5.1光的干涉.ppt

1、,第五章光的波動性,1801年，英國物理學家托馬斯楊在實驗室里成功的觀察到了光的干涉現象,光學是物理學中最古老的一個基礎學科，又是當前科學研究中最活躍的學科之一。隨著人類對自然的認識不斷深入，光學的發(fā)展大致經歷了萌芽時期、幾何光學時期、波動光學時期、量子光學時期、現代光學時期等5個時期。,光學的發(fā)展簡介：,光是什么？ 在物理學的發(fā)展史上，光是什么的問題經歷過很長一段時間的爭論，包括牛頓、惠更斯和愛因斯坦在內的大批科學家均參與其中。正是他們大量的爭論，推動了光學的發(fā)展。,光的直線傳播,光的反射,光的折射,大量事實證明，光是直線前進的，可能是一個微小的粒子。,我們如果能看到光發(fā)生干涉、衍射等現象，

2、具有波特有的性質，那么我們就可以說光是一種波。,光學的發(fā)展簡介：,1、萌芽時期,我國的光學發(fā)展萌芽時期： （1）、對光的直線傳播的認識 早在春秋戰(zhàn)國時墨經已記載了小孔成像的實驗 （2）、對視覺和顏色的認識 （3）、光的反射和鏡的利用 （4）、對大氣光學現象的探討 （5）、關于成影現象的認識,光學的發(fā)展簡介：,2、幾何光學時期,這一時期可以稱為光學發(fā)展史上的轉折點。在這個時期建立了光的反射定律和折射定律，奠定了幾何光學的基礎。同時為了提高人眼的觀察能力，人們發(fā)明了光學儀器，第一架望遠鏡的誕生促進了天文學和航海事業(yè)的發(fā)展，顯微鏡的發(fā)明給生物學的研究提供了強有力的工具。,牛頓于公元1704年出版的光

3、學，提出了光是微粒流的理論，他認為這些微粒從光源飛出來。,光學的發(fā)展簡介：,3、波動光學時期,19世紀初，波動光學初步形成，其中托馬斯楊圓滿地解釋了“薄膜顏色”和雙狹縫干涉現象。菲涅耳于1818年以楊氏干涉原理補充了惠更斯原理，由此形成了今天為人們所熟知的惠更斯-菲涅耳原理，用它可圓滿地解釋光的干涉和衍射現象，也能解釋光的直線傳播。,惠更斯反對光的微粒說，1678年他在論光一書中從聲和光的某些現象的相似性出發(fā)，認為光是在“以太”中傳播的波所謂“以太”則是一種假想的彈性媒質，充滿于整個宇宙空間，光的傳播取決于“以太”的彈性和密度運用他的波動理論中的次波原理，惠更斯不僅成功地解釋了反射和折射定律，

4、還解釋了方解石的雙折射現象但惠更斯沒有把波動過程的特性給予足夠的說明，他沒有指出光現象的周期性，他沒有提到波長的概念,光到底是什么？,17世紀明確形成了兩大對立學說,牛頓,惠更斯,微粒說,波動說,19世紀初證明了波動說的正確性,由于波動說沒有數學基礎以及牛頓的威望使得微粒說一直占上風,19世紀末光電效應現象使得愛因斯坦在20世紀初提出了光子說：光具有粒子性,這里的光子完全不同于牛頓所說的“微?！?光學的發(fā)展簡介：,4、量子光學時期,19世紀末到20世紀初，光學的研究深入到光的發(fā)生、光和物質相互作用的圍觀機制中。光的電磁理論主要困難是不能解釋光和物質相互作用的某些現象，例如，熾熱黑體輻射中能量按

5、波長分布的問題，特別是1887年赫茲發(fā)現的光電效應。,1900年，普朗克從物質的分子結構理論中借用不連續(xù)性的概念，提出了輻射的量子論。他認為各種頻率的電磁波，包括光，只能以各自確定分量的能量從振子射出，這種能量微粒稱為量子，光的量子稱為光子。,1905年，愛因斯坦運用量子論解釋了光電效應。他給光子作了十分明確的表示，特別指出光與物質相互作用時，光也是以光子為最小單位進行的。,光學的發(fā)展簡介：,5、現代光學時期,從20世紀中葉起，隨著新技術的出現，新的理論也不斷發(fā)展，已逐步形成了許多新的分支學科或邊淵學科，光學的應用十分廣泛。幾何光學本來就是為設計各種光學儀器而發(fā)展起來的專門學科，隨著科學技術的

6、進步，物理光學也越來越顯示出它的威力，例如光的干涉目前仍是精密測量中無可替代的手段，衍射光柵則是重要的分光儀器，光譜在人類認識物質的微觀結構(如原子結構、分子結構等)方面曾起了關鍵性的作用，人們把數學、信息論與光的衍射結合起來，發(fā)展起一門新的學科傅里葉光學，把它應用到信息處理、像質評價、光學計算等技術中去。特別是激光的發(fā)明，可以說是光學發(fā)展史上的一個革命性的里程碑，由于激光具有強度大、單色性好、方向性強等一系列獨特的性能，自從它問世以來，很快被運用到材料加工、精密測量、通訊、測距、全息檢測、醫(yī)療、農業(yè)等極為廣泛的技術領域，取得了優(yōu)異的成績。此外，激光還為同位素分離、儲化，信息處理、受控核聚變、

