第12章波動光學2ppt課件

1、豐富多彩的干涉現(xiàn)象豐富多彩的干涉現(xiàn)象水膜在白光下水膜在白光下白光下的肥皂膜白光下的肥皂膜12-3薄膜干涉薄膜干涉蟬翅在陽光下蟬翅在陽光下蜻蜓翅膀在陽光下蜻蜓翅膀在陽光下白光下的油膜白光下的油膜肥皂泡玩過嗎肥皂泡玩過嗎?分波面與分振幅相干光的獲得方法相干光的獲得方法P1n1n2n1M2MeL一、一、 薄膜干涉薄膜干涉ADCDADnBCABn12 )(23 coseBCABiACADsiniesin tan212nni sinsin12nn iDC34E5A1 B2由路程差造成的由路程差造成的2,3兩束光程差兩束光程差1.干涉形成干涉形成2. 光程差分析光程差分析 22222222212sin2c

2、ossincos23nneenne inne221222sin23 由路程差造成的光程差：由路程差造成的光程差：反射光在界面上的相位突變和附加光程差反射光在界面上的相位突變和附加光程差* *當光從折射率小的光疏介質(zhì)，當光從折射率小的光疏介質(zhì)，正入射或掠入射于折射率大正入射或掠入射于折射率大的光密介質(zhì)時，則反射光有的光密介質(zhì)時，則反射光有半波損失。半波損失。入射入射波波駐波駐波反射反射波波波密媒波密媒質(zhì)質(zhì)波疏媒波疏媒質(zhì)質(zhì)由波疏媒質(zhì)入射在波密媒質(zhì)界面上反射，在界處，由波疏媒質(zhì)入射在波密媒質(zhì)界面上反射，在界處，反射波的振動相位總是與入射波的振動相位相反，反射波的振動相位總是與入射波的振動相位相反，即

3、差了即差了 ，形成駐波時，總是出現(xiàn)波節(jié)。，形成駐波時，總是出現(xiàn)波節(jié)。位相差了位相差了 相當于波程差了相當于波程差了 ，稱為半波損失稱為半波損失有半波損失有半波損失* *當光從折射率大的光密當光從折射率大的光密介質(zhì)，正入射于折射率介質(zhì)，正入射于折射率小的光疏介質(zhì)時，反射小的光疏介質(zhì)時，反射光沒有半波損失。光沒有半波損失。* *折射光沒有相位突變折射光沒有相位突變例二:例一:P1n1n2n1M2MeLiDC34E5A1B212nn A點有相位突變點有相位突變B點無相位突變點無相位突變考慮有半波損失后考慮有半波損失后2光與光與3光之間的光程差：光之間的光程差： inne221222sin23 2 根

4、據(jù)具體情況而定根據(jù)具體情況而定式中式中為真空中的波長為真空中的波長)(1)(251.31.n 01.)(1)( 201.31.n 51.inne221222sin12 inne221222sin12 2 無無2 無無)(1)(251.21.n 31. inne221222sin12 2 212 )(k減減 弱弱 暗紋暗紋),(210kr k 加加 強強 明紋明紋),(21kk的取值要注意的取值要注意: 如如k=3則表示明紋則表示明紋3條，暗紋條，暗紋4條條（1總光程差公式總光程差公式3.討論討論（2若厚度若厚度e 一定，那么一定，那么 相同入射角入射的光束，經(jīng)相同入射角入射的光束，經(jīng)膜的上下表

5、面反射后產(chǎn)生的膜的上下表面反射后產(chǎn)生的相干光束都有相同的光程相干光束都有相同的光程差，從而對應(yīng)于干涉圖樣中差，從而對應(yīng)于干涉圖樣中的一條條紋，此稱干涉為的一條條紋，此稱干涉為 等傾干涉等傾干涉(不要求不要求) i （3 3若入射角若入射角i i 一定，那么一定，那么 稱此干涉為等厚干涉重點）稱此干涉為等厚干涉重點） e （4薄膜厚度在薄膜厚度在10-7m數(shù)量數(shù)量級級增透膜：增透膜：現(xiàn)代光學儀器中，為了減少入射光能量現(xiàn)代光學儀器中，為了減少入射光能量在儀器表面上反射在儀器表面上反射 時所引起的損失，常時所引起的損失，常在儀器表面上鍍一層厚度均勻的薄膜。在儀器表面上鍍一層厚度均勻的薄膜。 4. 薄

