第十八波動光學(xué)演示文稿

第十八波動光學(xué)演示文稿目前一頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)（優(yōu)選）第十八波動光學(xué)目前二頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)解釋與實(shí)物作用過程（光的吸收與發(fā)射）中發(fā)生的現(xiàn)象解釋傳播過程（反射、折射、干涉、衍射和偏振）中發(fā)生的現(xiàn)象本章主要介紹光的波動性，光的粒子性在近代物理中介紹赫茲實(shí)驗(yàn)證實(shí)了光是電磁波的預(yù)言19世紀(jì)60年代麥克斯韋電磁波理論光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)等不能用波動說解釋20世紀(jì)初波動理論遭遇困難光具有波粒二象性表現(xiàn)為粒子表現(xiàn)為波動目前三頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)第一部分光的干涉目前四頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)§18-5邁克耳孫干涉儀§18-4由分振幅法產(chǎn)生的光的干涉§18-3光程和光程差薄透鏡的一個(gè)性質(zhì)§18-2由分波陣面法產(chǎn)生的光的干涉§18-1光源光的相干性目前五頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)教學(xué)基本要求1.理解獲得相干光的方法。3.能分析、確定楊氏雙縫干涉條紋及薄膜等厚干涉條紋的位置。4.理解邁克耳孫干涉儀的工作原理。2.掌握光程的概念以及光程差和相位差的關(guān)系。目前六頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)一.光源發(fā)射光波的物體1.熱輻射加熱維持物體的溫度，輻射就能持續(xù)進(jìn)行下去，稱為熱輻射。光波就是電磁波，任何物體都輻射電磁波。白熾燈太陽§18–1光源光的相干性目前七頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)

電致發(fā)光2.發(fā)光需依靠一些激發(fā)過程獲得能量維持輻射

光致發(fā)光

化學(xué)發(fā)光半導(dǎo)體發(fā)光二極管閃電熒光玩具節(jié)能燈螢火蟲霓虹燈目前八頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)3.同步輻射光源在同步輻射加速器中速度接近光速作環(huán)形運(yùn)動的電子迅速損失能量產(chǎn)生的輻射特點(diǎn)：方向性好、亮度高，還具有連續(xù)性、優(yōu)異的準(zhǔn)直性和易脈沖化等特性應(yīng)用：為晶體結(jié)構(gòu)研究，生物大分子和生物蛋白的結(jié)構(gòu)研究提供了高性能的光源北京的正負(fù)電子對撞機(jī)可提供同步輻射光目前九頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)1.普通光源（非激光光源）的發(fā)光機(jī)理原子發(fā)出的每一列光波是一段有限長的、振動方向一定、振幅不變或緩慢變化的正弦波。波列波列長L=c二.光的相干性每一波列持續(xù)時(shí)間約為普通光源發(fā)出的光是由構(gòu)成光源的大量原子或分子運(yùn)動狀態(tài)改變時(shí)發(fā)出的。波列長度的數(shù)量級為L=0.1m因波列持續(xù)時(shí)間過短，兩波列的干涉現(xiàn)象無法覺察。目前十頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)不同原子發(fā)的光同一原子先后發(fā)的光

同一原子先后發(fā)出的波列振動方向和頻率不一定相同，相位間無固定關(guān)系。

不同原子發(fā)出的波列振動方向和頻率也不一定相同，相位間無固定關(guān)系。

兩列波為相干波的條件：頻率相同，振動方向相同，在相遇點(diǎn)有恒定的相位差。

結(jié)論：兩個(gè)獨(dú)立光源發(fā)出的光波或同一光源兩部分發(fā)出的光波在相遇區(qū)觀察不到干涉現(xiàn)象。目前十一頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)2.相干光的獲得方法為實(shí)現(xiàn)光的干涉，可以從同一波列分離出兩個(gè)波列再令其重疊發(fā)生干涉。為得到明顯的干涉現(xiàn)象，還必須滿足：在相遇點(diǎn)兩列光波的光程（幾何路程與介質(zhì)折射率的乘積）不能相差太大在相遇點(diǎn)兩列光波的振幅不能相差太大光程差r1n1-r2n2相干長度一波列長應(yīng)盡量接近路程r1路程r2介質(zhì)折射率n2介質(zhì)折射率n1目前十二頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)通常產(chǎn)生相干光源的兩種方法：

分波陣面法

分振幅法利用并排的孔或縫或利用反射和折射將入射光的波陣面分成兩部分。利用兩種透明介質(zhì)的分界面對入射光的反射和透射，將入射光的振幅分成兩部分。目前十三頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)3.目前最好的相干光源——激光光源激光的波列長度比普通光源長得多，例如氦氖激光器產(chǎn)生的激光相干長度可達(dá)幾千米，再加上良好的單色性和方向性等，能產(chǎn)生易于觀察和測量的干涉現(xiàn)象。一個(gè)正在輻射激光的激光器激光產(chǎn)生的全息圖像目前十四頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)一.楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)S1S2S接收屏上形成的干涉圖樣狹縫視為縫光源光源雙縫接收屏縫光源S產(chǎn)生柱面波，雙縫S1和S2與S等距，位于同一波陣面上，相位相同，成為相干光源，發(fā)出的子波在相遇區(qū)發(fā)生干涉?！?8-2

