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文檔簡介

上節(jié)課內(nèi)容相干光

1.發(fā)光的原理

2.普通光源產(chǎn)生相干光的方法二.雙縫干涉實(shí)驗(yàn)基本思想:PS

*·P薄膜S*分波面法將同一光源同一次發(fā)出的波列分為兩束光,分別通過不同的路徑后,再令其疊加,則它們自然滿足相干條件,從而得到相干光。分振幅法上一節(jié)討論了利用普通光源獲得相干光“分振幅法”獲得相干光——薄膜干涉有兩種方式:楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)薄膜干涉●●楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)通常情況下,

D>>d,

θ很小暗紋明紋

條紋間距兩相鄰明紋或暗紋的間距與波長成正比§3.6;3.7“分振幅法”獲得相干光——薄膜干涉一.薄膜干涉現(xiàn)象二.薄膜干涉的一般公式三.等傾干涉四.等厚干涉薄膜干涉現(xiàn)象并不陌生,陽光照射在肥皂膜或者油膜上,薄膜表面常出現(xiàn)美麗的彩色花紋,這就是薄膜干涉現(xiàn)象。一.薄膜干涉現(xiàn)象需要說明:這里的光源為面光源,而不是前面所用的線光源或點(diǎn)光源。面光源又叫擴(kuò)展光源,面光源需要考慮光源的發(fā)光面積,下面通過一個(gè)例子來看看薄膜干涉是如何產(chǎn)生的。一.薄膜干涉現(xiàn)象假設(shè)陽光照射到一層油膜上,用人眼觀察薄膜表面上任一點(diǎn)B時(shí),B●S進(jìn)入人眼的光線是這樣的:從面光源上S點(diǎn)發(fā)出的光線入射到薄膜上,在薄膜上表面點(diǎn)B處,入射光線分為反射光線和折射光線,一.薄膜干涉現(xiàn)象反射光線為a,折射光線經(jīng)薄膜下表面反射到上表面,又折射成為光線b,a

bB●S光線a和b來自同一光束,具有相同的頻率、振動(dòng)方向、相位差恒定,為兩束相干光,經(jīng)過人眼(透鏡)會(huì)聚一點(diǎn),發(fā)生干涉現(xiàn)象。一.薄膜干涉現(xiàn)象同樣C點(diǎn)也有相同的結(jié)論。●BSC如果入射光為單色光,薄膜表面將出現(xiàn)明暗相間的干涉條紋,陽光為復(fù)色光,所以看到的是彩色條紋。光程差等于半波長的偶數(shù)倍,人眼看到B處是亮的,光程差等于半波長的奇數(shù)倍,人眼看到B處是暗的。a

b一.薄膜干涉現(xiàn)象●BSC由于反射光a和折射光b來自同一光束,只是能量不同,它們的能量是由入射光分出來的,因此形象地說入射波的振幅被“分割”成若干部分,這樣獲得相干光的方法稱為——“分振幅法”。以上是薄膜干涉的原理,下面進(jìn)行定量分析在薄膜上產(chǎn)生明暗條紋的條件。a

b二.薄膜干涉的一般公式1231n2n1ndCBA設(shè)一厚度為d,折射率為n2的薄膜處于折射率為n1的介質(zhì)中面光源上一點(diǎn)S發(fā)出一束光1入射到薄膜上表面的點(diǎn)A處反射光線為2,折射光線經(jīng)薄膜下表面反射到上表面,又折射成為光線3,入射光線在點(diǎn)A分為反射光線和折射光線●S二.薄膜干涉的一般公式1231n2n1ndCBA●S光線2和光線3為平行光,經(jīng)過透鏡會(huì)聚一點(diǎn)P,

