光的相干性課件

光的干涉光的干涉光的干涉第十七章interferenceoflightchapter17光的干涉光的干涉光的干涉第十七章interference

可見光是一種可被人眼所感覺的電磁波（波長390nm--760nm），是人類以及各種生物生存不可缺少的最普通的要素，但對它的規(guī)律和本性的認識經(jīng)歷了漫長的過程。牛頓根據(jù)日常生活中光的直線特點，提出了光是一種粒子的觀點；但是，在一百來年后的1801年，英國的托馬斯－楊等人通過實驗發(fā)現(xiàn)了光具有波的特點――能產(chǎn)生干涉、衍射等現(xiàn)象。于是，人們又慢慢接收了光是一種波的觀點。光學的發(fā)展可見光是一種可被人眼所感覺的電磁波（波長390nm-

到了1900年，德國的普朗克、愛因斯坦分別在解釋黑體幅射、光電效應等實驗時發(fā)現(xiàn)，光同時具有波動性與粒子性――波粒二象性。這是我們目前對光的本質(zhì)的認識。本篇關(guān)于光的波動規(guī)律的講解，基本上還是近200年前托馬斯·楊和菲涅耳的理論，當然還有許多應用實例是現(xiàn)代化的?，F(xiàn)代的許多高新技術(shù)中的精密測量與控制就應用了光的干涉和衍射的原理，激光的發(fā)明更使“古老的”光學煥發(fā)了青春。到了1900年，德國的普朗克、愛因斯坦分別在解釋§17-1相干光一、光的相干性顏色：紅~

紫

廣義：電磁波狹義：可見光，電磁波中的狹窄波段1.光§17-1相干光一、光的相干性顏色：紅~632.8656.3486.1589.3546.1常用的單色光源及波長氦氖激光鈉燈汞燈氫燈632.8656.3486.1589.3546.1常用的單色光矢量：光振動：光強：相對光強：光波：交變電磁場在空間傳播光矢量：光振動：光強：相對光強：光波：交變電磁場在空間傳播2.光波與機械波相干性比較相同：(2)光強分布：干涉項(1)相干條件振動方向相同頻率相同相位差恒定相長相消相長相消(3)2.光波與機械波相干性比較相同：(2)光強分布：干涉項(1不同：機械波源與光波波源特征不同容易滿足相干條件難以滿足相干條件一般光源的發(fā)光機制：被激發(fā)到較高能級的原子躍遷到低能級時，輻射出能量。例：氫原子光譜巴耳末系（可見光）一個原子，一次躍遷，發(fā)出一個光波波列3…542頻率一定振動方向一定初相一定不同：機械波源與光波波源特征不同容易滿足相干條件難以滿足相干持續(xù)時間有限:波列長度有限:斷續(xù)、脈沖式非嚴格單色波不同原子發(fā)出的波列單色光的波列波列的疊加單色光波：頻率恒定的一列無限長正弦（或余弦）光波。持續(xù)時間有限:波列長度有限:斷續(xù)、脈沖式非嚴格單色波不同原子

所以原子發(fā)射的光，其波列長度是有限的，光譜線都有一定寬度，通常說的單色鈉光燈發(fā)出的黃色光不是嚴格的單色光。氦-氖激光器發(fā)出的光也不是嚴格的單色光。波列越長，譜線寬度越窄，光的單色性越好。所以原子發(fā)射的光，其波列長度是有限的，光譜線都有一定不同原子發(fā)光、或同一原子各次發(fā)光頻率振動方向初相具有隨機性難以滿足相干條件均勻分布，非相干疊加兩普通光源或同一光源的不同部分是不相干的0不同原子發(fā)光、或同一原子各次發(fā)光頻率振動方向初相具有隨機性難發(fā)展狀況：(1)激光：產(chǎn)生機理不同，具有相干性普通光源：自發(fā)輻射完全相同激光：受激輻射頻率相位偏振態(tài)傳播方向(2)快速光電接收器件——皮秒技術(shù)可以觀察到十分短暫的干涉，甚至兩個獨立光源的干涉。發(fā)展狀況：(1)激光：產(chǎn)生機理不同，具有相干性普通光源：自3.從普通光源獲得相干光思路：將同一點光源、某一時刻發(fā)出的光分成兩束，再引導其相遇疊加(1)分波陣面法將同一波面上兩不同部分作為相干光源(2)分振幅法（分振幅~分能量）將透明薄膜兩個面的反射（透射）光作為相干光源①②③⑤④3.從普通光源獲得相干光思路：將同一點光源、某一時刻發(fā)出的光在分別討論兩種方法以前，先建立一個重要概念4.光程、光程差相干光源相干光源相干光在相遇點P

