學(xué)習(xí)-大物b物理課件ch12-1干涉

第十二章光學(xué)粒子性（牛頓微粒說(shuō)）波動(dòng)性（惠更斯波動(dòng)說(shuō)）反射、折射反射、折射、波粒二象性粒子性（愛(ài)因斯坦、康普頓光子說(shuō)）波動(dòng)性（麥克斯韋、赫茲光的電磁理論）干涉、衍射幾何光學(xué)：

光的直線傳播定律光的獨(dú)立傳播定律光的折射和反射定律

內(nèi)容：

以光的直線傳播為基礎(chǔ)，研究光在透明介質(zhì)中的傳播問(wèn)題。波動(dòng)光學(xué)：

以光的波動(dòng)性為基礎(chǔ)，研究光的傳播及其規(guī)律內(nèi)容：干涉衍射偏振現(xiàn)代光學(xué)：

反映了光學(xué)進(jìn)一步于各個(gè)科技領(lǐng)域的緊密結(jié)合。內(nèi)容：

量子光學(xué)：

以光和物質(zhì)相互作用時(shí)所顯示出的粒子性為基礎(chǔ)，來(lái)研究光的一系列規(guī)律。內(nèi)容：光和物質(zhì)的相互作用規(guī)律激光、全息攝影、光纖維光學(xué)計(jì)算機(jī)、傅里葉光學(xué)紅外技術(shù)、遙感、遙測(cè)等重點(diǎn)光的干涉條件楊氏雙縫、洛埃鏡光程、光程差等傾干涉等厚干涉難點(diǎn)光程差的計(jì)算等傾和等厚條紋的區(qū)別及計(jì)算4000?紫7600?紅光是電磁波?？梢姽馐悄芤鹑说囊曈X(jué)的那部分電磁波。發(fā)射光波的物體稱為光源。一、光源§12-2

光源單色光相干光兩大類光源：熱光源：利用熱能激發(fā)，為熱輻射。

（如白熾燈、弧光燈等）電致發(fā)光：由電能直接轉(zhuǎn)換為光能。

（氣體放電管、半導(dǎo)體發(fā)光二極管）光致發(fā)光：由光激發(fā)所引起的發(fā)光。

（如堿土金屬氧化物）化學(xué)發(fā)光：由化學(xué)反應(yīng)而引起的發(fā)光。

（如螢火蟲）

原子模型“基態(tài)”的電子“激發(fā)態(tài)”的電子光子=(E2-E1)/hE1E21、普通光源：自發(fā)輻射普通光源發(fā)光的特點(diǎn)：間歇性：隨機(jī)性：獨(dú)立（同一原子不同時(shí)刻發(fā)的光）獨(dú)立

（不同原子同一時(shí)刻發(fā)的光）··

各原子發(fā)光是斷斷續(xù)續(xù)的，平均發(fā)光時(shí)間t約為10-8秒，所發(fā)出的是一段長(zhǎng)為L(zhǎng)=ct的光波列。

每次發(fā)光是隨機(jī)的，所發(fā)出各波列的振動(dòng)方向、振動(dòng)頻率和振動(dòng)初位相有可能都不相同。單色光：具有單一頻率的光波稱為單色光。譜線寬度光譜曲線譜線及其寬度強(qiáng)度波長(zhǎng)例：鈉黃光（5893埃）5890埃5896埃復(fù)色光：不同頻率單色光的混合光稱為復(fù)色光。2.激光光源：受激輻射=(E2-E1)/hE1E2二.光的相干性方向性好單色性好高亮度相干性好

頻率相同

振動(dòng)方向相同

相位差恒定

1.兩列光波的疊加(只討論電振動(dòng))p···12r1r2P:12E0E10E200光是電磁波非相干光源

I=I1

+I2—非相干疊加

相干光源

12E0E10E20相消干涉（暗紋）(k=0,±1,±2,±3…)干涉圖相長(zhǎng)干涉（亮紋）(k=0,±1,±

2,±

3…)2、干涉條件：頻率相同，振動(dòng)方向相同，有恒定的相位差。3

干涉現(xiàn)象的光強(qiáng)分布4.普通光源獲得相干光的途徑pS

*分波陣面法分振幅法·p薄膜S*§12-3雙縫干涉

英國(guó)醫(yī)生兼物理學(xué)家托馬-楊（T.Yang)于1801年首先成功地進(jìn)行了光干涉實(shí)驗(yàn)，并看到了干涉條紋，使光的波動(dòng)理論得到了證實(shí)。一、楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)