2和3為相干光,它們來自同一光束,具有相同的初相位,相位差僅決定于光程差。過C做光線2的垂線CD光線2和光線3,在P點(diǎn)的光程差,等于光程ABC和光程AD之差。LP●D1231n2n1ndCBA●SLP●D光線2和光線3,在P點(diǎn)的光程差,?光線2是光由光疏媒質(zhì)入射到光密媒質(zhì)反射而成,在反射點(diǎn)要發(fā)生半波損失,所以產(chǎn)生附加光程差。在B點(diǎn)發(fā)生半波損失嗎?1231n2n1ndCBA●SLP●D光線2和光線3,在P點(diǎn)的光程差,過A點(diǎn)做兩介質(zhì)面的法線光線入射角為i折射角為ririr1231n2n1ndCBA●SLP●Dirir折射定律1231n2n1ndCBA●SLP●Dirir1231n2n1ndCBA●SLP●Dirir折射定律1231n2n1ndCBA●SLP●Dirir減弱加強(qiáng)減弱加強(qiáng)1231n2n1ndCBA●SLP●Dirir上述光線2和光線3是經(jīng)薄膜上下表面反射而成的。*經(jīng)過薄膜的透射光也有干涉現(xiàn)象在反射點(diǎn)C處光線是由光密媒質(zhì)入射到光疏媒質(zhì),不發(fā)生半波損失,所以不產(chǎn)生附加光程差。光線4和光線5光程差5E4反射光透射光加強(qiáng)與減弱的情況正好相反1231n2n1ndCBA●SLP●Dirir5E4當(dāng)介質(zhì)一定時(shí),n1,n2一定的,薄膜上不同點(diǎn)來說d不同,光線入射角i也可能不同,干涉圖樣取決于d和i。下面根據(jù)d和i不同來討論薄膜干涉的兩種具體情況:等厚干涉和等傾干涉三.等傾干涉當(dāng)薄膜為厚度均勻的平面膜干涉條件:暗紋明紋等傾干涉現(xiàn)象

1231n2n1ndCBA●SLP●Dirir5E4d為常數(shù),光程差決定于傾角i,凡以相同傾角入射到厚度均勻的平面膜上的光線,經(jīng)薄膜上下表面反射后產(chǎn)生的相干光束有相等的光程差,因而它們干涉相長或相消的情況一樣。因此這樣形成的干涉條紋稱為等傾條紋。1231n2n1ndCBA●SLP●Dirir5E4

實(shí)驗(yàn)裝置LPo

r環(huán)

dnnn>nir·21Si

·ii條紋特點(diǎn)形狀:一系列同心圓環(huán)

明暗:干涉條紋更加明亮越大條紋級(jí)次越小條紋級(jí)次分布:條紋間隔分布:內(nèi)疏外密越大條紋越密膜厚變化時(shí),條紋的移動(dòng):

dnnn>niL21iPo

r環(huán)iiSr討論當(dāng)薄膜厚度d一定時(shí),愈靠近中心,入射角i愈小,折射角r也越小,越大,上式給出的k越大越大條紋級(jí)次越小條紋級(jí)次分布:

dnnn>niL21iPo

r環(huán)iiSr討論這說明,越靠近中心(rk越?。?,條紋的級(jí)次越高,在中心處rk=0,級(jí)次最高。且越大條紋級(jí)次越小條紋級(jí)次分布:

dnnn>niL21iPo

r環(huán)iiSr討論可得相鄰兩條紋的角間距條紋間隔分布:內(nèi)疏外密越大條紋越密

dnnn>niL21iPo

r環(huán)iiSr討論內(nèi)疏外密越大條紋越密條紋間隔分布:內(nèi)疏外密

dnnn>niL21iPo

r環(huán)iiSr討論當(dāng)薄膜厚度d增大時(shí),中央條紋變暗,逐漸又變?yōu)榱涟?,?jí)次比原來增加1,持續(xù)增大薄膜厚度d,從中央不斷地有條紋“冒出”。膜厚變化時(shí),條紋的移動(dòng):

應(yīng)用——增透(射)膜和增反射膜(自學(xué))回答問題:為什么望遠(yuǎn)鏡的鏡頭呈藍(lán)紫色?例1用白光照射到折射率為1.33的肥皂膜上,若從45°角方向觀察薄膜呈現(xiàn)綠色(500nm),(1)試求薄膜最小厚度。(2)若從垂直方向觀察,肥皂膜正面呈現(xiàn)什么顏色?解:解:可見光在空氣中的波長范圍

350nm——760nm(2)若從垂直方向觀察,肥皂膜正面呈現(xiàn)什么顏色?四.等厚干涉當(dāng)時(shí)暗紋明紋光程差取決于薄膜的厚度,厚度相同的點(diǎn),其明或暗的情況相同,所以這種薄膜干涉稱作等厚干涉

劈尖最簡單的劈尖就是用兩塊平面玻璃片,一端相互疊合,另一端夾一薄紙片,n玻璃空氣劈尖薄紙片因此,在兩玻璃片之間形成一劈尖形空氣薄膜,稱為空氣劈尖。兩玻璃交線稱為棱邊,平行棱邊方向,空氣薄膜的厚度相等。