7、以及軍事上的應用，展現了光輝的前景。,5.1光的干涉,一、雙縫干涉,雙縫干涉實驗證明光是一種波,1、裝置特點：,2、,屏上形成的明暗相間條紋叫做干涉圖樣,2）雙縫很近 0.1mm,1）雙縫S1、S2到單縫S的距離相等,雙縫的作用是獲得兩個振動情況完全相同的光源，叫相干光源(頻率相同),雙縫的作用：,單縫的作用：,獲得線光源,第二條亮紋,第一條亮紋,第一條亮紋,第二條亮紋,白光的干涉圖樣,明暗相間的彩色條紋； 中央為白色亮條紋； 干涉條紋是以中央亮紋為對稱點排列的； 在每條彩色亮紋中紅光總是在外側，紫光在內側。,單色激光束,屏,等間距,雙縫干涉圖樣,圖樣有何特征？,S1,S2,亮條紋的中心線,亮

8、條紋的中心線,雙縫,中央亮條紋,明暗相間,亮條紋,亮條紋,探究： 出現明暗相間條紋的條件,S1,S2,光程差：,出現亮條紋的條件,（ n=0，1，2，3）,暗條紋,探究： 出現暗條紋的條件,S1,S2,光程差：,出現暗條紋的條件,（ n=0，1，2，3）,亮條紋,暗條紋,小結：出現亮條紋和暗條紋的條件,（ n=0，1，2，3）,（ n=0，1，2，3）,白光的干涉圖樣,明暗相間的彩色條紋； 中央為白色亮條紋； 干涉條紋是以中央亮紋為對稱點排列的； 在每條彩色亮紋中紅光總是在外側，紫光在內側。,為什么會是這樣的呢？,條紋間距x、縫寬d和縫屏距離L的關系：,P85發(fā)展空間,因為，由結論可知：各種色

9、光的波長不相同，由不同的色光作光源，在雙縫寬度和縫、屏寬度相同的情況下，形成的干涉圖樣的條紋間距是各不相同的，紅光的條紋間距最寬，紫光的最窄。,條紋間距x、縫寬d和縫屏距離L的關系：,二、薄膜干涉,單色光成單色條紋；復色光成彩色條紋,二、薄膜干涉,形成干涉圖樣的原因是：重力作用下，薄膜的厚度隨高度變化，當入射光射到肥皂泡液薄膜上時，由液膜前的兩個表面反射回來的兩列光是相干光，相互疊加產生干涉。,三、應用,1、干涉法檢查平面的平整度,視頻：干涉的應用,牛頓環(huán),楔性空氣薄層,標準樣板,被檢測平面,光在空氣層的上下表面發(fā)生反射,這兩束反射光發(fā)生干涉.,如果被檢測表面的平整的,將看到與底線平行的干涉條

10、紋.,原因是厚度相等的地方，光程差一樣、干涉情況一樣，即某一處反射回來的兩列波疊加，若光振動加強，產生亮點，那些與這處厚度相等的地方都是亮點，這些亮點組成彼此平行的亮紋,反之是暗紋,三、應用,1、干涉法檢查平面的平整度,例、如圖所示，是用干涉法檢查某厚玻璃的上表面是否平整的裝置，所用單色光做光源，檢查中所觀察到的干涉條紋是由下列兩個表面反射的光線疊加而成的？ A、a的上表面和b的下表面 B、a的上表面和b的上表面 C、a的下表面和b的上表面 D、 a的下表面和b的下表面,C,練習：如右圖是用干涉法檢查某種厚玻璃的上表面是否平的裝置，所用單色光是用普通光源加濾光片產生的，檢查中所觀察到的干涉條紋

11、是由哪兩個表面反射的光疊加而成的( )Aa的上表面和b的下表面 Ba的上表面和b的上表面Ca的下表面和b的上表面Da的下表面和b的下表面,三、應用,2、增透膜,在鏡頭前面涂上一層增透膜(一般是,微溶于水),如果膜的厚度等于某單色光在增透膜中波長的四分之一時,那么在這層膜的兩側反射回去的光就會發(fā)生干涉，形成暗條紋,從而相互抵消,你在鏡頭前將看不到一點反光，因為根據能量守恒，這束光已經全部穿過鏡頭了。 為什么我們從來沒有看到沒有反光的鏡頭? 原因很簡單，因為可見光有七種顏色，而膜的厚度是唯一的，所以只能照顧到一種顏色的光讓它完全進入鏡頭。 一般情況下都是讓綠光全部進入的，這種情況下，你在可見光中看

12、到的鏡頭反光其顏色就是紅色、藍紫色，因為這反射光中已經沒有了綠光。 膜的厚度也可以根據鏡頭的色彩特性來決定。 可見增透膜的作用是減少反射光的強度，從而增加透射光的強度，使光學系統成像更清晰。,鍍層薄膜,三、應用,3、反射膜,反射膜一般可分為兩大類，一類是金屬反射膜，一類是全電介質反射膜。此外，還有把兩者結合起來的金屬電介質反射膜。 金屬反射膜的優(yōu)點是制備工藝簡單，工作的波長范圍寬；缺點是光損大，反射率不可能很高。為了使金屬反射膜的反射率進一步提高，可以在膜的外側加鍍幾層一定厚度的電介質層，組成金屬電介質反射膜。需要指出的是，金屬電介質射膜增加了某一波長（或者某一波區(qū)）的反射率，卻破壞了金屬膜中性反射的特點。 全電介質反射膜是建立在多光束干涉基礎上的。與增透膜相反，在光學表面上鍍一層折射率高于基體材料的薄膜，就可以增加光學表面的反射率。最簡單的多層反射是由高、低折射率的二種材料交替蒸鍍而成的,每層膜的光學厚度為某一波長的四分一。在這種條件下，參加疊加的各界面上的反射光矢量，振動方向相同。合成振幅隨著薄膜層數的增加而增加。,太陽灶用反射膜,練習：有關光學儀器上鏡頭的增透膜，下列說法正確的是：A增透膜是為了減少光的反射損失而增強透光的強度；B增透膜的厚度等