大學物理下冊課件第十四章波動光學

1 熱輻射 加熱維持物體的溫度 輻射就能持續(xù)進行下去 稱為熱輻射 光波就是電磁波 任何物體都輻射電磁波 白熾燈 太陽 14 6光源光的相干性 電致發(fā)光 2 發(fā)光需依靠一些激發(fā)過程獲得能量維持輻射 光致發(fā)光 化學發(fā)光 半導(dǎo)體發(fā)光二極管 閃電 熒光玩具 節(jié)能燈 螢火蟲 霓虹燈 3 同步輻射光源 在同步輻射加速器中速度接近光速作環(huán)形運動的電子迅速損失能量產(chǎn)生的輻射 特點 方向性好 亮度高 還具有連續(xù)性 優(yōu)異的準直性和易脈沖化等特性 應(yīng)用 為晶體結(jié)構(gòu)研究 生物大分子和生物蛋白的結(jié)構(gòu)研究提供了高性能的光源 北京的正負電子對撞機可提供同步輻射光 1 普通光源 非激光光源 的發(fā)光機理 原子發(fā)出的每一列光波是一段有限長的 振動方向一定 振幅不變或緩慢變化的正弦波 二 光的相干性 每一波列持續(xù)時間約為 普通光源發(fā)出的光是由構(gòu)成光源的大量原子或分子運動狀態(tài)改變時發(fā)出的 波列長度的數(shù)量級為L 0 1m 因波列持續(xù)時間過短 兩波列的干涉現(xiàn)象無法覺察 不同原子發(fā)的光 同一原子先后發(fā)的光 同一原子先后發(fā)出的波列振動方向和頻率不一定相同 相位間無固定關(guān)系 不同原子發(fā)出的波列振動方向和頻率也不一定相同 相位間無固定關(guān)系 兩列波為相干波的條件 頻率相同 振動方向相同 在相遇點有恒定的相位差 結(jié)論 兩個獨立光源發(fā)出的光波或同一光源兩部分發(fā)出的光波在相遇區(qū)觀察不到干涉現(xiàn)象 2 相干光的獲得方法 為實現(xiàn)光的干涉 可以從同一波列分離出兩個波列再令其重疊發(fā)生干涉 為得到明顯的干涉現(xiàn)象 還必須滿足 在相遇點兩列光波的光程 幾何路程與介質(zhì)折射率的乘積 不能相差太大 在相遇點兩列光波的振幅不能相差太大 光程差r1n1 r2n2 通常產(chǎn)生相干光源的兩種方法 分波陣面法 分振幅法 利用并排的孔或縫或利用反射和折射將入射光的波陣面分成兩部分 利用兩種透明介質(zhì)的分界面對入射光的反射和透射 將入射光的振幅分成兩部分 3 目前最好的相干光源 激光光源 激光的波列長度比普通光源長得多 例如氦氖激光器產(chǎn)生的激光相干長度可達幾千米 再加上良好的單色性和方向性等 能產(chǎn)生易于觀察和測量的干涉現(xiàn)象 一個正在輻射激光的激光器 激光產(chǎn)生的全息圖像 接收屏上形成的干涉圖樣 狹縫視為縫光源 光源 雙縫 接收屏 縫光源S產(chǎn)生柱面波 雙縫S1和S2與S等距 位于同一波陣面上 相位相同 成為相干光源 發(fā)出的子波在相遇區(qū)發(fā)生干涉 14 7由分波陣面法產(chǎn)生的光的干涉 因D d S1 S2發(fā)出的光波到P點的波程差為 dsin dtan OP x r1 r2 S2B 1 單色光入射時屏上明暗相間干涉條紋位置的計算 垂直于縫長的平面內(nèi)同相面 波程差計算 若 即 初相相同的兩相干波疊加后加強與減弱的條件為 合振幅最大 合振幅最小 出現(xiàn)明條紋 若 即 出現(xiàn)暗條紋 明條紋級次 暗條紋級次 2 楊氏雙縫干涉的特點 單色光干涉 相鄰明條紋 或暗條紋 的間距為 干涉條紋等距離分布 白光干涉 只有中央明條紋是白色 其它條紋發(fā)生重疊 形成彩色條紋 明條紋間距 明條紋間距 干涉條紋間距與單色光波長成正比 三 勞埃德鏡實驗 平面鏡MM 下表面涂黑 光僅從上表面反射 S和S 相當于兩個相干光源 實驗結(jié)果表明 反射光的相位改變了 稱為半波損失 干涉條紋與楊氏實驗結(jié)果的類似 理論和實驗證明 光從光疏介質(zhì) 折射率較小 向光密介質(zhì) 折射率大 表面入射時 如果入射角接近 掠入射 或為 正入射 則反射光的相位改變 即出現(xiàn)半波損失 正入射 例題14 2勞埃德鏡實驗中 線光源S1到鏡面的垂距為1mm D為1 5m MM D 