設(shè)兩列光波的波動(dòng)方程分別為：p···12r1r2由于兩列波由同一光束分解出來(lái)，因此10=20。結(jié)論：光干涉問(wèn)題的關(guān)鍵在于計(jì)算波程差。p···12r1r2楊氏雙縫波程差：干涉條紋明暗條件：r1r2xPSs1s2Ddo1、干涉條紋在屏幕上的分布屏幕中央（k=0）為中央明紋其中k稱為條紋的級(jí)數(shù)01-12-2-33楊氏干涉條紋特征2、相鄰明紋或暗紋的間距：結(jié)論：條紋為等間距分布3、條紋位置和波長(zhǎng)有關(guān)，不同波長(zhǎng)的同一級(jí)亮條紋位置不同。4、如果用白光照射，則屏上中央出現(xiàn)白色條紋，而兩側(cè)則出現(xiàn)彩色條紋條紋間距與波長(zhǎng)成正比，因此紫光的條紋間距要小于紅光的條紋間距。432112340實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：將觀察屏移至與反射鏡接觸，在接觸處觀察到是暗紋.解釋：光從光疏媒質(zhì)（n比較?。┑焦饷苊劫|(zhì)（n比較大）反射出現(xiàn)半波損失二、洛埃鏡若n1<n2

，介質(zhì)1:光疏介質(zhì)光在垂直入射（i=0）或者掠入射（i=90°）的情況下，如果光是從光疏介質(zhì)傳向光密介質(zhì)，在其分界面上反射時(shí)將發(fā)生半波損失。而折射波無(wú)半波損失。半波損失介質(zhì)2:光密介質(zhì)n1n2例1

楊氏雙縫的間距為0.2mm，距離屏幕為1m。(1)若第一到第四明紋距離為7.5mm，求入射光波長(zhǎng)。(2)若入射光的波長(zhǎng)為6000A，求相鄰兩明紋的間距。解：r1r2xPs1s2Ddo§12-4光程與光程差

當(dāng)光在折射率為n

的媒質(zhì)中傳播時(shí)，速度大小為波長(zhǎng)為一、光程與光程差

設(shè)單色光在媒質(zhì)界面分成兩束光，兩束相干光在不同媒質(zhì)所經(jīng)歷的幾何路程為，相遇后它們的相位差為定義：光程=nx光程差：Px1x2n1n2

（1）干涉的強(qiáng)弱取決于光程差，而不是幾何路程；

（2）光程的物理意義：

光在折射率為n

的媒質(zhì)中通過(guò)幾何路程x所用的時(shí)間為在相同的時(shí)間內(nèi)光在真空中通過(guò)的路程為

光程是光在媒質(zhì)中通過(guò)的路程折合到同一時(shí)間內(nèi)在真空中通過(guò)的相應(yīng)路程。干涉條紋的一般條件：

對(duì)光干涉起決定作用的不是這兩束光的幾何路程之差，而是兩者的光程差。結(jié)論：Pr1r2n1n2由光程差計(jì)算相位差光程……多種介質(zhì)例2

用薄云母片（n=1.58）覆蓋在楊氏雙縫的其中一條縫上，這時(shí)屏上的零級(jí)明紋移到原來(lái)的第七級(jí)明紋處。如果入射光波長(zhǎng)為5500A，問(wèn)云母片的厚度為多少？解：原七級(jí)明紋P點(diǎn)處插入云母后，P點(diǎn)為零級(jí)明紋P0d二、等光程性結(jié)論：透鏡只能改變光的傳播方向而不會(huì)引起附加光程差三、附加光程差（額外光程差）n1n2n3n2n1n3n1<n2<n3無(wú)附加光程n1>n2<n3有附加光程1212結(jié)論：分振幅法實(shí)現(xiàn)干涉時(shí)須考慮由半波損失引起的附加光程差,當(dāng)介質(zhì)折射率依次增大或減小時(shí)無(wú)附加光程差n1>n2>n3n1<n2>n3一、等傾干涉條紋

光波經(jīng)薄膜兩表面反射后相互疊加所形成的干涉現(xiàn)象，稱為薄膜干涉。薄膜干涉可分成等傾干涉和等厚干涉兩類?！?2-5薄膜干涉厚度均勻的薄膜在無(wú)窮遠(yuǎn)處形成的干涉條紋rL

fPO

rk環(huán)B

en1n3n2iA

CD21Siii

·····1、反射光的干涉：n1n2n3e123abcdQP光程差：光程差：n1n2n3e123abcdQP等傾干涉條件：加強(qiáng)：其中：0n1<n2<n3n1>n2>n3n1>n2<n3n1<n2>n3減弱：條紋級(jí)次取決于入射角

形狀:條紋特點(diǎn):一系列同心圓環(huán)

條紋間隔分布:內(nèi)疏外密

條紋級(jí)次分布:

波長(zhǎng)對(duì)條紋的影響:

膜厚變化時(shí),條紋的移動(dòng):e一定時(shí)，等傾條紋一定，一定，中央級(jí)次最高（i=0)由薄膜厚度決定其中：0n1<n2<n3n1>n2>n3n1>n2<n3n1<n2>n3結(jié)論：透射光干涉條紋與反射光干涉條紋明暗互補(bǔ)2、透射光的干涉：n1n2n3e123abcdQP45gf3、增透膜和增反膜(2)、增反膜（反射干涉增強(qiáng)）(1)、增透膜（透射干涉增強(qiáng)）n1

nMgF2（n=1.38）玻璃（n1=1.5）反射加強(qiáng)：反射減弱：n1

nZnS（n=2.40）玻璃（n1=1.5）n1n2n3二.等厚干涉條紋厚度不均勻的薄膜表面上形成的干涉ibaa’b’ABC

當(dāng)一束平行光入射到厚度不均勻的透明介質(zhì)薄膜上，如圖所示，兩光線a

和b的光程差：

當(dāng)i

保持不變時(shí)，光程差僅與膜的厚度有關(guān)，凡厚度相同的地方光程差相同，從而對(duì)應(yīng)同一條干涉條紋---等厚干涉條紋。為此，明紋和暗紋出現(xiàn)的條件為：明紋暗紋

