把光源的同一点发出的光分成两束，这两束光才是相干光。分波阵面法 分振幅法两束相同的激光是相干光null1 分波振面法 null2 分振幅法：利用光在两种介质分界面上的反射光和透射光作为相干光薄膜干涉§1-4 分波面双光束干涉§1-4 分波面双光束干涉null一、杨氏双缝实验（1801）装置：null物理分析：null明、暗纹位置：null 即杨氏双缝干涉条纹是一系列明暗相间的、等间距的直条纹。 相邻两明纹（或暗纹）的间距null讨论：（1）k = 0, 出现 零 级亮纹(2) 一定，d减小或 D增大时， y 增大，条纹变稀疏。 （3）D、d一定，增大时，y也增大。null讨论： （4）实验中，D、d给出，y 可测出，由此可求波长。（6）y与  相关，若用白光做实验，中央明纹为白色，其余各级为彩色，内为紫，外为红。（5）斜入射，零级明纹的位置改变null您能判断0级条纹在哪吗？null二、 菲涅耳双镜实验null三、 洛埃德镜实验Pnull亮纹实验 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 明：P点出现暗纹半波损失null光 疏 媒 质光 密 媒 质有 半 波 损 失null光 密 媒 质光 疏 媒 质无 半 波 损 失水空气nullnull四、 菲涅耳双棱镜实验例： 在杨氏双缝实验中，屏与双缝之间的距离D=1m，用单色光源（=589.3nm），问（1）d=2mm和（2）d=10mm两种情况下，相邻明条纹间距各为多大？例： 在杨氏双缝实验中，屏与双缝之间的距离D=1m，用单色光源（=589.3nm），问（1）d=2mm和（2）d=10mm两种情况下，相邻明条纹间距各为多大？解：相邻明条纹的间距解：相邻明条纹的间距d=2mm时d=10mm时双缝间距较小时，条纹间距才比较大。null[例]在杨氏双缝实验中，用折射率n=1.58的透明薄膜盖在上缝上，并用λ=6.32810－7m的光照射，发现中央明纹向上移动了5条，求薄膜厚度。 因r2光程未变，r1改变了(n-1)x [例] 在杨氏双缝实验中，采用加有蓝绿色滤光片的白光光源，其波长范围为=100nm，平均波长为490nm。试估算从第几级开始，条纹将变得无法分辨？[例] 在杨氏双缝实验中，采用加有蓝绿色滤光片的白光光源，其波长范围为=100nm，平均波长为490nm。试估算从第几级开始，条纹将变得无法分辨？null解：该蓝绿光的波长范围为1---2所以：当1的第k+1级条纹位置低于2的第k级位置时，第k级光谱和第k+1级光谱重叠，条纹变得无法分辨所以，从第5级开始，条纹变得无法分辨。null光的干涉核心问题：光 程 差§1-5 分振幅薄膜干涉—等倾条纹§1-5 分振幅薄膜干涉—等倾条纹光波经薄膜上、下两表面反射后相互叠加而产生的干涉现象 ----薄膜干涉分振幅干涉null一、反射光的干涉 1 等倾干涉的描述2 光程差的计算nullnullnull明、暗条件：——暗纹k=0 ,1 ,2 ,…——明纹k=1 ,2 ,…null3 等倾干涉的意义薄膜厚度 e 不变， 随 i 变化的干涉null等倾干涉 条纹null 4 等倾干涉条纹的特征（a）为一系列明、暗相间的同心圆环；（b）由  的表达式可知，i 越小， 越大，对应的干涉级次 k 就越大。即： 圆环的级次是内大外小。（c）等倾圆环内疏外密。null（d）不同波长的光入射到薄膜上，若 则对应同一 k 级： 即：同一干涉级次，长波在内短波在外。（e）当e 增大时，k增大，在圆环中心(i=0)处有圆环冒出；当e 减小时，k减小，在圆环中心处有圆环吞入。