廈門理工學(xué)院大物下第十九章光的干涉

（一）相干光（二）楊氏雙縫干涉（三）光程（四）薄膜干涉（五）邁克耳孫干涉儀主要內(nèi)容當(dāng)前第1頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)19-1相干光當(dāng)前第2頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)一、光源及其發(fā)光

光源—發(fā)射光波的物體

類型自發(fā)輻射（非相干）(1)熱輻射(白熾燈等)(2)電致發(fā)光（稀薄氣體產(chǎn)生的輝光、發(fā)光二極管）(3)光致發(fā)光（利用光激發(fā)）(4)化學(xué)發(fā)光（利用化學(xué)反應(yīng)，如螢火蟲發(fā)光）受激輻射（相干）如激光光源當(dāng)前第3頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)電磁波譜可見光的波長范圍：400nm～760nm

光的顏色和電磁波譜當(dāng)前第4頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)普通光源的發(fā)光機(jī)理一、光源及其發(fā)光處在基態(tài)的電子處在激發(fā)態(tài)的電子原子模型當(dāng)前第5頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)一、光源及其發(fā)光處于激發(fā)態(tài)的原子會自發(fā)躍遷到低激發(fā)態(tài)或基態(tài)，向外輻射電磁波，是一種自發(fā)輻射。-13.6eV-3.4eV-1.5eV氫原子的發(fā)光躍遷波列L=c

一個(gè)原子每次只發(fā)出一段長度有限、頻率一定和振動方向一定的光波。光是一種電磁波。當(dāng)前第6頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)一、光源及其發(fā)光普通光源的發(fā)光特點(diǎn)

間歇性：各原子發(fā)光斷斷續(xù)續(xù)。

隨機(jī)性：每次發(fā)光是隨機(jī)的，各原子各次發(fā)光相互獨(dú)立，各波列的振動方向和振動初相位各不相同。獨(dú)立(不同原子發(fā)的光)獨(dú)立(同一原子先后發(fā)的光)··當(dāng)前第7頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)二、相干光波的相干條件頻率相同，振動方向相同，有恒定的相位差的兩束光相遇時(shí)，在疊加區(qū)域產(chǎn)生明暗穩(wěn)定分布的現(xiàn)象，稱為干涉現(xiàn)象，兩列波稱為相干波。兩個(gè)獨(dú)立普通光源發(fā)出的光不可能產(chǎn)生干涉。只有來自同一波列的光才是相干的。相干光：滿足干涉條件的光。相干光源：產(chǎn)生相干光的光源。當(dāng)前第8頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)光波的描述通常將光矢量振幅的平方稱為光強(qiáng)，即一、光源及其發(fā)光當(dāng)前第9頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)一、光源及其發(fā)光

單色光：只含單一波長的光。

復(fù)色光:含多種波長的光。

準(zhǔn)單色光:光波中包含波長范圍很窄的成分的光。當(dāng)前第10頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)相干光的獲得二、相干光振幅分割法波陣面分割法*光源分波陣面法分振幅法當(dāng)前第11頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)19-2楊氏雙縫干涉當(dāng)前第12頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)1801年，英國物理學(xué)家托馬斯·楊首先利用雙縫實(shí)驗(yàn)觀察到了光的干涉條紋，從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了光的波動性。1865年，英國物理學(xué)家麥克斯韋從他的電磁場理論預(yù)言了電磁波的存在，并認(rèn)為光就是一種電磁波。一、楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)當(dāng)前第13頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)當(dāng)前第14頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)一、楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)設(shè)狹縫S1、S2兩列光波波動方程分別為：

雙縫干涉實(shí)驗(yàn)

兩列波在P點(diǎn)產(chǎn)生的波動方程分別為：當(dāng)前第15頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)一、楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)在P點(diǎn)產(chǎn)生的合振幅：相位差：合成光強(qiáng)：當(dāng)前第16頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)一、楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)——相長干涉——相消干涉波程差影響干涉的重要因素光強(qiáng)極大光強(qiáng)極小當(dāng)前第17頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)一、楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)r2r1xPSS1S2DdOd>>λ，D>>d(d

10-4m,D

1m)波程差:波程差當(dāng)前第18頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)一、楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)

明暗條紋條件

01-12-2明紋級數(shù)12-1-2暗紋級數(shù)波程差為其它值的各點(diǎn)，光強(qiáng)介于最明和最暗之間。當(dāng)前第19頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)一、楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)01-12-2明紋級數(shù)12-1-2暗紋級數(shù)