疊加的合振動強度取決于兩分振動的相位差如何簡化？在分別討論兩種方法以前，先建立一個重要概念4.光程、光程差相思路：設(shè)法將光在介質(zhì)中傳播的距離折合成光在真空中的距離，折合原則：在引起光波相位改變上等效。結(jié)論：光在折射率為n的介質(zhì)中前進x距離引起的相位改變與在真空中前進nx距離引起的相位改變相同.介質(zhì)中x距離內(nèi)波數(shù)：真空中同樣波數(shù)占據(jù)的距離介質(zhì)折射率l￠x真空介質(zhì)？思路：設(shè)法將光在介質(zhì)中傳播的距離折合成光在真空中的距離，折合定義：等效真空程S1S2r1r2n1n2P光程差：等效真空程之差光程差引起的相位差：統(tǒng)一為：光程差真空中波長當相長~

明相消~

暗定義：等效真空程S1S2r1r2n1n2P光程差：等效真空程若當明暗常見情況：(1)真空中加入厚d

的介質(zhì)、增加（n-1）d光程(2)光由光疏介質(zhì)射到光密介質(zhì)界面上反射時附加折射率n較小n較大（半波損失）(3)薄透鏡不引起附加光程（物點與象點間各光線等光程）若當明暗常見情況：(1)真空中加入厚d的介質(zhì)、增加（nThomasYoung1773--1829英國醫(yī)生、科學家托馬斯.楊1801年用雙縫干涉實驗證明了光的波動性，并首先測出太陽光的平均波長：該實驗對光的波動說的復蘇起到關(guān)鍵作用，在物理學史上占重要地位?！氨M管我仰慕牛頓的大名，但我并不因此非得認為他是百無一失的。我……遺憾地看到他也會弄錯，而他的權(quán)威也許有時甚至阻礙了科學的進步。”§17.2楊氏雙縫干涉實驗ThomasYoung英國醫(yī)生、科學家托馬斯.楊1801年(1)分波陣面法將同一波面上兩不同部分作為相干光源(2)分振幅法（分振幅~分能量）將透明薄膜兩個面的反射（透射）光作為相干光源①②③⑤④(1)分波陣面法將同一波面上兩不同部分作為相干光源(2)分當同一束光的兩部分從不同的路徑，精確地或者非常接近地沿同一方向進入人眼，則在光線的路程差是某一長度的整數(shù)倍處，光將最強，而在干涉區(qū)之間的中間帶則最弱，這一長度對于不同顏色的光是不同的。原稿中的插圖和論述裝置（原理圖）：單縫雙縫屏當同一束光的兩部分從不同的路徑，精確地或者非常接近地沿同一方線光源線光源k=2101光束實驗結(jié)果（1）當平行光垂直照射雙縫時，屏幕中央為明紋，向兩側(cè)分布明暗相間的條紋；（2）單色光條紋間距x。（3）對于復色光，明條紋有色散，內(nèi)側(cè)紫，外側(cè)紅k=2101光束實驗結(jié)果明暗紋條件屏單縫雙縫d明暗明暗k取值與條紋級次一致明暗紋條件屏單縫雙縫d明暗明暗k取值與條紋級次一致