實(shí)際應(yīng)用中，通常使光線 垂直入射膜面，即，光程差公式簡(jiǎn)化為：：為因?yàn)榘氩〒p失而生產(chǎn)的附加光程差。ne條紋特征：(1)、條紋級(jí)次k隨著劈尖的厚度而變化，因此這種干涉稱為等厚干涉。條紋為一組平行于棱邊的平行線。(2)、由于存在半波損失，棱邊上為0級(jí)暗紋。(3)、條紋等間距1、劈尖的干涉劈尖：薄膜的兩個(gè)表面是平面,其間有很小夾角。相鄰明條紋所對(duì)應(yīng)的厚度差：條紋間距2、劈尖的干涉的應(yīng)用(1)、厚度的測(cè)量：厚度：條紋數(shù)dl條紋間距:Lnl例1

為了測(cè)量金屬細(xì)絲的直徑，把金屬絲夾在兩塊平玻璃之間，形成劈尖，如圖所示，如用單色光垂直照射，就得到等厚干涉條紋。測(cè)出干涉條紋的間距，就可以算出金屬絲的直徑。某次的測(cè)量結(jié)果為：?jiǎn)紊獾牟ㄩL(zhǎng)

=589.3nm金屬絲與劈間頂點(diǎn)間的距離L=28.880mm，30條明紋間得距離為4.295mm,求金屬絲的直徑D？

LD解：相鄰兩條明紋間的間距其間空氣層的厚度相差為/2于是因?yàn)楹苄?2)、測(cè)表面平整程度1）工件表面有突起，朝背向棱方向扭曲條紋扭曲方向：2）工件表面有凹陷，朝棱方向扭曲所以:

abhbahek-1ek例2、在半導(dǎo)體元件生產(chǎn)中,為了測(cè)定硅片上SiO2薄膜的厚度,將該膜的一端腐蝕成劈尖狀,已知SiO2的折射率n=1.46,用波長(zhǎng)

=589.3nm的鈉光照射后,觀察到劈尖上出現(xiàn)9條暗紋,且第9條在劈尖斜坡上端點(diǎn)M處,Si的折射率為3.42.試求SiO2薄膜的厚度.SiSiO2OM解：由暗紋條件可知,第9條暗紋對(duì)應(yīng)于k=8,代入上式得所以SiO2薄膜的厚度為1.72m。.S分束鏡M顯微鏡o

牛頓環(huán)裝置簡(jiǎn)圖平凸透鏡平晶

牛頓環(huán)：一束單色平行光垂直照射到此裝置上時(shí)，所呈現(xiàn)的等厚條紋是一組以接觸點(diǎn)O為中心的同心圓環(huán)。牛頓環(huán)光程差的計(jì)算

牛頓環(huán)干涉條紋的特征牛頓環(huán)的應(yīng)用3.牛頓環(huán)(1)牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置及光路(2)反射光光程差的計(jì)算=2e+/2eA12(3)牛頓環(huán)干涉條紋的特征A.

明暗條紋的判據(jù)rRe0由幾何關(guān)系可知（R–e)2+r2=R2R2-2Re+e2+r2=R2e=r2/2Rk=0，r=0中心是暗斑……牛頓環(huán)干涉條紋是一系列明暗相間的同心圓環(huán)。B.相鄰暗環(huán)的間距內(nèi)疏外密C.牛頓環(huán)干涉條紋的圖形

牛頓環(huán)干涉是一系列明暗相間的、內(nèi)疏外密的同心圓環(huán)。若將牛頓環(huán)置于n＞1的液體中，條紋如何變？條紋向里收縮

依據(jù)：公式

測(cè)透鏡球面的半徑R：已知,測(cè)

m、rk+m、rk，可得R。

測(cè)波長(zhǎng)λ：已知R，測(cè)出m

、rk+m、rk，

可得λ。

檢驗(yàn)透鏡球表面質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)規(guī)待測(cè)透鏡暗紋(4).牛頓環(huán)的應(yīng)用

應(yīng)用：例3：如圖所示，平凸透鏡曲率半徑為R1平凹透鏡曲率半徑為R2求：等厚條紋暗半徑公式解：e2R1R2re1eA)向右平移E)向左平移B)向中心收縮C)向外擴(kuò)張D)靜止不動(dòng)h選（B）例4、

如圖，在牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)中平凸透鏡垂直向上移動(dòng)過(guò)程中可以觀察到干涉條