每冒出或吞入一个圆环，薄膜厚度的改变为：nullnull等倾条纹的形成 (a) 点光源的作用；(b) 扩展光源的作用null1) 扩展光源增加干涉条纹的亮度 可以为单色或非单色光源 2) 条纹定域于无限远或正透镜后焦面 3) 条纹观察面上一点对应一个入(出)射方向,一个条纹对应 一个i 等倾圆条纹null5 薄膜干涉中的半波损失nullnull 6 当光线垂直入射时—明—暗null二 透射光的干涉：反射加强；透射减弱null[例]在白光下，观察一层折射率为 1.30的薄油膜，若观察方向与油膜表面法线成300角时，可看到油膜呈蓝色(波长为 480nm)，试求油膜的最小厚度。如果从法向观察，反射光呈什么颜色?解: 需考虑半波损失,根据明纹条件nullk=1时有null从法向观察，i=0:----绿色光----紫外光，不可见null练习：一油轮漏油（n1=1.2）污染海面，在海水（n2=1.3）表面形成一层薄油污。 （1）太阳正位于该海域上空，一直升飞机的驾驶员从机上观察，他所对的油污厚度为460nm，则他看到油层呈什么颜色？ （2）在海底的潜水员看到油污呈什么颜色？null解：（1）反射光无半波损失绿色null紫红色三 增透膜和高反射膜三 增透膜和高反射膜为了减少入射光能在透镜玻璃表面反射所引起的损失，常在玻璃表面镀一层厚度均匀的薄膜，利用薄膜的干涉使反射光减到最小，从而达到透射光增强的目的。1 增透膜MgF2 n=1.38null反射光光程差入射角很小时干涉相消条件最小膜厚度null2 高反射膜2 高反射膜反射加强ZnS n=2.40干涉加强条件最小膜厚度null半透膜高反射膜§ 1-6 分振幅薄膜干涉——等厚干涉§ 1-6 分振幅薄膜干涉——等厚干涉一、劈尖干涉现象在“空气”膜上产生干涉效应，玻璃只起到形成空气劈尖的作用。null 二 光程差的计算 二 光程差的计算很小，局部可看成等厚的薄膜， null干涉条件 干涉条件 干涉条件空气劈尖中，干涉条纹的明暗决定于劈尖的厚度。厚度相同的地方，干涉情况相同。——等厚干涉光线垂直入射的条件下，光程差为空气劈尖，n2=1null三 干涉条纹的特点1 空气劈尖 e =0时， = / 2半波损失2 对于介质劈尖null4 相邻两明纹（或暗纹）之间的距离： 一定 减少，Δl 增加；  增加， Δ l 减少 。3 相邻两明纹（或暗纹）对应劈尖的厚度差：null四 劈尖干涉的应用检查光学平面的平整度测量微小长度null[例]为测定Si上的SiO2厚度d，可用化学方法将SiO2膜的一部分腐蚀成劈尖形。现用λ=589.3nm的光垂直入射,观察到7条明纹，问d=? (已知Si: n1=3.42，SiO2: n2=1.50)解：上下面都有半波损失SiO2Sinull因棱边处对应于k=0，故d处明纹对应于k=6null五、牛顿环实验平板玻璃平凸透镜同心圆环，中心为暗斑。null 1 明、暗条件：null 2 明、暗环半径：代入明、暗条件可得：null明环半径：暗环半径：暗环间距null讨论：（1）由 e = r2/2R 知： 离中心愈远，光程差增加愈快 （2）r = 0 时，暗环半波损失null白光入射的牛顿环照片null（3）应用检验透镜表面 测量透镜曲率半径 测量光波的波长null练习：求介质（折射率为 n）牛顿环的暗环半径。nullnull解：因n1n3，所以要考虑半波损失由暗纹条件知：交界处e=0对应于k=0的暗纹null中心点为k=4的暗纹当油滴逐渐摊开时，最外暗环逐渐向外扩大，中心点明暗交替变化，条纹级数逐渐减少§1-7 干涉条纹的可见度§1-7 干涉条纹的可见度null一、干涉条纹的可见度（对比度，反衬度）(Contrast) null定义:描述干涉花样的强弱对比null▲ 决定可见度的因素：振幅比，光源的宽度光源的单色性，null可见度与振幅比的关系：null1、理想的单色光2、准单色光、谱线宽度准单色光：在某个中心波长（频率）附近有一定波长（频率）范围的光。