由分波陣面法產(chǎn)生的光的干涉目前十五頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)因D>>d，S1、S2發(fā)出的光波到P

點(diǎn)的波程差為=dsindtanOP=x，

r1-

r2=S2B1.單色光入射時(shí)屏上明暗相間干涉條紋位置的計(jì)算垂直于縫長的平面內(nèi)同相面P·r1r2xxDOS1S2MBd波程差計(jì)算狹縫縫光源目前十六頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)若即初相相同的兩相干波疊加后加強(qiáng)與減弱的條件為合振幅最大合振幅最小出現(xiàn)明條紋若即出現(xiàn)暗條紋明條紋級次暗條紋級次目前十七頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)2.楊氏雙縫干涉的特點(diǎn)單色光干涉，相鄰明條紋（或暗條紋）的間距為干涉條紋等距離分布白光干涉，只有中央明條紋是白色，其它條紋發(fā)生重疊，形成彩色條紋明條紋間距明條紋間距中央明紋干涉條紋間距與單色光波長成正比目前十八頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)二.菲涅耳雙鏡實(shí)驗(yàn)

S1和S2相當(dāng)于兩個(gè)相干光源相鄰明條紋（或暗條紋）的間距為屏上出現(xiàn)明暗條紋的條件與楊氏實(shí)驗(yàn)結(jié)果的類似光源接收屏M1中鏡像M2中鏡像鏡面目前十九頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)例題18-1菲涅耳雙鏡ε=10-3rad，單色線光源S與兩鏡交線平行，r=0.5m，λ=500nm，L=2m。(1)求屏上兩相鄰明條紋的間距；(2)若ε=10-2rad，問條紋間距將怎樣改變？解（1）cosε≈1，sinε≈ε=10-3（2）當(dāng)ε=10-2rad時(shí)，有

ε變大時(shí)，條紋間距將變小，要獲得較大的條紋間距，ε必須很小。目前二十頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)三.勞埃德鏡實(shí)驗(yàn)平面鏡MM’下表面涂黑，光僅從上表面反射

S和S’相當(dāng)于兩個(gè)相干光源實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：反射光的相位改變了，稱為半波損失干涉條紋與楊氏實(shí)驗(yàn)結(jié)果的類似光源MM’中鏡像小平面鏡接收屏此處出現(xiàn)暗條紋目前二十一頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)光從光疏介質(zhì)（折射率較小）向光密介質(zhì)（折射率大）表面入射時(shí)，如果入射角接近（掠入射）或?yàn)椋ㄕ肷洌?，則反射光的相位改變

，即出現(xiàn)半波損失。理論和實(shí)驗(yàn)證明：n2n1正入射n2>n1掠入射法線目前二十二頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)例題18-2勞埃德鏡實(shí)驗(yàn)中，線光源S1到鏡面的垂距為1mm，D為1.5m，MM’=D/2，M’O為D/4。（1）求干涉區(qū)域上下兩邊到屏中心距離OA和OB；（2）若λ=600nm，求相鄰明條紋間距，并問屏上能觀察到幾條明條紋？S1S2MM'dABOCD解（1）由三角形相似，有OA=3mm，OB=0.333mm得目前二十三頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)（2）與楊氏實(shí)驗(yàn)相比，得相鄰明紋間距為由于有半波損失，光程差應(yīng)為明紋位置x應(yīng)滿足目前二十四頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)第一級明紋位置x1=0.225mm<OB，在干涉區(qū)外，觀察不到；將OB=0.333mm代入，得將OA=3mm代入，得k=7.17所以在屏上可以看到2，3，4，5，6和7級，共6條干涉明紋。目前二十五頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)設(shè)為單色光的頻率，c為光在真空中的傳播速度，v1為光在折射率為n1的介質(zhì)中的傳播速度。折射率的定義為設(shè)、1分別為光在真空中、介質(zhì)中的波長，則一.光在介質(zhì)中的波長§18-3

光程和光程差薄透鏡的一個(gè)性質(zhì)目前二十六頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)頻率為初相相同的兩相干光源S1、S2

的振動方程可寫為兩列波在P點(diǎn)引起的振動為二.光程、光程差PS2

n1r1

r2

n2S1這兩列波在P點(diǎn)的相位差為光程差目前二十七頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)SPn'

n''

r'

r''

折射率與幾何路程的乘積nr

稱為光程n'

r'+n''

r''

