光学干涉1.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,波动光学,光的干涉,光的衍射,光的偏振,光学,几何光学：,研究光在透明介质中传播问题,波动光学：,以光的波动性为基础，,研究光的传播及其规律问题,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,波动光学,一、,光是电磁波：,是频率在一定范围内电磁波（波长在,400760nm),，,是对人眼能产生视觉的电磁波。电磁波是横波。,Z,E,u,Y,H,X,引起视觉和化学效应的是电磁波中的电场强度矢量,E,，,因此，常把,E,矢量称为“,光矢量,”。,光的干涉,（,Interference of light,）,1,光源 单色光 相干光,二、电磁波谱,电磁波：工业电 无线电波 微波,X,射线,射线 宇宙射线,波长：,10,5,10,4,1,1,10,-3,(m),10,-7,10,-13,3 10,-8,10,-14,10,-14,(m),10,-3,m,770 nm,760,400 nm 400,1 nm,红外线,可见光,紫外线,=,(,E,2,-E,1,),/h,E,1,E,2,能级跃迁辐射,波列,波列长,L=,c,1.,普通光源：,自发辐射,独立,(,不同原子发的光,),独立,(,同一原子先后发的光,),(10,-8,s),三,.,光源,任何发光的物体都称为光源。,光源的最基本发光单元是分子、原子。,2.,激光光源：,受激辐射,=(E,2,-E,1,)/h,E,1,E,2,完全一样,(,频率,位相,振动方向,传播方向,),四,.,单色,光,与复色光,1.,单色光：,具有单一频率（波长）的光波,2.,复色光：,具有不同频率（波长）的复合光,在原子中有许多能量状态,能级，当原子从不同的能级跃迁到基态时，能级差不同，辐射的电磁波的频率也不同，相应的波长也不同。,E,i,+1,E,i+,1,E,i,E,i,五,.,光的相干性,1.,两列光波的叠加,(,只讨论,电振动,),p,1,2,r,1,r,2,P:,1,2,E,0,E,10,E,20,严格的单色光是不存在的,频率范围,表示波长与强度关系的曲线,光谱线,光谱线波长范围越窄,光的单色性越好,0,o,I,I,0,I,0,/2,谱线宽度,非相干光源,I=I,1,+,I,2,非相干叠加,完全,相干光源,相长干涉（明）,(,k,=0,1,2,3,),相消干涉（暗）,(,k,=0,1,2,3,),2,*,.,条纹衬比度,（对比度，反衬度）,如果两束光：,频率相同，振动（光矢量）方向平行，相位差恒定,，这两束光称为,相干光,，合成后在空间形成强弱相间的稳定分布,相干叠加,。,I,o,2,-2,4,-4,4,I,1,3.,普通光源获得相干光的途径,p,S,*,分波面法,分振幅法,p,薄膜,S,*,衬比度差,(,V,d),M,c,从,S,1,和,S,2,到达,P,点的波程差：,从,S,1,和,S,2,到达,P,点的相差：,相长干涉,相消干涉,讨论：,零级明纹,:,k=0,x=0,r,2,-r,1,=0,各级明纹中心位置,各级暗纹中心位置,相邻明,(,暗,),纹宽度,问题,:,1.,当保持两缝间距不变，移动屏幕时，条纹如何变化？,2.,当保持屏幕不动，改变两缝间距时，条纹如何变化？,从,S,1,和,S,2,到达,P,点的合振幅：,P,点的光的强度：,衬比度：,I,4I,1,-,6,-4 -2 0 2 4,6,I,I,min,-,6,-4 -2 0 2 4,6,I,max,双缝干涉的光强分布曲线,二、洛埃德镜实验*,1.,装置与机理,是一平面镜，从狭缝,发出的光,一部分直接射到屏幕上,另一部分以接近,的入射角射向平面镜,然后反射到上,与其虚象,构成一对相干光源。,S,1,S,2,M,N,O,E,2.,半波损失现象,将屏幕,E,移到与平面镜相接触处,N,点,(,E),按杨氏理论,N,点是明纹还是暗纹,?,反射光在反射点位相发生,的突变,这说明反射波的波程差增加或损失了半个波长。通常,当光从光疏媒质到光密媒质界面反射时,产生半波损失。