第十一章光干涉匯總

1、第十一章光干涉匯總本章要點(diǎn)理解相干光的條件及獲得相干光的方法. 掌握光程的概念以及光程差和相位差的關(guān)系，理解在什么情況下的反射光有相位躍變.能分析楊氏雙縫干涉條紋及薄膜等厚干涉條紋的位置.了解邁克耳孫干涉儀的工作原理. 以光直線傳播為基礎(chǔ)，研究光在透明介質(zhì)中的傳播問題。 光的直線傳播定律 光的獨(dú)立傳播定律 光的折射和反射定律 幾何光學(xué)： 量子光學(xué)：內(nèi)容： 以光和物質(zhì)相互作用時所顯示出的粒子性為基礎(chǔ)，研究光的一系列規(guī)律。 反映光學(xué)與各個科技領(lǐng)域的緊密結(jié)合。現(xiàn)代光學(xué)：內(nèi)容： 激光 全息攝影 光纖維光學(xué)計算機(jī) 傅里葉光學(xué)紅外技術(shù) 遙感 遙測等光和物質(zhì)的相互作用規(guī)律內(nèi)容：內(nèi)容：以光波動性為基礎(chǔ)，研究光

2、傳播及規(guī)律。干涉 衍射 偏振波動光學(xué)：第一節(jié) 光的干涉條件一、光是一種電磁波能夠引起人眼視覺的那部分電磁波稱為可見光(visible light)，波長（真空中）為400760nm。光矢量 E 矢量能引起人眼視覺和底片感光，叫做光矢量. 真空中的光速：光波是電磁波二、相干光（coherent light）（1）相干光源（coherent light source）空間各處恒定的位相差導(dǎo)致空間各處形成穩(wěn)定的不同光強(qiáng)分布，光的能量重新分布，稱為光的干涉（interference of light）。此時光源 叫做相干光源。 （2）干涉條件（Coherent Condition）：兩束光波具有相同的

3、頻率，相同的振動方向以及恒定的位相差。1.相干光2.雙光干涉的強(qiáng)度分布 當(dāng)時，是干涉相長，形成光強(qiáng)極大。時，是干涉相消，形成光強(qiáng)極小。 當(dāng)三、相干光源的獲得1.普通光源(light source)的發(fā)光機(jī)制原子能級及發(fā)光躍遷基態(tài)激發(fā)態(tài)P21普通光源發(fā)光特點(diǎn)：間歇性：躍遷過程的持續(xù)時間約為 10-8 s發(fā)出的是一段長為 L=ct的光波列。獨(dú)立性：各原子各次發(fā)光相互獨(dú)立,振動方向和振動初位相都不一定相同，各波列互不相干。2.相干光的獲得用單色性好的點(diǎn)光源，把光線分成兩部分，然后再疊加。（取自同一原子的同一次發(fā)光）波陣面分割法*光源振幅分割法第二節(jié)雙縫干涉實(shí)驗(yàn)(Two-slit interferen

4、ce)一、實(shí)驗(yàn)裝置與干涉圖樣 1801年，英國醫(yī)生兼物理學(xué)家托馬斯 楊首先成功地進(jìn)行了光干涉實(shí)驗(yàn)，并看到了干涉條紋，這是一個關(guān)于光的性質(zhì)的具有判別意義的、關(guān)鍵性實(shí)驗(yàn)。托馬斯楊像Thomas Young (1773-1829)二、干涉規(guī)律1.波程差S1 和 S2 是同相波源。實(shí)驗(yàn)中，雙縫和屏間距D一般 約 1 m ，而 雙縫間距d 約 10-4 m。波程差2.干涉的加強(qiáng)減弱條件：當(dāng)干涉相長當(dāng)干涉相消3.干涉條紋位置：暗紋明紋4.干涉條紋間距：相鄰兩明（紋或暗紋）間的間距為：三、討論（2）條紋間距 與 、 的關(guān)系 中央明條紋（1）其兩側(cè)明暗條紋對稱分布（3）白光照射時，出現(xiàn)彩色條紋紅光在外，紫光在

5、內(nèi)。例題1 楊氏實(shí)驗(yàn)中，雙縫與屏的距離為D= 1m, 用鈉光作光源()。問(1)縫間距為d=2mm和d=10mm兩種情況下，明條紋間距各為多大？(2)若肉眼能分辨的兩條紋間距為，則雙縫的最大間距可為多少？由公式(1) 當(dāng)d=2mm： 當(dāng)d=10mm：(2) 如果，則可見，雙縫間距必須小于4mm解：例題2 以單色光照射到相距為的雙縫上,雙縫與屏幕的垂直距離為1m. (1) 從第一級明 紋 到同側(cè) 的第四級明 紋的距離為,求單色光的波長; (2) 若入射光的波長為600nm,求相鄰兩明紋間的距離.解： （1）（2）四、勞埃德（H. Lloyd）鏡當(dāng)經(jīng)平面鏡反射的光線，與直接射到屏幕上的光相與，發(fā)生