光在介質(zhì)中所走過的路程折算成相同時(shí)間內(nèi)光在真空中的路程在折射率為n

的介質(zhì)中光傳播的速度為v

，光在介質(zhì)中走過路程為r，所需要的時(shí)間為r/v

，在相同的時(shí)間內(nèi)，光在真空中走過的路程為S到P的光程為光程光波經(jīng)過兩種介質(zhì)目前二十八頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)相互加強(qiáng)相互減弱相互加強(qiáng)相互減弱兩相干光波在相遇點(diǎn)處的相位差及干涉條件為兩相干光波在同一介質(zhì)中傳播時(shí)，相位差僅決定于波程差δ=r2-

r1兩相干光波在不同介質(zhì)中傳播時(shí)，相位差應(yīng)決定于光程差δ=n2

r2-n1

r1干涉條件為目前二十九頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)當(dāng)光波波陣面垂直光軸時(shí)，光線通過透鏡，會聚點(diǎn)上光相互加強(qiáng)產(chǎn)生亮點(diǎn)，這表明各條光線相位相同。三.薄透鏡的一個(gè)性質(zhì)ABFS平行光會聚于焦點(diǎn)焦點(diǎn)發(fā)出的光成平行光焦面光軸同相面焦面光軸同相面AB目前三十頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)結(jié)論：理想的薄透鏡不會引起附加光程差A(yù)BCDEPSS’SS’物距大于焦距物距小于焦距平行光匯聚于焦平面目前三十一頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)分振幅法利用薄膜的兩個(gè)表面經(jīng)反射，把入射光的振幅分解為兩部分，相遇而產(chǎn)生干涉，這種干涉也叫薄膜干涉。油膜肥皂泡§18-4

由分振幅法產(chǎn)生的光的干涉目前三十二頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)一.平行平面膜產(chǎn)生的干涉光線2和光線3的光程差為123ABC面光源薄膜透鏡Nr目前三十三頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)P點(diǎn)出現(xiàn)明暗紋的條件為由幾何關(guān)系得折射定律目前三十四頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)如果薄膜是等厚膜，光程差只決定于入射角，相同入射角的光線光程差相同，形成同一干涉條紋——等傾干涉條紋。*等傾干涉條紋半透明玻璃片面光源透鏡焦面干涉圖樣等厚薄膜垂直入射目前三十五頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)反射光互相減弱時(shí)（約為入射光的1.3%），光程差為dn3=1.50n2=1.38n1=1空氣MgF2玻璃12平行平面薄膜干涉的應(yīng)用增透膜為減弱反射光，在光學(xué)元件表面鍍的一層厚度適當(dāng)?shù)耐该鹘橘|(zhì)膜照相機(jī)鏡頭n2d

稱為光學(xué)厚度目前三十六頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)增透膜用于冷光鏡對紅外光增透，降低光線的熱效應(yīng)，如用在電影放映機(jī)的光源上。增透膜紅外光可見光反光鏡例如對波長0=550nm的綠光，當(dāng)光學(xué)厚度為n2d=30/4=412nm時(shí)，反射率最小，但此時(shí)該薄膜對其它波長的光，反射率一般不是最小。目前三十七頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)多層反射膜（高反射膜）鍍膜也可增加反射，減少透射。每層膜反射光的光程差為…1.382.351.382.351.5玻璃ZnSZnSMgF2MgF20He-Ne激光器的反射鏡采用多層反射膜使波長為632.8nm的激光反射率高達(dá)99%以上鍍膜的反射鏡目前三十八頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)兩玻璃板形成一很小夾角，兩板間充滿空氣或其它流體，形成了劈形膜。二.劈尖（劈形膜）產(chǎn)生的干涉2反射光的干涉條紋此處厚度為dC上表面反射光下表面反射光1棱邊設(shè)劈尖中流體的折射率為n

，反射光2有半波損失，則反射光1和2光程差為設(shè)流體折射率n小于玻璃折射率目前三十九頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)在厚度d

處出現(xiàn)明、暗紋的條件為對應(yīng)于各級明、暗紋的厚度分別為棱邊處為暗紋棱邊處為明紋兩反射光間有半波光程差兩反射光間無半波光程差劈尖中流體的折射率和其兩側(cè)介質(zhì)折射率的影響目前四十頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)設(shè)l表示兩相鄰的明紋或暗紋之間距離，為劈尖夾角，有如下關(guān)系式lθdkdk+1ndk+1-dk兩相鄰明紋間距兩相鄰明紋處劈尖厚度差目前四十一頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)不同波長的光其干涉條紋寬度不同，波長越長，條紋越寬。討論：同一干涉條紋具有相同厚度，因而當(dāng)劈尖表面凸凹不平時(shí)，會出現(xiàn)條紋彎曲。同一波長的入射光，越小，

l越大（條紋越寬）；

越大，

l越?。l紋越細(xì)）。目前四十二頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)兩塊標(biāo)準(zhǔn)平晶產(chǎn)生的等厚干涉條紋兩塊有缺陷平晶產(chǎn)生的等厚干涉條紋目前四十三頁\總數(shù)五十頁\編于十八點(diǎn)例題18-3制造半導(dǎo)體元件時(shí)，常需要精確測定硅片上二氧化硅(SiO2)薄膜的厚度d

'

，這可用化學(xué)方法把SiO2薄膜的一部分腐蝕成劈尖形，若單色光從空氣垂直入射，已知入射光波長λ=589.3nm，SiO2的折射率n=1.5，Si的折射率為3.42，若觀察到如圖所示的7條明紋，問SiO2膜的