劈尖nl①②讓平行光垂直入射劈尖(i=0),光線經(jīng)空氣薄膜上下表面反射,當(dāng)在膜的上表面附近相遇,發(fā)生干涉。因此當(dāng)觀察介質(zhì)表面時(shí)就會(huì)看到干涉條紋。以d表示在入射點(diǎn)處膜的厚度,則兩相干的反射光在相遇時(shí)的光程差為

劈尖暗紋明紋nl①②由干涉條件可以看到,k

與膜厚度d相對(duì)應(yīng),介質(zhì)膜上平行棱邊的一條線具有同樣厚度——叫等厚線;暗紋明紋nl①②劈尖干涉的結(jié)果為平行棱邊的一系列明暗相間的直條紋;在兩塊玻璃片接觸處,暗紋明紋所以應(yīng)看到暗條紋,而事實(shí)正是這樣,這是“半波損失”的一個(gè)有力的證據(jù)。注意:nl①②任何兩個(gè)相鄰的明條紋或暗條紋之間所對(duì)應(yīng)的空氣層厚度之差為:暗紋明紋nl①②暗紋明紋任何兩個(gè)相鄰的明條紋或暗條紋之間的距離θ

越小,干涉條紋愈疏,

θ越大,干涉條紋愈密。nl①②應(yīng)用:測(cè)波長:已知θ、n,測(cè)L可得λ測(cè)折射率:已知θ、λ,測(cè)L可得n

測(cè)細(xì)小直徑、厚度、微小變化Δh待測(cè)塊規(guī)λ標(biāo)準(zhǔn)塊規(guī)平晶測(cè)表面不平度等厚條紋待測(cè)工件平晶

牛頓環(huán)在一塊光平的玻璃片B上,放一曲率半徑R很大的平凸透鏡A,在A

、B之間形成一劈形空氣薄膜l①②空氣薄膜當(dāng)垂直入射的單色平行光透過平凸透鏡后,在空氣薄膜的上、下表面發(fā)生反射,這兩束光是相干光,它們?cè)谕哥R下表面處相遇而發(fā)生干涉,

牛頓環(huán)l①②光程差暗紋明紋由牛頓環(huán)結(jié)構(gòu)可知,等厚線為以接觸點(diǎn)為圓心的同心圓,所以牛頓環(huán)干涉圖樣為同心的明暗相間的圓環(huán)。接觸點(diǎn)暗斑下面確定明、暗圓環(huán)的半徑:olR①②光程差:k=1,2,…第k個(gè)明環(huán)半徑明環(huán):略去光程差:(k=0,1,2,…)第k個(gè)暗環(huán)半徑暗環(huán):r越大條紋越密olR①②應(yīng)用:測(cè)透鏡球面的半徑R:

已知,測(cè)

m、rk+m、rk,可得R

。測(cè)波長λ:

已知R,測(cè)出m

、

rk+m、rk,

可得λ。檢驗(yàn)透鏡球表面質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)規(guī)待測(cè)透鏡暗紋上面介紹的劈尖和牛頓環(huán)的干涉現(xiàn)象,都是在薄膜的反射光中看到的,在透射光中,也同樣有干涉條紋,但這時(shí)條紋的明暗情形與反射時(shí)恰好相反,在接觸處為明紋(為什么)。上面用的都是單色光,若用復(fù)色光(如白光)將會(huì)看到彩色條紋看到的級(jí)次少,為什么?例1利用空氣劈尖的等厚干涉條紋可以檢測(cè)工件表面存在的極小的凹凸不平。在顯微鏡下觀察干涉條紋。試根據(jù)干涉條紋彎曲的方向,說明工件表面是凹還是凸?并證明深度可用下式求的。在經(jīng)過精密加工的工件表面上放一光學(xué)平面玻璃,使其間形成空氣劈尖,用單色光垂直照射玻璃表面解:干涉條紋彎曲說明工件表面不平,因?yàn)閗

級(jí)干涉條紋各點(diǎn)都相應(yīng)于同一氣隙厚度,如果條紋向劈尖棱的一方彎曲,由式說明該處氣隙厚度有了增加,可判斷該處為下凹例2、用波長為λ的平行單色光垂直照射圖中所示裝置,下半部分為一圓柱形凹

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