,M,N,E,O,S,1,S,2,问题,:,3,光程,与光程差,(optical path and,optical path,difference),一,.,光程、光程差,真空中,d,a,b,媒质中,a,b,n,d,n,媒质,n,媒质中波长,光程,:,L,=,nd,真空中波长,n,1,n,2,n,m,d,1,d,2,d,m,光程差：,=,L,2,-L,1,例,S,1,S,2,r,1,r,2,d,n,p,P,:,二,.,使用透镜不会产生附加光程差,S,a,c,b,S,物点到象点各光线之间的光程差为零,等光程性,相位差和光程差的关系：,光程,L,=,(,n,i,d,i,),条纹移动,N=4,例题,杨氏双缝实验，,=500nm,，,在一光路中插入玻璃片（,n=1.5,）后,O,点变为,4,级明纹中心。求：玻璃片厚度。,解：光程差改变,4,薄膜干涉,film interference,e,n,n,n,A,反射光,2,反射光,1,入射光,(,单色平行光垂直入射,),(,设,n,n,),明纹,暗纹,同一厚度,e,对应同一级条纹,等厚条纹,1.,劈尖干涉,平行光,垂直入射,到劈尖上,一、等厚条纹,光程差,条纹形状,与薄膜的等厚线相同,条纹间距,条纹间距,明纹,暗纹,相邻条纹的,光程差,差一个波长,应用,测波长,测折射率,测细小直径、厚度、微小变化,h,待测块规,标准块规,平晶,测表面不平度,等厚条纹,待测工件,平晶,思考：怎么判断楔角的位置,?,光程差：,2.,牛顿环,(,1),(,2),.,S,分束镜,M,显微镜,o,牛顿环,装置简图,平凸透镜,平晶,e,r,R,平晶,平凸透镜,暗环,o,形状,第,m,个,暗环半径？,白光入射的牛顿环照片,测透镜球面的半径,R,检验透镜球表面质量,标准验规,待测透镜,暗纹,看到了干涉花样 您用什么简易办法判别是上述哪种情况,?,如果待测透镜合格 现象如何,?,待测透镜,暗纹,标准验规,应用,例题,1,：为使波长为,550nm,的黄绿色光透射增强，反射减弱,需要在像机镜头上镀一层,MgF,2,薄膜,增透膜,，,n=1.38,求薄膜的最小厚度。,解：反射光干涉减弱的条件：,2nd=(2k+1),/2,，,k=0,1,2,（,两面都有半波损失）,k=0,最小厚度：,若要使反射光增强，透射光减弱,增反膜,，应满足：,2nd=k,，,k=1,2,（,两面都有半波损失）,k=0,最小厚度：,n=1.0,n=1.55,d MgF,2,n=1.38,光束,2,和,1,发生干涉,若,M,2,、,M,1,平行,等倾条纹,fringe of equal inclination,若,M,2,、,M,1,有小夹角,等厚条纹,fringe of equal thickness,十字叉丝,等厚条纹,若,M,1,平移,d,时，干涉条移过,N,条，则有,：,M,2,1,1,2,2,S,半透半反膜,M,1,M,2,G,1,G,2,E,2.,工作原理,1.,仪器结构、光路,6,*,迈克耳逊干涉仪,各种干涉条纹及,M,1,，,M,2,相应位置如图示：,(,以太,),干涉仪与地球一起在“以太”中以速度,u,运动，相当于干涉仪不动而以太以速度,-u,流过干涉仪，按照以太假设，光在以太中传播,速度是,c,，,光相对于干涉仪的速度分别为,c+u,和,c-u,，,从,分光板,G,1,到,M,2,来回所需时间为：,三、,测量地球相对“以太”的运动,两束光,进入人眼的时间差,设,将,方括号中的量展开，略去高次项，可得,光由,G,1,到,M,1,再反回,G,1,，,按照以太假设，光相对于干涉仪的速度是,，来回所需时间为：,(,以太,),相应的光程差为,将,整个装置转过,90,，光程差改变,2,，,条纹应移动,将,5.910,-7,m,钠光，,d=11m,u,取,地球轨道速率,u/c=10,-4,代入得,N=0.4 (,仪器可观察到,0.01,根条纹,),但，在地球不同地方都没观察到干涉条纹的移动。,三、迈克耳孙干涉仪的应用,可用以观察各种干涉现象及其条纹的变动。,可用来对长度进行精密测量，作长度单位的米的测量定义：,1,米,1,553,163.5,倍红色镉光波长，,或红色镉光波长,0,=6438.4722,对光谱的精细结构进行精密的测量。,