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1、前 言,光学研究对象：光的现象、光的本性和光与物质相互作用。人类对光的研究已有3000余年的历史，20世纪60年代激光问世后，光学有了飞速的发展，形成了现代光学。,几何光学：以光的直线传播规律为基础研究各种光学仪器的理论。,波动光学：研究光的电磁性质和传播规律，特别是干涉、衍射、偏振的理论和应用。(波动性）,波动光学和量子光学，统称为物理光学。,量子光学：以光的量子理论为基础，研究光与物质相互作用的规律。（粒子性）,蝉翅在阳光下,蜻蜓翅膀在阳光下,白光下的油膜,肥皂泡玩过吗?,第19章 光的干涉,19.1杨氏双缝干涉19.2相干光19.3光程19.4薄膜干涉19.5迈克耳孙干涉仪,4000紫,
2、7600红,光是电磁波可见光是能引起人的视觉的那部分电磁波发射光波的物体称为光源,一、光的电磁波本质：,1、光速和折射率,真空中,介质中,=2.99792458108 ms-1,折射率,光在介质中频率不变,2、光强,复色光：不同频率单色光的混合光称为复色光,单色光：具有单一频率的光波称为单色光,3 单色光,二、光源,光源：发光的物体,类型：普通光源(自发辐射)激光光源(受激辐射),如：白炽灯、弧光灯、太阳,如：激光,光源的发光特性,光源的最基本发光单元是分子、原子,=(E2-E1)/h,E1,E2,能级跃迁辐射,波列长 L=c,是波列持续时间,普通光源：自发辐射,独立（同一原子不同时刻发的光）
3、,独立（不同原子同一时刻发的光）,激光光源：受激辐射,完全一样(频率、位相、振动方向,传播方向),三、相干光,两同频单色光的叠加,光波中的电场矢量 称为光矢量。,非相干叠加,对于普通光源发出的光,如果,即两个光源发出的光之间具有确定的相位差，则把这两个光源称为相干光源，它们所发出的就是相干光。,相干叠加,平均光强：,相干条件：振动方向相同，频率相同，具有确定的相位差。(激光发出的光就是相干光）,当两束相干光在空间任一点相遇时，它们之间的相位差 随空间位置不同而连续变化，从而在不同位置上出现光强的强弱分布，这种现象就是光的干涉现象。,干涉相长（明）,(k=0,1,2,3),干涉相消（暗）,(k=
4、0,1,2,3),若,干涉的光强分布,四、从普通光源中获得相干光的原则 从一个原子一次发光中获得。,装置的基本特征,先分光 然后再相遇,五、分波面法 分振幅法,分波面法：从一次发光的波面上取出几部分再相遇。,相遇区,分束装置,衍射,分振幅法：一支光线中分出两部分再相遇。,分束,（18）,19.3 光程,为方便计算光经过不同介质时引起的相差，引入光程的概念。,定义,光程：=nr,例：,（19）,19.3 光程,物理意义,光在介质中几何路程 r，与在真空中几何路程 nr 所经历的相位变化相同。,光程的物理意义,真空中波长,（20）,19.3 光程,如图，计算光通过路程r1和r2在P点的相差。,（2
5、1）,19.3 光程,3.透镜不产生附加的光程差,光程1,光程2,光程3,光程1=光程2=光程3,（22）,一、实验装置(点源 分波面 相遇),2.强度分布,确定相干光束计算光程差根据相长、相消条件确定坐标,一、分波阵面法（杨氏实验),明条纹位置,明条纹位置,明条纹位置,19.1 杨氏双缝干涉,（23）,19.1杨氏双缝干涉,Thomas Young(17731829),1801年做成实验，确认了光的波动性。,几何：,很小(10-3 rad),Dd(D/d104),二、干涉明暗条纹的位置,光程差：,明纹,暗纹,（k=0，1，2，）,条纹间距,（1）平行于缝的明暗相间条纹,（3）中间级次低，两边
6、级次高,（4）,条纹特点：,（2）条纹等间距,明纹,暗纹,（k=0，1，2，）,条纹间距,（26）,白光入射的杨氏双缝干涉照片,红光入射的杨氏双缝干涉照片,三、光强公式 光强曲线1 光强公式由I=I1+I2+2(I1I2)1/2cos,若I1=I2=I0，则有,其中,*合成的最大光强是原光强的4倍。,I,4I0,例1 杨氏双缝的间距为0.2mm，距离屏幕为1m。（1）若第一到第四明纹距离为7.5mm，求入射光波长。（2）若入射光的波长为600nm，求相邻两明纹的间距。,解：,选D,例2 将杨氏双缝的其中一缝（如下面的缝）关闭，再在两缝的垂直平分线上放一平面反射镜M，则屏上干涉条纹的变化情况是：