二、光源的非单色性对干涉条纹的影响null● 自然宽度（由能级的宽度造成） EjEiEi 3、造成谱线宽度的原因：● 多普勒增宽（由光源的运动造成）● 碰撞增宽·Ej知识补充null设能分辨的干涉明纹最大级次为kM ，则应有：扬氏干涉null与 对应的光程差相干长度（Coherent Length），由光源的单色性决定的、产生可见度不为零的、干涉条纹的最大光程差也可定义两列波能发生干涉的最大光程差叫相干长度。相干长度—null1、相干长度和波列长度之间的关系 一个原子一次发光只能发出一段长度有限、频率一定、振动方向一定的光波(波列）。null 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。相干条件：null普通单色光：激光： null一些光源的相干长度 null 光通过波列长度所需时间（或相干长度通过考察点所需时间）叫相干时间。2、相干时间（Coherent Time） 光的单色性好，相干长度和相干时间就长，时间相干性也就好，我们就可以观察到干涉级较大的条纹。光波场的时间相干性和光源的单色性紧密相关 由于波列是沿光的传播方向通过空间固定点的，所以时间相干性是光场的纵向相干性。null四、光源线度对干涉条纹的影响 1、光源宽度为bnull2、临界宽度b0当光源宽度b增大到某个宽度b0时，干涉条纹刚好消失：b0 光源的极限宽度nullr0 >> d：r 0’ >>b0 、d：b0 计算如下：L点一级明纹：null——光源的临界宽度有：由注：这里的推导和教材不同，但更好理解。b 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 光程差改变 ，条纹移动一次。null分波阵面干涉（1）杨氏双缝（2）洛埃德镜半波损失null分振幅干涉（1）薄膜干涉（2）劈尖干涉null分振幅干涉（3）牛顿环（4）干涉仪nullAC2null练习练习1 在如图所示的洛埃镜装置中，各量的数值分别是: a=2cm, b=3m, c=5cm, e=0.5mm. 光波的波长为=589.3nm. 试求： 屏上条纹间距； 屏上的总条纹数。 S1S2P212P1Oeacbnull解: 双光束干涉（１）条纹间距null（２）干涉区域的大小null大约形成２０个条纹．2 如图所示的劈形薄膜，右端的厚度为d0=0.01cm，折射率n=1.5，波长=707nm的光以30º的入射角射到劈的上表面，求在这个面上产生的条纹数。2 如图所示的劈形薄膜，右端的厚度为d0=0.01cm，折射率n=1.5，波长=707nm的光以30º的入射角射到劈的上表面，求在这个面上产生的条纹数。null解：null3 利用劈尖干涉可对工件表面微小缺陷进行检验.当波长为的单色光垂直入射时,观察到干涉条纹如图.问(1)不平处是凸的,还是凹的? (2)凹凸不平的高度为多少?解：(1)等厚干涉，同一条纹上各点对应的空气层厚度相等所以不平处是凸的null(2)由相似三角形关系得4 两块薄凸透镜，使其凸面相对放置，在波长590nm的黄光近垂直入射的情况下观察反射光，看到牛顿环，其相邻亮圈的半径为1.20mm和1.07mm。若两块透镜材料的折射率为1.52 ，问组合透镜的焦距是多少？4 两块薄凸透镜，使其凸面相对放置，在波长590nm的黄光近垂直入射的情况下观察反射光，看到牛顿环，其相邻亮圈的半径为1.20mm和1.07mm。若两块透镜材料的折射率为1.52 ，问组合透镜的焦距是多少？ 5 麦克尔孙干涉仪的一臂（反射镜）匀速u推进，以透镜接收干涉条纹，把它会聚到光电元件上，将光强变化转换为电讯号。 5 麦克尔孙干涉仪的一臂（反射镜）匀速u推进，以透镜接收干涉条纹，把它会聚到光电元件上，将光强变化转换为电讯号。若测得电讯号的时间频率为，求入射光的波长； 若入射光波长为600nm，欲使电信号频率控制在50Hz，反射镜的平动速度是多大？ 按上述速度移动反射镜，钠黄光（双线589nm和589.6nm）产生电讯号的拍频是多少？大作业大作业设计程序演示杨氏双缝干涉的条纹和光强分布。 12月15日null