6、膜干涉的應(yīng)用薄膜干涉的應(yīng)用 防可見光反射(增可見光透射)空氣空氣 n1=1玻璃玻璃 n3=1.58MgF2 n2=1.38e為使反射光減弱，所涂薄膜厚度為使反射光減弱，所涂薄膜厚度e應(yīng)滿足下列條件：應(yīng)滿足下列條件：iinne221222sin （1原理原理光垂直入射光垂直入射 i = 022en 增透膜的光學厚度增透膜的光學厚度k=0 最小厚度最小厚度22en反 212 )(k),(210k2412nke )(24ne 例例1 用白光垂直照射置于空氣中的厚度為用白光垂直照射置于空氣中的厚度為0.50 mm的的玻璃片玻璃片的折射率為玻璃片玻璃片的折射率為1.50在可見光范圍內(nèi)在可見光范圍內(nèi)(40

7、0 nm 760 nm)哪些波長的反射光有最大限度的哪些波長的反射光有最大限度的增強？增強？(1 nm=10-9 m)123000124212 kknekne 解：加強，解：加強， 2ne+ = k 2 k = 1， = 3000 nm，k = 2， = 1000 nm，k = 3 = 600 nm，k = 4， = 428.6 nm，k = 5 = 333.3 nm 3 1 4 2 5 在可見光范圍內(nèi)，干涉加強的光的波長是在可見光范圍內(nèi)，干涉加強的光的波長是 600 nm 和和 428.6 nm 4 3 n1 n2 n3 e (A) en24 en22 en24 -2en2(B)(C)(D)

8、答案答案A 1. 如下圖，波長為 的平行單色光垂直入射在折射率為n2的薄膜上，經(jīng)上下兩個表面反射的兩束光發(fā)生干涉若薄膜厚度為e，而且n1n2n3，則兩束反射光在相遇點的相位差為 n2n1n3 e答案答案A2. 如下圖，折射率為如下圖，折射率為n2、厚度為、厚度為e的透明介質(zhì)薄膜的透明介質(zhì)薄膜的上方和下方的透明介質(zhì)的折射率分別為的上方和下方的透明介質(zhì)的折射率分別為n1和和n3，已知已知n1n2n3若用波長為若用波長為 的單色平行光垂的單色平行光垂直入射到該薄膜上，則從薄膜上、下兩表面反射直入射到該薄膜上，則從薄膜上、下兩表面反射的光束與的光程差是的光束與的光程差是 (A)2-2 en2en22

9、-2en222nen2-2 (B)(C)(D)（一劈尖干涉（一劈尖干涉二、等厚干涉二、等厚干涉erad1010541n1nn 1.干涉實現(xiàn)干涉實現(xiàn)2sin inne22122平行光垂直入射到劈尖上平行光垂直入射到劈尖上 i=0空氣劈尖空氣劈尖n=12 e2空氣空氣玻璃玻璃明紋明紋1,2,3,= , kk 暗紋暗紋0,1,2,212= ,) (kk 22 e2. 光程差及明暗條件光程差及明暗條件e1n1n（1平行棱邊的直條紋，平行棱邊的直條紋，同一厚度同一厚度e對應(yīng)同一級條紋：對應(yīng)同一級條紋：等厚條紋等厚條紋.3.討論討論棱邊棱邊e=0 e=0 暗紋，證明了半波損存在暗紋，證明了半波損存在e明紋

10、明紋1,2,3,= , kk 暗紋暗紋0,1,2,212= ,) (kk 22 e(2)相鄰明紋暗紋間的厚度差相鄰明紋暗紋間的厚度差21 kkee 2 2s si in n2 2 l l條紋等間距條紋等間距 （4干涉條紋的移動干涉條紋的移動規(guī)律：規(guī)律：e變大，條紋下移變大，條紋下移e變小，條紋上移變小，條紋上移每一條紋對應(yīng)劈每一條紋對應(yīng)劈尖內(nèi)的一個厚度，尖內(nèi)的一個厚度，當此厚度位置改當此厚度位置改時，對應(yīng)的條紋時，對應(yīng)的條紋隨之移動隨之移動.條紋每條紋每移動一級，膜厚移動一級，膜厚改變改變2 動畫動畫1動畫動畫2 2 2s si in n2 2 l l（1測膜厚測膜厚sie1n2n2 SiO折