明暗條紋中心位置

k稱為明（或暗）紋的級數(shù)屏幕中央（k=0）為中央明紋。（暗紋）（明紋）當(dāng)前第20頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)一、楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)條紋特點(diǎn)以O(shè)為中心，明暗相間，相互平行，等間距的條紋。O為明條紋。兩相鄰明紋（或暗紋）間距：當(dāng)前第21頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)一、楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)紫光相比紅光的條紋間距？光源為白光呢？白光入射的楊氏雙縫干涉照片當(dāng)前第22頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)S下移時(shí)，零級明紋上移，干涉條紋整體向上平移；S上移時(shí)，干涉條紋整體向下平移，條紋間距不變。當(dāng)d增大時(shí)，Δx減小，零級明紋中心位置不變，條紋變密集。當(dāng)d減小時(shí)，Δx增大，條紋變稀疏。當(dāng)D減小時(shí)，Δx減小，零級明紋中心位置不變，條紋變密集。當(dāng)D增大時(shí)，Δx增大，條紋變稀疏。一、楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)問題：①光源S位置改變，條紋如何變化：②雙縫間距d改變，中央條紋和條紋如何變化：③雙縫與屏幕間距D改變：當(dāng)前第23頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)二、菲涅耳雙鏡和勞埃德鏡實(shí)驗(yàn)菲涅耳雙鏡實(shí)驗(yàn)光欄等效于兩虛光源S1和S2發(fā)出的相干光的干涉。當(dāng)前第24頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)明條紋中心的位置屏幕上明暗條紋中心對O點(diǎn)的偏離x為：暗條紋中心的位置二、菲涅耳雙鏡和勞埃德鏡實(shí)驗(yàn)明暗條紋中心的位置當(dāng)前第25頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)二、菲涅耳雙鏡和勞埃德鏡實(shí)驗(yàn)接觸處,屏上L點(diǎn)出現(xiàn)暗條紋半波損失光源S1和S2是反相相干光源。PML勞埃德鏡實(shí)驗(yàn)當(dāng)前第26頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)有半波損失無半波損失入射波反射波折射波（透射波）折射波（透射波）沒有半波損失二、菲涅耳雙鏡和勞埃德鏡實(shí)驗(yàn)光由光疏介質(zhì)（光速較大）射向光密介質(zhì)（光速較?。r(shí)，反射光有π位相突變。入射波與反射波之間附加了一個(gè)半波長的波程差。半波損失當(dāng)前第27頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)明暗條紋的分布二、菲涅耳雙鏡和勞埃德鏡實(shí)驗(yàn)PML當(dāng)前第28頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)二、菲涅耳雙鏡和勞埃德鏡實(shí)驗(yàn)當(dāng)前第29頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)19-3光程及光程差當(dāng)前第30頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)問題：將雙縫干涉裝置由空氣中放入水中時(shí)，屏上的干涉條紋是否會發(fā)生變化？？當(dāng)前第31頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)一、光程光程真空中傳播路程為r時(shí)，相位變化：折射率n的介質(zhì)中，傳播路程為r時(shí)，相位變化：光在介質(zhì)中的波長是真空中波長的1/n。當(dāng)前第32頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)一、光程

光程的概念和意義

介質(zhì)中的相位變化：光程光程—光在介質(zhì)中幾何路程與折射率的乘積。

物理意義光在介質(zhì)中通過的幾何路程按相位差相等折合到真空中的路程。nr一般情況：當(dāng)前第33頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)二、光程差光程差相位差當(dāng)前第34頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)明暗條件二、光程差當(dāng)前第35頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)三、等光程性等光程性平行光線通過透鏡是否會引起附加光程差？透鏡不引起附加的光程差。Sacb··S·FABCFabc當(dāng)前第36頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)實(shí)驗(yàn)裝置放入水中后條紋間距變小。問題：將雙縫干涉裝置由空氣中放入水中時(shí)，屏上的干涉條紋是否會發(fā)生變化？再回到剛才的問題（空氣中）（水中）當(dāng)前第37頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)19-4薄膜干涉當(dāng)前第38頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)一、薄膜干涉薄膜干涉（等傾干涉）PLDC34E5A1B2兩束反射光光程差:當(dāng)前第39頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)一、薄膜干涉明暗條件反射光光程差

透射光光程差等傾干涉：條紋級次取決于入射角的干涉。當(dāng)前第40頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)一、薄膜干涉當(dāng)光線垂直入射時(shí)反射光光程差：當(dāng)前第41頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)一、薄膜干涉

增透膜

利用薄膜上、下表面反射光的光程差符合相消干涉條件來減少反射，從而使透射增強(qiáng)。

增反膜

利用薄膜上、下表面反射光的光程差滿足相長干涉，因此反射光因干涉而加強(qiáng)。增透膜和增反膜當(dāng)前第42頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)二、等厚干涉等厚干涉——劈尖夾角θ很小的兩個(gè)平面所構(gòu)成的薄膜形成劈尖。SM劈尖角兩相干光的光程差明紋暗紋等厚干涉(在空氣層上下兩表面):當(dāng)前第43頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)二、等厚干涉相鄰明(暗)紋對應(yīng)的厚度差K級明紋：K+1級明紋：相鄰明(暗)紋間距l(xiāng)L當(dāng)前第44頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)二、等厚干涉條紋分布特點(diǎn)（1）條紋級次k隨著劈尖的厚度而變化，因此這種干涉稱為等厚干涉。條紋為一組平行與棱邊的平行線。（2）由于存在半波損失，棱邊上為零級暗紋。當(dāng)前第45頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)二、等厚干涉劈尖的應(yīng)用(1)測膜厚當(dāng)前第46頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)(2)檢驗(yàn)光學(xué)元件表面的平整度二、等厚干涉當(dāng)前第47頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)例波長為的單色光垂直入射到一折射率為n的玻璃劈尖的表面，由于劈尖上表面某處不平，結(jié)果觀察到該劈尖的干涉條紋如圖所示。（1）劈尖上表面不平處凸起或凹下？（2）凸起的最大高度（或凹下的最大深度）為多少？解：（1）凹下（2）bH當(dāng)前第48頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)等厚干涉——牛頓環(huán)二、等厚干涉牛頓環(huán)干涉圖樣顯微鏡SLM半透半反鏡T實(shí)驗(yàn)裝置平板玻璃和平凸透鏡兩個(gè)玻璃面形成類似劈尖的空氣層。當(dāng)前第49頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)二、等厚干涉Rrd暗紋明紋明暗條紋條件當(dāng)前第50頁\共有54頁\編于星期二\3點(diǎn)明暗條紋半徑二、等厚干涉明環(huán)半徑暗環(huán)半徑明暗條紋分布特點(diǎn)中心為暗點(diǎn),由內(nèi)向外,