2 M O為D 4 1 求干涉區(qū)域上下兩邊到屏中心距離OA和OB 2 若 600nm 求相鄰明條紋間距 并問屏上能觀察到幾條明條紋 解 1 由三角形相似 有 OA 3mm OB 0 333mm 得 2 與楊氏實驗相比 得相鄰明紋間距為 由于有半波損失 光程差應(yīng)為 明紋位置x應(yīng)滿足 第一級明紋位置x1 0 225mm OB 在干涉區(qū)外 觀察不到 將OB 0 333mm代入 得 將OA 3mm代入 得k 7 17 所以在屏上可以看到2 3 4 5 6和7級 共6條干涉明紋 頻率為 初相相同的兩相干光源S1 S2的振動方程可寫為 兩列波在P點引起的振動為 這兩列波在P點的相位差為 光程差 相互加強相互減弱 相互加強相互減弱 兩相干光波在相遇點處的相位差及干涉條件為 兩相干光波在同一介質(zhì)中傳播時 相位差僅決定于波程差 r2 r1 兩相干光波在不同介質(zhì)中傳播時 相位差應(yīng)決定于光程差 n2r2 n1r1 干涉條件為 分振幅法利用薄膜的兩個表面經(jīng)反射 把入射光的振幅分解為兩部分 相遇而產(chǎn)生干涉 這種干涉也叫薄膜干涉 油膜 肥皂泡 14 8由分振幅法產(chǎn)生的光的干涉 一 平行平面膜產(chǎn)生的干涉 光線2和光線3的光程差為 由幾何關(guān)系得 折射定律 P點出現(xiàn)明暗紋的條件為 反射光互相減弱時 約為入射光的1 3 光程差為 平行平面薄膜干涉的應(yīng)用 增透膜為減弱反射光 在光學元件表面鍍的一層厚度適當?shù)耐该鹘橘|(zhì)膜 照相機鏡頭 n2d稱為光學厚度 增透膜用于冷光鏡 對紅外光增透 降低光線的熱效應(yīng) 如用在電影放映機的光源上 例如對波長 0 550nm的綠光 當光學厚度為n2d 3 0 4 412nm時 反射率最小 但此時該薄膜對其它波長的光 反射率一般不是最小 多層反射膜 高反射膜 鍍膜也可增加反射 減少透射 每層膜反射光的光程差為 He Ne激光器的反射鏡采用多層反射膜使波長為632 8nm的激光反射率高達99 以上 鍍膜的反射鏡 兩玻璃板形成一很小夾角 兩板間充滿空氣或其它流體 形成了劈形膜 設(shè)劈尖中流體的折射率為n 反射光2有半波損失 則反射光1和2光程差為 設(shè)流體折射率n小于玻璃折射率 在厚度d處出現(xiàn)明 暗紋的條件為 對應(yīng)于各級明 暗紋的厚度分別為 棱邊處為暗紋 棱邊處為明紋 兩反射光間有半波光程差 兩反射光間無半波光程差 劈尖中流體的折射率和其兩側(cè)介質(zhì)折射率的影響 設(shè)l表示兩相鄰的明紋或暗紋之間距離 為劈尖夾角 有如下關(guān)系式 兩相鄰明紋間距 兩相鄰明紋處劈尖厚度差 不同波長的光其干涉條紋寬度不同 波長越長 條紋越寬 討論 同一干涉條紋具有相同厚度 因而當劈尖表面凸凹不平時 會出現(xiàn)條紋彎曲 同一波長的入射光 越小 l越大 條紋越寬 越大 l越小 條紋越細 兩塊標準平晶產(chǎn)生的等厚干涉條紋 兩塊有缺陷平晶產(chǎn)生的等厚干涉條紋 例題14 3制造半導(dǎo)體元件時 常需要精確測定硅片上二氧化硅 SiO2 薄膜的厚度d 這可用化學方法把SiO2薄膜的一部分腐蝕成劈尖形 若單色光從空氣垂直入射 已知入射光波長 589 3nm SiO2的折射率n 1 5 Si的折射率為3 42 若觀察到如圖所示的7條明紋 問SiO2膜的厚度d 解空氣相對于SiO2是光疏介質(zhì) 同樣 SiO2相對于Si也是光疏介質(zhì) 所以 在SiO2薄膜上下表面反射的兩光之間半波損失效果互抵 在膜厚為d處光程差為 當 時出現(xiàn)明紋 該處膜厚為 因d 處k 6 對應(yīng)膜厚為 設(shè)平凸鏡球面的球心為C 半徑為R 相距O為r處的薄膜厚度為d 由幾何關(guān)系得 通常R d 故上式可略去高階小量d2 可得 明環(huán) 暗環(huán) 明環(huán) 暗環(huán) 或 設(shè)薄膜折射率為n 則在有半波損失時的光程差 特點 如果反射有半波損失 則中心處為暗斑 否則為明紋 條紋的級次是中間小 邊緣高 條紋的間距是中間大 邊緣小 入射光經(jīng)半反膜后