大物光的干涉ppt课件.ppt

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1、1,波 动 光 学,第 十一 章,2,一 光学的发展,二千多年历史：公元前500年左右,光是什么？,粒子性：牛顿 1704年光学,波动性：惠更斯1678年论光,波粒二象性：爱因斯坦 1905年 光量子理论,引言,3,4,5,物理光学 -波动光学-波动性,几何光学 -光传播的几何性质,现代光学-量子光学-量子性 -非线性光学 -信息光学 -光电子学、光子学,二 光学的内容,6,现代光学（量子光学-） 发射 传播 与物质相互作用 接收 几何光学 波动光学,7,现代光学 （量子光学）（光电子学）（光子学-）,经典光学 （几何光学） （波动光学）,8,生产、军事、医学、能源、科研、日常生活,三 光学的

2、应用,-各个领域,9,激光步枪,10,激光炮,11,激光切割机,12,13,14,15,16,17,18,Nobel Prize in Physics 2005,“对光学相干的量子理论的贡献 ”,Roy J. Glauber奥伊- 格拉贝尔1/2 of the prizeHarvard UniversityUSA,John L. Hall约翰-哈尔 1/4 of the prizeUniversity of Colorado, USA,Theodor W. Hnsch特奥多尔-汉什1/4 of the prizeMax-Planck-Institute, Germany,“对基于激光的精密光谱

3、学发展作出的贡献 ”,引言,19,Nobel Prize in Physics 2006,“宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性”,约翰马瑟 美国宇航局戈达德航天中心,乔治斯穆特美国加利福尼亚大学伯克利分校,20,Nobel Prize in Physics 2007,表彰他们发现巨磁电阻效应的贡献,法国艾尔伯-费尔,德国皮特-克鲁伯格,21,Nobel Prize in Physics 2008,预言”了量子世界自发性对称破缺现象的存在机制和根源,美籍小林诚,南部阳一郎,益川敏英,22,Nobel Prize in Physics 2009,23,光的干涉,一 理解相干光的条件及获得相干光的

4、方法. 二 掌握光程的概念以及光程差和相位差的关系，理解在什么情况下的反射光有相位跃变.,教学基本要求,24,三 能分析杨氏双缝干涉条纹及薄膜等厚干涉条纹的位置.,四 了解迈克耳孙干涉仪的工作原理.,教学基本要求,25,光的偏振,教学基本要求,END,光的衍射,26,光的干涉INTERFERENCE,27,一 光的相干性,频率相同、振动方向一致、位相差恒定.,1 光的相干条件,2 光的干涉现象,明（加强）、暗（减弱）相间的条纹,11-1 相干光,11-1 相干光,28,1 光是一种电磁波(横波),光矢量 矢量能引起人眼视觉和底片感光，叫做光矢量.,二 光波的基本特点,11-1 相干光,29,2

5、 光的单色性,单色光 具有单一频率的光。,可见光 波长 400-760 nm,频率 4.31014 - 7.51014HZ,复色光 各种频率复合起来的光。,（真空中）,11-1 相干光,30,紫 400-430nm蓝 430-450nm青 450-490nm绿 490-560nm黄 560-590nm橙 590-630nm红 630-760nm,632.8 nm,可见光波长范围：400-760 nm,实验室光源,钠光灯He-Ne激光器,589.3 nm,单位换算,11-1 相干光,31,三 光源及发光机理,1 光源 发光的物体称为光源。,11-1 相干光,光源发光类型,热辐射电致发光光致发光生

6、化发光受激辐射,32,各类发光二极管,深海发光鱼,荧光玩具,太阳,11-1 相干光,33,11-1 相干光,a 原子或分子所发的光是一个个很短波列,b 不同分子或原子发光具有各自独立性,c 同一分子或原子发光具有间歇性,2 普通光源发光特点,34,普通光源：自发辐射,独立（同一原子不同时刻发的光）,独立 （不同原子同一时刻发的光）,11-1 相干光,35,完全一样(频率、位相、 振动方向,传播方向),激光光源：受激辐射,11-1 相干光,36,普通光源发光特点： 原子发光是断续的，每次发光形成一长度有限的波列, 各原子各次发光相互独立，各波列互不相干.,11-1 相干光,两个独立光源非相干光,

7、同一光源不同部分发出的光也是非相干光,如何获得相干光呢?,37,基本思想：将同一光源同一部分发出的同一束光设法分成两束，让它们经过不同路径后相遇。,基本方法：分振幅法和分波阵面法。,11-1 相干光,四 获得相干光的方法,38,1)分振幅法,将普通光源上同一点发出的光利用反射或折射等方法使它一分为二，沿两条不同路径传播并相遇,如薄膜干涉等,11-1 相干光,39,2)分波阵面法,同一波阵面上取两部分作为相干光源,11-1 相干光,40,Thomas Young(17731829),英国物理学家、考古学家、医生、光的波动说奠基人之一。杨氏双缝干涉实验是最早利用单一光源，通过分波阵面法获得干涉现象