7、（A）干涉条纹消失；（B）和没关闭前一样整个屏上呈现干涉条纹；（C）和关闭前一样，只是干涉图样呈现在屏的上半部；（D）在屏的上半部呈现干涉条纹，但原来的亮纹位置现在被暗纹占据。,用折射率 n=1.58 的很薄的云母片覆盖在双缝实验中的一条缝上，这时屏上的第七级亮条纹移到原来的零级亮条纹的位置上。如果入射光波长为 550 nm。,解,设云母片厚度为 d。无云母片时，零级亮纹在屏上 P 点，则到达 P 点的两束光的光程差为零。加上云母片后，到达P点的两光束的光程差为,当 P 点为第七级明纹位置时,例3,求 此云母片的厚度是多少？,r1-r2=7x,r1(r2+nd-d)=0,一、反射光的相位突变和
8、附加光程差,半波损失：光从光疏媒质到光密媒质的分界面上反射时，反射光有 相位突变，相当于一个附加光程差：,在薄膜上下表面反射的两束光发生附加光程差/2的条件：,n1 n3 或 n1 n2 n3,19.4 薄膜干涉,注意：反射光发生在光疏介质到光密介质时的半波损失。,n2,n1,n3,n1n2n3,或n1 n3,或n1n2n3,n2,n1,n3,n1n2n3,反射光无半波损失。,2,1,2,1,反射光有半波损失。,二、等倾干涉条纹,光经薄膜上下两表面反射后相互叠加所形成的干涉现象，称为薄膜干涉。振幅分割法,可分成等倾干涉和等厚干涉两类。,点光源照射到表面平整，厚度均匀的薄膜上产生的干涉条纹，称等
9、倾干涉条纹。,对于两反射光：,半波损失,明纹,暗纹,1.由于薄膜厚度均匀，光程差由入射角确定，对于同一级条纹具有相同的倾角，因此称为等倾干涉条纹。,3.是否要考虑半波损失看具体情况而定。,讨论,2.对于透射光，,与反射光的干涉条纹形成互补。,三、增透膜和高反射膜（垂直入射）,若n n0,增透膜的最小厚度：,利用薄膜干涉使反射光减小，这样的薄膜称为增透膜。(等倾）,高反射膜(HLHLH),反射镜表面交替镀上光学厚度均为/4n的高折射率ZnS膜和低折射率的MgF2膜，形成多层高反射膜。,1、反射光叠加,2、折射光叠加,增反膜增透膜,增透膜增反膜,1,4,n1n2,n1,n2,n1,e,2,3,*分
10、振幅法,均厚膜干涉（垂直入射）,例题 在玻璃表面镀上一层MgF2薄膜，使波长为=5500 的绿光全部通过。求：膜的厚度。,解一：使反射绿光干涉相消 由反射光干涉相消条件,取k=0,=2 n2 e=(2k+1)/2,=996(),无半波损失！增透膜-干涉相消,问题：此时反射光呈什么颜色？,2n2e=k,1=2n2e=8250,取k=1,2=2n2e/2=4125,取k=2,反射光呈现紫蓝色。,由,练习：一油轮漏出的油(n2=1.20)污染了某海域,在海水(n3=1.30)表面形成一层薄的油污.如果太阳正位于海域上空,一直升飞机的驾驶员从机上向下观察,他所正对的油层厚度为460nm,则他将观察到油
11、层呈什么颜色?如果一潜水员潜入该区域水下,又将观察到油层呈什么颜色?,解:飞机上观察的是反射光条纹,由于 n1 n2n3 有=2n2e,由干涉加强条件=k有,k=1,1=2 n2e=1 104nmk=2,2=n2e=552nm,可见光范围内是绿光,同理,k=2,2=736 nm；k=3,3=441.6nm k=4,4=315.4 nm 可见光范围内是红光和紫光,潜水员观察的是反射光干涉相消，透射光干涉相长,四、等厚干涉条纹,平行光照射到表面平整，厚度不均匀的薄膜上产生的干涉条纹。,薄膜厚度d 相同之处对应于同一级条纹，因此称为等厚干涉条纹。,光线垂直入射时：,明纹,暗纹,1、劈尖膜,平行光垂直
12、入射，薄膜上下表面之间夹角极小。,明纹,暗纹,条纹特点,形状：平行于劈尖棱边的直条纹,条纹等间距分布。,q很小,e,n1n2n1,相邻条纹所对应的厚度差：,条纹级次分布：厚度越大，级次越高。,劈尖处为0级暗纹半波损失,相邻条纹间距：,劈尖膜干涉的应用,测量微小直径、厚度，表面平整度、平行度等。,测波长、折射率,例2 为了测量金属细丝的直径，把金属丝夹在两块平玻璃之间，形成劈尖，如图所示，如用单色光垂直照射，就得到等厚干涉条纹。测出干涉条纹的间距，就可以算出金属丝的直径。某次的测量结果为：单色光的波长=589.3nm金属丝与劈间顶点间的距离L=28.880mm，30条明纹间得距离为4.295mm,求金属丝的直径D？,解：,相邻两条明纹间的间距,光的干涉小结,一、干涉条件：,明条纹,暗条纹,级数,会用干涉条件求条纹位置！,(,),L,0,1,2,3,=,2,1,2,k,k,k,+,=,l,l,d,Dd=l/2n2l=Dd/q,二、干涉特例：,