6、干涉，出現(xiàn)干涉條紋。PML半波損失：光從光疏介質(zhì)到光密介質(zhì)表面反射時，反射光有半個波長的附加波程差。當(dāng)將屏幕移近到鏡面的一端時，發(fā)現(xiàn)接觸處出現(xiàn)的是暗條紋！這一實(shí)驗(yàn)事實(shí)說明，從鏡面反射的光，發(fā)生了的相位突變第三節(jié) 光程與光程差一、光程（optical path） 單色光在不同介質(zhì)中傳播時，光波的頻率不變，但波長和傳播的速度發(fā)生了變化 真空中介質(zhì)中介質(zhì)中的波長與速率光在介質(zhì)中傳播時，路程 r 上相位變化為：光程（optical path） 介質(zhì)折射率與光的幾何路程之積 物理意義：光程就是光在不同介質(zhì)中的傳播路程 ,折算為（在相同時間內(nèi)或者改變相同的位相）真空中的傳播路程.好處是統(tǒng)一用真空中的波長來

7、計算。二、光程差 和相位差 的關(guān)系 波程差 光程差 (兩光程之差) 相位差 當(dāng)兩相干光相遇時，光程差為半波長的偶數(shù)倍時，干涉加強(qiáng)；光程差為半波長的奇數(shù)倍時，干涉減弱。即： 三、透鏡的等光程性三、透鏡的等光程性半波損失：光從光疏介質(zhì)到光密介質(zhì)表面反射時，反射光有半個波長的附加波程差。四、半波損失引起的附加光程差*P*例題3 計算光程差、相位差。初相例題4 用云母片（n）覆蓋在楊氏雙縫的一條縫上，這時屏上的零級明紋移到原來的第 7 級明紋處。若光波波長為 550 nm ，求云母片的厚度。插入云母片后，P 點(diǎn)為 0 級明紋dPo插入云母片前，P 點(diǎn)為 7 級明紋解：解：在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，用鈉光燈作光

8、源，雙縫與屏幕的距離D=0.50 m，雙縫間距b=1.210-3 m，問：（a）在空氣（n1）中，相鄰干涉條紋的間距是多少？（b）若在水（n）中，相鄰干涉條紋的間距是多少？（a）（b）顯然，在介質(zhì)（水）中，干涉條紋變密了。解 第四節(jié) 薄膜干涉 一、等傾干涉LPDC34E5A1B2發(fā)生干涉的兩條2、3光線的光程差為：反射光的光程差：1.光路分析與光程差：2.薄膜等傾干涉加強(qiáng)減弱條件：加 強(qiáng)減 弱 當(dāng)光線垂直入射時 透射光的光程差注意：透射光和反射光干涉具有互補(bǔ)性 ，符合能量守恒.加 強(qiáng)減 弱薄膜厚度不變情況，光程差決定于傾角i，焦平面上同一干涉條紋（亮或暗）對應(yīng)相同的入射角。例題5 空氣中肥皂膜

9、（n2），厚為m。如用白光垂直入射，問肥皂膜呈現(xiàn)什么色彩？解：黃光空氣空氣有半波損失例題6 光學(xué)儀器的鏡頭上常鍍有一層氟化鎂增透膜，使白光中人眼最敏感的黃綠光盡可能透過，也就是使黃綠光在薄膜表面反射最少。已知氟化鎂的折射率，黃綠光的波長=550nm，問薄膜的厚度為多少時，黃綠光反射最少？解：在氟化鎂薄膜的上、下表面的反射都有半波損失，故上、下表面的兩條反射線的光程差=2ne。這兩條反射線相消干涉的條件為取k=1，可得氟化鎂薄膜的最小厚度為 k=1，2，利用薄膜干涉可以提高或降低光學(xué)器件的透光率 .3.增透膜和增反膜 由能量守恒，黃綠光減弱（無反射光），透射光增強(qiáng)增透膜薄膜等傾干涉的裝置及干涉條

10、紋 二、等厚干涉1.劈尖干涉（1）光程差基本公式有半波損失明紋暗紋空氣劈尖 n=1明紋暗紋SM（2）討論 (a) 劈尖條紋對應(yīng)薄膜厚度明紋暗紋暗紋明紋(b)相鄰明紋（暗紋）間的厚度差明紋暗紋(空氣劈尖）(c)條紋間距（明紋或暗紋）測微小厚度干涉膨脹儀(3) 劈尖干涉的應(yīng)用空氣 檢驗(yàn)光學(xué)元件表面平整度 測細(xì)絲的直徑2.牛頓環(huán)（1）牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置與現(xiàn)象光程差（2）光程差與明暗條件有半波損失明紋暗紋幾何關(guān)系：暗環(huán)半徑明環(huán)半徑明暗條件(a)在中心形成一暗斑，越向外環(huán)越密，等厚條紋的級次越高。（3）討論(d)牛頓環(huán)可用來測量光波波長、檢測透鏡質(zhì)量等. (c)將牛頓環(huán)置于 的液體中，條紋變密。工 件標(biāo) 準(zhǔn) 件(b)測量透鏡的曲率半徑： 例題7 用氦氖激光器發(fā)出的波長為633nm的單色光做牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)，測得第k 個暗環(huán)的半徑為5.63mm , 第 k+5個 暗環(huán)的半徑為，求平凸透鏡的曲率半徑R.解：第五節(jié) 邁克耳孫干涉儀單色光源反射鏡 反射鏡與 成 角補(bǔ)償板 分光板 移動導(dǎo)軌