條紋特點**k=+1k=-2k=+2k=0k=-1k=+1k=-2k=+2k=-1……I因為人眼分辨本領(lǐng)有限。光強太小處～暗。思考：為什么暗紋看上去也有寬度？條紋寬度：相鄰兩明（暗）紋中心間距。條紋特點**k=+1k=-2k=+2k=0k=條紋形態(tài)：平行于縫的等亮度、等間距、明暗相間條紋條紋亮度：條紋寬度：條紋變化：雙縫間距越小，條紋越寬屏幕距雙縫越遠，條紋越寬632.8nm的氦氖激光器產(chǎn)生的干涉條紋589.3nm的鈉黃光產(chǎn)生的干涉條紋條紋形態(tài)：平行于縫的等亮度、等間距、明暗相間條紋條紋亮度：條S*白光照射雙縫:零級明紋：白色其余明紋：彩色光譜高級次重疊。練習：用白光光源進行雙縫干涉實驗，求清晰可辯光譜的級次最先重疊：未重疊的清晰光譜只有一級。S*白光照射雙縫:零級明紋：白色其余明紋：彩色光譜高級次重疊

在楊氏做完雙縫實驗不久，曾有人持反對態(tài)度，認為該實驗中的干涉圖樣也許是由于光經(jīng)過狹縫邊時發(fā)生的復雜變化而引起的。時隔幾年之后，法國物理學家菲涅耳進行了著名的“菲涅耳雙面鏡”實驗，也發(fā)現(xiàn)了干涉現(xiàn)象，再次令人信服地證明了光的波動性。在楊氏做完雙縫實驗不久，曾有人持反對態(tài)度，認菲涅耳(A.J.Fresnel)雙鏡實驗

菲涅耳具有高超的實驗技巧和才能，面對許多物理學家傾向于不相信波動說而以微粒說來解釋有關(guān)現(xiàn)象，菲涅耳設(shè)計了一個新的實驗（著名的“菲涅耳雙面鏡”實驗），避開了衍射，而由反射光束產(chǎn)生出干涉現(xiàn)象。光源S的象S1和S2為相干光源。菲涅耳(A.J.Fresnel)雙鏡實驗菲涅耳具有

菲涅耳雙棱鏡光源S0的象S1和S2為相干光源。菲涅耳雙棱鏡光源S0的象S1和S2為相干光源。S'洛埃鏡注:

光源S和其象S′構(gòu)成相干光源。干涉條紋只存在于鏡上方。當屏移到鏡邊緣時，屏與鏡接觸處出現(xiàn)暗條紋－－－證明光在鏡子表面反射時有相位突變π。S'洛埃鏡注:三.光的空間相干性思考：能否通過增加單縫光源寬度來提高干涉條紋亮度?若單縫寬b:等效于許多平行線光源，彼此干涉條紋錯開，條紋清晰度下降直至消失考慮將縫光源垂直于軸上、下移動對干涉條紋的影響。屏單縫雙縫SS1S2S’條紋將向下平移如圖：三.光的空間相干性思考：能否通過增加單縫光源寬度來提高干涉由幾何關(guān)系可得b

的極限寬度：xI*描述光源線寬度對干涉條紋的影響。*反映擴展光源不同部分發(fā)光的獨立性。由幾何關(guān)系可得b的極限寬度：xI*描述光源線寬度對干涉條紋練習：在雙縫干涉實驗中，用折射率n＝1.58的玻璃膜覆蓋一條縫，屏上第7條明紋移動到原來中央明紋處，入射光波長550nm，求玻璃膜厚度。解：條紋下移，玻璃膜附加光程差為練習：在雙縫干涉實驗中，用折射率n＝1.58的玻璃膜覆蓋一條

例2以單色光照射到相距為0.2mm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)的第四級明紋間的距離為7.5mm，求單色光的波長；

(2)若入射光的波長為600nm,中央明紋中心距離最鄰近的暗紋中心的距離是多少？例2以單色光照射到相距為0.2mm的雙縫上，雙縫與屏解(1)(2)

已知求(1)

(2)

解(1)(2)已知求(1)(2)§17.3薄膜干涉一.光的相干性二.楊氏實驗（分波面兩束光的干涉）三.光的空間相干性四.分振幅兩束光的干涉1.一般性討論①②③⑤④介質(zhì)薄膜光波入射光(1)