11、射率折射率 n1=1.50 n1=1.50 n2=3.42n2=3.42 ken 1212nke k 應(yīng)取多少？應(yīng)取多少？ 1,2,3,，0= k第幾級第幾級 明紋明紋11. 如下圖，在的平面上鍍了一層厚度均勻的薄膜。如下圖，在的平面上鍍了一層厚度均勻的薄膜。為了測量這層薄膜的厚度，將它的一部分磨成劈形為了測量這層薄膜的厚度，將它的一部分磨成劈形示意圖中的段）?，F(xiàn)用波長為示意圖中的段）?，F(xiàn)用波長為 的平行光垂的平行光垂直照射，觀察反射光形成的等厚干涉條紋。在圖中直照射，觀察反射光形成的等厚干涉條紋。在圖中段共有段共有8條暗紋，且條暗紋，且B處恰好是一條暗紋，求膜的厚處恰好是一條暗紋，求膜的厚度

12、。（度。（Si折射率為折射率為3.42，SiO2折射率為折射率為1.50）oA0006明紋明紋1,2,3,，0= , kk 暗紋暗紋0,1,2,212= ,) (kk ne2 1nn1nLd空氣空氣 1ne （2檢驗光學元件表面的平整度檢驗光學元件表面的平整度2 bbe 6231 b b（3測細絲的直徑測細絲的直徑bLnd 2 b例例2 兩塊長度兩塊長度10 cm的平玻璃片，一端互相接觸，的平玻璃片，一端互相接觸，另一端用厚度為另一端用厚度為0.004 mm的紙片隔開，形成空氣劈的紙片隔開，形成空氣劈形膜以波長為形膜以波長為500 nm的平行光垂直照射，觀察反的平行光垂直照射，觀察反射光的等厚

13、干涉條紋，在全部射光的等厚干涉條紋，在全部10 cm的長度內(nèi)呈現(xiàn)的長度內(nèi)呈現(xiàn)多少條明紋？多少條明紋？(1 nm=10-9 m)解法解法1：設(shè)空氣膜最大厚度為：設(shè)空氣膜最大厚度為e 2ne+ = k 2 16.510500105000.510422129-9-6- ek 明紋數(shù)為明紋數(shù)為16 e解法解法2：計算劈尖角：計算劈尖角e5104Lsin e 明條紋間距明條紋間距3-106.252sin2 l明條紋數(shù)目明條紋數(shù)目16625. 010 k 平玻璃 工件 空氣劈尖 答案答案C 1. 用劈尖干涉法可檢測工件表面缺陷，當波長為 的單色平行光垂直入射時，若觀察到的干涉條紋如圖所示，每一條紋彎曲部分

14、的頂點恰好與其左邊條紋的直線部分的連線相切，則工件表面與條紋彎曲處對應(yīng)的部分 （A凸起，且高度為（B凸起，且高度為（C凹陷，且深度為（D凹陷，且深度為2 4 4 2 A B 圖 b 圖 a 答案答案B 2. 如圖如圖a所示，一光學平板玻璃所示，一光學平板玻璃A與待測工件與待測工件B之間形成空氣劈尖，用波長之間形成空氣劈尖，用波長 500 nm (1 nm=10-9 m)的單色光垂直照射看到的反射光的干涉條紋如圖的單色光垂直照射看到的反射光的干涉條紋如圖b所所示有些條紋彎曲部分的頂點恰好與其右邊條紋的直線部分的連線相切則工示有些條紋彎曲部分的頂點恰好與其右邊條紋的直線部分的連線相切則工件的上表面

15、缺陷是件的上表面缺陷是 (A) 不平處為凸起紋，不平處為凸起紋， 最大高度為最大高度為500 nm (B) 不平處為凸起紋，不平處為凸起紋， 最大高度為最大高度為250 nm (C) 不平處為凹槽，不平處為凹槽， 最大深度為最大深度為500 nm (D) 不平處為凹槽，不平處為凹槽， 最大深度為最大深度為250 nm L 3. 如下圖，兩個直徑有微小差別的彼此平行的滾柱之間的距離為L，夾在兩塊平晶的中間，形成空氣劈形膜，當單色光垂直入射時，產(chǎn)生等厚干涉條紋如果滾柱之間的距離L變小，則在L范圍內(nèi)干涉條紋的 （A數(shù)目減少，間距變大（B數(shù)目不變，間距變小 （C數(shù)目增加，間距變小 （D數(shù)目減少，間距不

