第三章 干涉

第三章干涉§3-1波的叠加与干涉§3-2杨氏实验光场的空间相干性§3-3薄膜干涉（一）等厚条纹§3-4薄膜干涉（二）等倾条纹§3-5迈克尔逊干涉仪光场的时间相干性§3-6多光束干涉法布里珀罗干涉仪1、光是波长（频率）在一定范围内的电磁波。2、电磁波是横波§3-1波的叠加与干涉一、波的描述在一定条件下可用标量 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 示:3、光矢量可见光是对人的眼睛能产生视觉的电磁波，引起视觉和化学效应（生理作用和感光作用）的是电磁波中的电场强度矢量。因此，常把矢量称为光矢量。二、波的叠加原理1、波的独立传播定律当几个波相遇时，彼此不受影响，各自保持自己的特性（频率、振幅和振动方向等）。按自己原来的传播方向继续前进。2、波的叠加原理在相遇的区域内，介质质点的合位移等于各波单独存在时在该点所引起的位移的矢量和。3、非线性光学波的叠加原理和独立传播定律只有在真空中或各向同性介质中,且波的强度不是太强时才成立。波的叠加原理和独立传播定律不成立的介质称为“非线性介质”，这种效应称“非线性效应”，研究光的非线性效应的学科称为“非线性光学”。1、干涉现象两个或几个波在空间相遇时，其强度在空间形成强弱相间的稳定分布的现象。2、相干条件频率相等，振动方向（光矢量）平行、相位差恒定。三、波的干涉3、波动的特征“干涉”和“衍射”现象是波动的重要特征。四、相干叠加与非相干叠加1、两简谐振动的合成（干涉项）波的强度正比于振幅的平方令2、相干叠加:当干涉项不为零时，为相干叠加3、非相干叠加：当干涉项为零时I=I1+I2前面讨论了两振动的叠加，现讨论两列波的叠加。两振源的振动：波的表达式：pdrr2r1r0p0s1s2五、两个点波源的干涉两波到达P点，引起的振动为：两波到达P点的相位差为：1、相位差决定于初相差光程差决定于初相差2、明纹条件与暗纹条件干涉相长(极大、明纹）干涉相消(极小、暗纹）(光程差)干涉相长(极大、明纹）干涉相消(极小、暗纹）§3-2杨氏实验光场的空间相干性一、杨氏双缝干涉实验T.young于1801年首先用实验 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 研究了光的干涉现象.他让太阳光通过一针孔，再通过离这一针孔一段距离的两个针孔，在两针孔后的屏幕上得到干涉图样，继而用相干平行的狭缝代替针孔，得到明亮得多的干涉条纹。——杨氏双缝实验光程差：由干涉相长条件：为明条纹，即：pr2ΔLr1xxDdo——分波阵面法由干涉相消条件：为暗条纹。即：条纹间距:(3)中间级次低；(4)条纹特点：(2)不太大时条纹等间距；相位差：(1)一系列平行的明暗相间的条纹；(5)白光的杨氏双缝干涉图样一定时，若变化,则将怎样变化？一定时,条纹间距与的关系如何？二、其它干涉装置(1)菲涅耳双镜干涉相长条件：干涉相消条件：明条纹暗条纹——分波阵面法(2)菲涅耳双棱镜——分波阵面法(3)劳埃德镜PML半波损失：光由光疏介质射向光密介质时，反射光相位突变π。三、干涉条纹的移动零级条纹在P0光源移动δs条纹移动δx傍轴,小角度下:考虑到移动方向相反例1：用白光做光源观察双缝干涉，缝间距为d，试求能观察到的清晰可见光谱的级次。白光波长范围390—750nm。例2：一双缝实验中，两缝间距为0.15mm，在1.0m处测得第一级和第十级暗纹之间距离为36mm。试求所用单色光的波长。例3：双缝干涉实验中，单色光源s到两缝S1和S2的距离分别为l1和l2，且距离为d，双缝到屏之间距离为D。求：(1)零级明条纹到屏幕中央O的距离(2)相邻明条纹之间的距离双缝之间=(E2-E1)/hE1E2能级跃迁辐射波列波列长L=c1、普通光源：自发辐射独立(不同原子发的光)··独立(同一原子先后发的光)(≈10-8s)任何发光的物体都称为光源。光源的最基本发光单元是分子、原子。四、普通光源发光微观机制的特点2、用普通光源获得相干光的途径pS*分波面法分振幅法·p薄膜S*定义（0～1之间）γ越大，条纹越清晰。(1)当Imin=0（暗条纹全黑）时，γ=1，条纹的反差最大，清晰可见。1、干涉条纹的衬比度（可见度，对比度，反衬度）五、光源宽度对干涉条纹衬比度的影响(4)对于干涉条纹来说(3)当γ≥70％时可清晰分辨条纹(2)当Imax=Imin时，γ=0，明暗无区别。