8、的典型实验。,11-2 双缝干涉,一 杨氏双缝干涉实验(1801),11-2 杨氏双缝干涉,41,1 实验装置,一个有单缝的屏： 产生“线光源” 一个有双缝的屏(缝间距很小约0.1毫米)：产生相干光 一个光屏：接收干涉图像,11-2 杨氏双缝干涉,42,实 验 示 意 图,11-2 杨氏双缝干涉,2 理论计算,43,二列波干涉加强和减弱的条件,位相差条件,加强,或波程差条件,加强,11-2 杨氏双缝干涉,减弱,减弱,44,减弱,暗纹,11-2 杨氏双缝干涉,45,(2) 条纹间距,(1) 明暗条纹中心的位置,一系列平行的明暗相间的等间距条纹；各级明暗纹在中央明纹两侧对称分布。,(3) 条纹特点

9、,x=0处, k=0,中央明纹,11-2 杨氏双缝干涉,其它地方的亮度介于最明和最暗之间,46,1) 条纹间距 与 的关系如何？,讨论:,11-2 杨氏双缝干涉,47,2) 若 变化, 则 将怎样变化？,11-2 杨氏双缝干涉,48,杨氏双缝实验中用白光照射时中央明纹为什么色？,白色,思考：,11-2 杨氏双缝干涉,*,两侧呢?,彩色条纹,49,中央明纹两侧出现彩色条纹，最靠近中央明纹的是什么颜色？,紫色,11-2 杨氏双缝干涉,50,二 菲涅耳双面镜,11-2 杨氏双缝干涉,51,S1,S2,S,M,d,P,11-2 杨氏双缝干涉,三 菲涅耳双棱镜,理论分析等效于杨氏双缝,52,四 劳埃德镜

10、,P,M,11-2 杨氏双缝干涉,干涉条件与杨氏双缝相反半波损失,53,四半波损失,11-2 杨氏双缝干涉,光由光疏介质(n小)射向光密介质(n大)时，在掠射（i90o)或正入射( i0o)时, 反射光位相较之入射光的相位有 的突变.,54,例1以单色光照射到相距为0.2mm的双缝上，双缝与屏幕的垂直距离为1m.(1)从第一级明纹到同侧的第四级明纹间的距离为7.5mm，求单色光的波长； (2)若入射光的波长为600nm，中央明纹中心距离最邻近的暗纹中心的距离是多少？,11-2 杨氏双缝干涉,55,d,解,(1),(2),已知,求,(1),(2),k=3,k=2,k=1,k=0,k=4,11-2

11、 杨氏双缝干涉,56,例2用白光作双缝干涉实验时，能观察到几级清晰可辨的彩色光谱？,解 用白光照射时，除中央明纹为白光外，两侧形成内紫外红的对称彩色光谱. 当k级红色明纹位置xk红大于k+1级紫色明纹位置x(k+1)紫时，光谱就发生重叠。据前述内容有,11-2 杨氏双缝干涉,57,将红=760nm，紫=400nm代入得：k=1.1,即：在中央白色明纹两侧， 只有第一级彩色光谱是清晰可辨的,由 xk红 = x(k+1)紫 的临界情况可得,因为k只能取整数，即k=2时条纹就重叠,11-2 杨氏双缝干涉,58,一 光程,光在真空中的速度,光在介质中的速度,介质中的波长,11-3 光程 薄膜干涉,59

12、,11-3 光程 薄膜干涉,60,波程差,相位差,介质中的波长,11-3 光程 薄膜干涉,61,物理意义：光程就是光在介质中通过的几何路程按相位差相等折合到真空中的路程.,(1)光程: 介质折射率与光的几何路程之积,11-3 光程 薄膜干涉,62,(2)光程差 (两光程之差),光程差,相位差,11-3 光程 薄膜干涉,63,11-3 光程 薄膜干涉,64,二 透镜不引起附加的光程差,11-3 光程 薄膜干涉,65,L,三 薄膜干涉,11-3 光程 薄膜干涉,66,11-3 光程 薄膜干涉,67,反射光的光程差,加 强,减 弱,11-3 光程 薄膜干涉,68,透射光的光程差,注意：透射光和反射光

13、干涉具有互补 性 ，符合能量守恒定律.,11-3 光程 薄膜干涉,69,当光线垂直入射时,当 时,当 时,11-3 光程 薄膜干涉,70,考虑半波损失时，附加波程差取 均可，符号不同， 取值不同，对问题实质无影响.,11-2 杨氏双缝干涉,71,例 一油轮漏出的油(折射率n1=1.20)污染了某海域, 在海水(n2=1.30)表面形成一层薄薄的油污.,(1)如果太阳正位于海域上空，一直升飞机的驾驶员从机上向正下方观察，他所正对的油层厚度为460 nm,则他将观察到油层呈什么颜色?,(2)如果一潜水员潜入该区域水下，并向正上方观察，又将看到油层呈什么颜色？,11-3 光程 薄膜干涉,72,解 (