16、變答案答案Be由一塊平板玻璃和由一塊平板玻璃和一平凸透鏡組成一平凸透鏡組成白光入射的牛頓環(huán)照片白光入射的牛頓環(huán)照片單色光入射的牛頓環(huán)照片單色光入射的牛頓環(huán)照片R22222eeReRRr )(02 eeRReRr)(22 22 e光程差光程差 ),(21 kk 明紋明紋), ,()(1021 kk 暗紋暗紋re Rkr)(21 kRr 暗環(huán)半徑暗環(huán)半徑明環(huán)半徑明環(huán)半徑2. 光程差及明暗條件光程差及明暗條件由幾何關(guān)系可知由幾何關(guān)系可知22 ne光程差光程差RrnRkr )(21 明nkRr 暗暗環(huán)半徑暗環(huán)半徑明環(huán)半徑明環(huán)半徑空氣換成折射率為空氣換成折射率為n n 介質(zhì)介質(zhì)nn明r暗r問題：屬于等厚

17、干涉，條紋間問題：屬于等厚干涉，條紋間距不等距不等, ,中疏邊密中疏邊密, ,為什么？為什么？3.討論討論原因：原因：e與與r2 成正比，離開中心越成正比，離開中心越遠，遠，e 增加越快，條紋變得越密增加越快，條紋變得越密（1 1e =0 e =0 時時 故干涉花故干涉花樣中心為暗斑。以后為明暗相間樣中心為暗斑。以后為明暗相間的圓環(huán)形干涉條紋的圓環(huán)形干涉條紋牛頓環(huán)牛頓環(huán) 2 Rr（2將牛頓環(huán)置于將牛頓環(huán)置于 的液體中，條紋如何變？的液體中，條紋如何變？1 nRr kRr 未置于的液體中未置于的液體中置于的液體中置于的液體中nRkr , Rnrk2 , Rrk2 k , k kRrk 2 Rmk

18、rmk)( 2 mrrRkmk22 Rrr24.4.應(yīng)用應(yīng)用 （2可以用來測量光波波長，用于檢測透鏡質(zhì)量.牛頓環(huán)例題在牛頓環(huán)實驗中589 nm4.00 mm6.00 mm暗環(huán)6.79 m1. 若把牛頓環(huán)裝置若把牛頓環(huán)裝置(都是用折射率為都是用折射率為1.52的玻璃制的玻璃制成的成的)由空氣搬入折射率為由空氣搬入折射率為1.33的水中，則干涉的水中，則干涉條紋條紋 (A) 中心暗斑變成亮斑中心暗斑變成亮斑 (B) 變疏變疏 (C) 變密變密 (D) 間距不變間距不變答案答案C 空氣單色光 2. 如圖，用單色光垂直照射在觀察牛頓環(huán)的裝置上當平凸透鏡垂直向上緩慢平移而遠離平面玻璃時，可以觀察到這些環(huán)

19、狀干涉條紋 (A) 向右平移 (B) 向中心收縮 (C) 向外擴張 (D) 靜止不動 (E) 向左平移答案答案B三三 邁克耳孫干涉儀邁克耳孫干涉儀邁克耳孫邁克耳孫 (1852-1931) (AlbertAbrabanMichelson) 美國物理學家。美國科學促進協(xié)美國物理學家。美國科學促進協(xié)會主席會主席,美國科學院院長；還被選為美國科學院院長；還被選為法國科學院院士和倫敦皇家學會會法國科學院院士和倫敦皇家學會會員，員，1931年年5月月9日在帕薩迪納逝世。日在帕薩迪納逝世。 1907年諾貝爾物理學獎授予邁年諾貝爾物理學獎授予邁克耳孫以表彰他對光學精密儀器及克耳孫以表彰他對光學精密儀器及用之于光譜學與計量學研究所作的用之于光譜學與計量學研究所作的貢獻。貢獻。單色光源單色光源21MM 反反射射鏡鏡 2M反射鏡反射鏡1M21M,M與與 成成 角角04521/GG2G補償板補償板 分光板分光板 1G 移動導軌移動導軌1M1. 裝置裝置反反射射鏡鏡 2M2M1M 反射鏡反射鏡1M單色光源單色光源1G2G光程差光程差d2 的像的像2M2Md2. 結(jié)構(gòu)及光路結(jié)構(gòu)及光路當當 不垂直于不垂直于 時，可形成劈尖型等時，可形成劈尖型等厚干涉條紋厚干涉條紋.1M2M