反射光(2)、(3)相干光

透射光(4)、(5)相干光相遇§17.3薄膜干涉一.光的相干性四.分振幅兩束光的干涉1由幾何關(guān)系、折射定律(教材P130)涉及反射，考慮有無半波損失(2)有(3)無(2)無(3)有①②③⑤④由幾何關(guān)系、折射定律(教材P130)涉及反射，考慮有無半波損①②③⑤④考慮半波損失：(4)無(5)無(4)無(5)兩次明暗條紋條件：明k=1、2、3...暗k=0、1、2...①②③⑤④考慮半波損失：(4)無(5)無(4)無(5討論：設(shè)：討論：設(shè)：討論：同一入射角i

對應同一干涉條紋不同入射角對應不同條紋干涉條紋為一組同心圓環(huán)（內(nèi)疏外密）*等傾干涉討論：同一入射角i對應同一干涉條紋不同入射角對應不同條紋干薄膜同一厚度處對應同一干涉條紋薄膜不同厚度處對應不同干涉條紋條紋形狀與薄膜等厚線相同等厚干涉2.薄膜等厚干涉的典型裝置思路：裝置－光程差公式－明暗條紋條件－條紋特點－條紋變化－應用（1）劈尖（2）牛頓環(huán)薄膜同一厚度處對應同一干涉條紋薄膜不同厚度處對應不同干涉條紋（1）劈尖

裝置：兩光學平板玻璃一端接觸，另一端墊一薄紙或細絲單色、平行光垂直入射

明暗條紋條件明暗（1）劈尖裝置：兩光學平板玻璃一端接觸，另一端條紋寬度：兩相鄰暗紋間距或兩相鄰明紋中心間距。ILL相鄰明（暗）紋對應薄膜厚度差：

條紋特點形態(tài)(與薄膜等厚線相同)：平行于棱邊，明、暗相間條紋棱邊處:e=0,θLekek+1en條紋寬度：兩相鄰暗紋間距或兩相鄰明紋中心間距。ILL相鄰明（條紋變密白光入射出現(xiàn)彩條空氣劈尖充水條紋變密條紋變化：由此解釋肥皂泡、油膜表面的不規(guī)則彩色條紋。θLekek+1en條紋變密白光入射出現(xiàn)彩條空氣劈尖充水條紋變密條紋變化：由此解2）輕壓劈尖上表面，條紋如何變化？思考：1）劈尖上表面平行上移，條紋如何變化？條紋寬度不變條紋左移（向棱邊方向移）條紋變寬條紋右移（遠離棱邊方向移）2）輕壓劈尖上表面，條紋如何變化？思考：1）劈尖上表

應用舉例測量微小長度例：測量鋼球直徑用波長為589.3nm的鈉黃光垂直照射長L=20mm的空氣劈尖，測得條紋間距為求：鋼球直徑d。有解：由應用舉例測量微小長度例：測量鋼球直徑求：鋼球直徑d。有兩規(guī)端面平行由間距相同：長度差：1）兩組條紋間距相同，求長度差。例.

標準塊規(guī)待測塊規(guī)兩規(guī)端面平行由間距相同：長度差：1）兩組條紋間距相同，求長度無干涉條紋輕壓平板玻璃無干涉條紋輕壓平板玻璃例：劈尖底面有一凹槽，條紋形狀如何？

應用舉例檢測光學平面的平整度

由于同一條紋下的空氣薄膜厚度相同，當待測平面上出現(xiàn)溝槽時條紋向左彎曲。例：劈尖底面有一凹槽，條紋形狀如何？應用舉例檢測光學（2）牛頓環(huán)思考：比照劈尖的情況，得出牛頓環(huán)干涉條紋的特點裝置：平板玻璃上放置曲率半徑很大的平凸透鏡明暗紋條件：單色平行光垂直入射明暗（2）牛頓環(huán)思考：裝置：平板玻璃上放置曲率半徑很大的平凸透條紋特點：條紋為以接觸點為中心的明暗相間的同心圓環(huán)中心:為暗斑條紋的形狀取決于膜等厚線的形狀：等價于由角度逐漸增大的劈尖圍成：條紋內(nèi)疏外密條紋特點：條紋為以接觸點為中心的明暗相間的同心圓環(huán)中心:為暗明暗條紋內(nèi)疏外密白光照射出現(xiàn)彩環(huán)得明暗紋半徑：略去明暗條紋內(nèi)疏外密白光照射出現(xiàn)彩環(huán)得明暗紋半徑：略去