在光源点S和S′相距为a，衬比度为零时S′Sd光源临界宽度P02、光源线度对衬比度的影响§3-3薄膜干涉（一）——等厚条纹当光照射到薄膜上时，就会有一部分经上表面反射1′，一部分透射到薄膜中经下表面反射再经上表面折射出来1〞，当两束光相遇时就会产生干涉现象（分振幅法）。一、光程差（薄膜反射引起的）两部分光的几何光程差QCBAP二、半波损失当光从光疏媒质射向光密媒质反射时，相位发生π突变。例如右图若：三、垂直入射垂直入射QCBAP膜上厚度相同的位置有相同的光程差,对应同一级条纹，故称为薄膜“等厚干涉”。四、干涉条件平行于棱边的直线条纹五、劈形薄膜的等厚条纹（劈尖干涉）实际应用中,大都是平行光垂直入射到劈尖上。hαnnn·A反射光1′反射光1入射光(单色平行光垂直入射)(设n>n)A点：光线1与1′的光程差明纹:暗纹:同一厚度h对应同一级条纹——等厚条纹考虑到劈尖夹角极小,反射光1与1′在膜面的光程差可简化为图示情况计算。半波损失2、条纹分布棱边处，出现暗条纹hk高级次远离棱边3、条纹间距1、条纹形状等间距平行棱边的明暗相间的直条纹劈尖干涉的应用(1)干涉膨胀仪(2)测膜厚(3)检验光学元件表面的平整度空气(4)测细丝的直径六、牛顿环(牛顿圈)显微镜SLM半透半反镜T牛顿环干涉图样第k个暗环半径第k个明环半径干涉条纹半径(干涉加强和减弱的条件)(n为膜的折射率)测透镜球面的半径R：测波长λ：检验透镜球表面质量思考：1、牛顿环的中心是明纹还是暗纹？2、条纹是否等距？牛顿环的应用例1已知：用紫光照射，借助于低倍测量显微镜测得由中心往外数第j级明环的半径,j级往上数第16个明环半径,平凸透镜的曲率R=2.50m求：紫光的波长？解：根据明环半径公式：七、薄膜的颜色(薄膜色、薄层色）若用复色光照射薄膜，则对于某一指定的入射角，其叠加结果将是某些波长的光强最大、某些波长的光强最小，会出现不同强度的条纹的重叠。出现彩色条纹——薄膜色。例如：日光照射下，肥皂泡的彩色、油脂薄膜的彩色、金属表面上极薄的氧化层彩色、昆虫（蜻蜓、蝉、甲虫等）的翼彩色。由于薄膜厚度往往不均匀，故条纹是不规则的曲线。增透膜(消反射层)利用薄膜干涉原理,在光学表面镀一层薄膜,使得反射光干涉相消,从而使透射光干涉增强。增反膜(高反射层)在光学表面镀一层薄膜,使得反射光干涉相长,从而使反射光增强。例2：制作珠宝时，为了使人造水晶（n=1.5）具有强反射本领，在其表面镀一层一氧化硅（n=2.0），要使波长560nm的光强烈反射，这层薄膜至少应多厚？k=1时解：例3：一平面单色光垂直照射在厚度均匀的薄油膜上，这层油膜覆盖在玻璃板上。设光源波长可连续改变，若在500nm和700nm这两个波长处观察到反射光干涉相消，而且在这两波长之间的其他波长都不发生干涉相消。已知油膜的折射率为1.30，玻璃的折射率为1.50，试计算油膜的厚度。解：油膜两反射面均有半波损失，故相互抵消。即该薄膜实际上起到一个滤光的作用例4：为使波长为550nm的黄绿色光透射增强，反射减弱,需要在像机镜头上镀一层MgF2薄膜——增透膜，n=1.38,求薄膜的最小厚度。解：反射光干涉减弱的条件：2nd=(2k+1)/2，k=0,1,2,…（两面都有半波损失）k=0,最小厚度：n=1.0n=1.55dMgF2n=1.38§3-4薄膜干涉(二)——等倾条纹一、光程差（薄膜反射引起的）由折射定律二、相干条件明纹暗纹(k=0,1,2,3,…)薄膜反射引起的光程差:当薄膜厚度相同时,倾角i相同的光线对应同一条干涉条纹——等倾条纹。(k=1,2,3,…)三、条纹间隔相干加强条件:由式(1)和式(2)(1)条纹形状一系列同心圆环(2)条纹间隔分布内疏外密(3)条纹级次分布h一定时，内环级次高:(5)波长对条纹的影响(4)膜厚变化时,条纹的移动厚度h增加,中心冒出条纹,向外涌四、条纹的特点k大k小§3-5迈克耳孙干涉仪光场的时间相干性一、迈克耳孙干涉仪的结构M1平面反射镜(可前后移动)M2平面反射镜G1半透半反镜G2补偿板光束2′和1′发生干涉若M2、M1平行等倾条纹若M2、M1有小夹角等厚条纹十字叉丝等厚条纹若M1平移d时，干涉条移过N条，则有：M21122S半透半反膜M1M2G1G2E二、迈克耳孙干涉仪实验原理各种干涉条纹及M1，M2相应位置如图示：三、干涉条纹物理实验课“迈克耳孙干涉仪实验”四、光源的非单色性对干涉条纹的影响钠黄光双线结构使条纹衬比度随光程差ΔL作周期性变化相干叠加:设:A1=A2=A设:I10=I20=I01与2是非相干叠加移过的条纹数:衬比度随光程差作周期性变化:两种情况的区别在于：第1种：条纹的衬比度成周期性变化；第2种：衬比度下降为0后，就一直为0。Chapter3Ending