14、1),绿色,已知,n1=1.20,n2=1.30,d=460 nm,11-3 光程 薄膜干涉,73,(2)透射光的光程差,红光,紫光,11-3 光程 薄膜干涉,74,增透膜和增反膜,利用薄膜干涉可以提高光学器件的透光率 .,11-3 光程 薄膜干涉,75,取,（增强）,氟化镁为增透膜,例 为了增加透射率，求氟化镁膜的最小厚度已知 空气n1=1.00，氟化镁 n2=1.38 ，=550 nm,则,11-3 光程 薄膜干涉,76,S,M,一 劈 尖,11-4 劈尖 牛顿环,77,明纹,暗纹,11-4 劈尖 牛顿环,78,劈尖干涉,11-4 劈尖 牛顿环,79,(2)相邻明纹（暗纹）间的厚度差,11

15、-4 劈尖 牛顿环,80,(3)条纹间距,11-4 劈尖 牛顿环,81,(4 )干涉条纹的移动,11-4 劈尖 牛顿环,82,例 1 波长为680 nm的平行光照射到L=12 cm长的两块玻璃片上，两玻璃片的一边相互接触 ，另一边被厚度=0.048 mm的纸片隔开. 试问在这12 cm长度内会呈现多少条暗条纹 ?,解,11-4 劈尖 牛顿环,83,共有142条暗纹,11-4 劈尖 牛顿环,84,(2)测膜厚,劈尖干涉的应用,11-4 劈尖 牛顿环,85,(3)检验光学元件表面的平整度,11-4 劈尖 牛顿环,86,(4)测细丝的直径,11-4 劈尖 牛顿环,87,二 牛顿环,由一块平板玻璃和一

16、平凸透镜组成,光程差,11-4 劈尖 牛顿环,88,牛顿环实验装置,显微镜,S,L,M 半透半反镜,T,11-4 劈尖 牛顿环,明纹,暗纹,光程差,11-4 劈尖 牛顿环,11-4 劈尖 牛顿环,(1)从反射光中观测，中心点是暗点还是亮点？从透射光中观测，中心点是暗点还是亮点？,(2)属于等厚干涉，条纹间距不等，为什么？,11-4 劈尖 牛顿环,(4)应用例子:可以用来测量光波波长，用于检测透镜质量，曲率半径等.,(3)将牛顿环置于 的液体中，条纹如何变？,11-4 劈尖 牛顿环,93,测量透镜的曲率半径,11-4 劈尖 牛顿环,94,例2 如图所示为测量油膜折射率的实验装置，在平面玻璃片G上

17、放一油滴，并展开成圆形油膜，在波长 的单色光垂直入射,G,下，从反射光中可观察到油膜所形成的干涉条纹已知玻璃的折射率为 ，油膜的折射率 ，问：当油膜中心最高点与玻璃,11-4 劈尖 牛顿环,95,片的上表面相距 时，干涉条纹是如何分布的？可看到几条明纹？明纹所在处的油膜厚度为多少 ?,G,解 条纹为同心圆,明纹,11-4 劈尖 牛顿环,96,油膜边缘,由于 故可观察到四条明纹 .,11-4 劈尖 牛顿环,97,11-4 劈尖 牛顿环,98,总结,(1)干涉条纹为光程差相同的点的轨迹，即厚度相等的点的轨迹.,11-4 劈尖 牛顿环,99,(2)厚度线性增长条纹等间距，厚度非线性增长条纹不等间距.

18、,(3)条纹的动态变化分析（ 变化时）,11-4 劈尖 牛顿环,100,(4)半波损失需具体问题具体分析.,11-4 劈尖 牛顿环,101,一 迈克耳孙干涉仪光路及结构,单色光源,反射镜,反射镜,11-5 迈克耳孙干涉仪,102,反射镜,反射镜,单色光源,光程差,11-5 迈克耳孙干涉仪,103,反射镜,反射镜,单色光源,11-5 迈克耳孙干涉仪,104,二 迈克耳孙干涉仪的主要特性,(1)两相干光束完全分开； (2)两光束的光程差可调.,移动反射镜,11-5 迈克耳孙干涉仪,105,干涉条纹的移动,当 与 之间距离变大时 ，圆形干涉条纹从中心一个个长出,并向外扩张, 干涉条纹变密；距离变小时，圆形干涉条纹一个个向中心缩进, 干涉条纹变稀 .,11-5 迈克耳孙干涉仪,106,插入介质片光程差,光程差变化,光程差,11-5 迈克耳孙干涉仪,107,介质片厚度,11-5 迈克耳孙干涉仪,108,例 在迈克耳孙干涉仪的两臂中，分别插入 长的玻璃管，其中一个抽成真空， 另一个则储有压强为 的空气 , 用以测量空气的折射率 . 设所用光波波长为546 nm，实验时，向真空玻璃管中逐渐充入空气，直至压强达到 为止 . 在此过程中 ，观察到107.2条干涉条纹的移动，试求空气的折射率 .,11-5 迈克耳孙干涉仪,109,解,已知,END,11-5 迈克耳孙干涉仪,