光學(xué)-干涉　課件

第二部分光的干涉*§14-9邁克耳孫干涉儀§14-8由分振幅法產(chǎn)生的光的干涉§14-7由分波陣面法產(chǎn)生的光的干涉§14-6光源光的相干性一、光源發(fā)射光波的物體1.熱輻射加熱維持物體的溫度，輻射就能持續(xù)進(jìn)行下去光波就是電磁波，任何物體都輻射電磁波白熾燈太陽(yáng)§14–6光源光的相干性稱為熱輻射3.同步輻射光源運(yùn)動(dòng)的電子迅速損失能量產(chǎn)生的輻射優(yōu)異的準(zhǔn)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(fù)電子對(duì)撞機(jī)可提供同步輻射光在同步輻射加速器中速度接近光速作環(huán)形特點(diǎn)：方向性好、亮度高，還具有連續(xù)性、1.普通光源（非激光光源）的發(fā)光機(jī)理動(dòng)方向一定、振幅不變或緩慢變化的正弦波波列波列長(zhǎng)L=c二、光的相干性每一波列持續(xù)時(shí)間約為或分子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變時(shí)發(fā)出波列長(zhǎng)度的數(shù)量級(jí)為L(zhǎng)=0.1m兩波列的干涉現(xiàn)象無(wú)法覺(jué)察普通光源發(fā)出的光是由構(gòu)成光源的大量原子原子發(fā)出的每一列光波是一段有限長(zhǎng)的、振因波列持續(xù)時(shí)間過(guò)短振動(dòng)方向和頻率不一定相同，相位間無(wú)固定關(guān)系不同原子發(fā)的光同一原子先后發(fā)的光同一原子不同原子頻率相同，振動(dòng)方向相同，在相遇點(diǎn)有恒定相位差結(jié)論：兩個(gè)獨(dú)立光源發(fā)出的光波或同一光源

兩列波為相干波的條件：發(fā)出的波列先后發(fā)出的波列兩部分發(fā)出的光波在相遇區(qū)觀察不到干涉現(xiàn)象通常產(chǎn)生相干光源的兩種方法：

分波陣面法

分振幅法光的波陣面分成兩部分和透射將入射光的振幅分成兩部分利用并排的孔或縫或利用反射和折射將入射利用兩種透明介質(zhì)的分界面對(duì)入射光的反射3.目前最好的相干光源——激光光源激光的波列長(zhǎng)度比普通光源長(zhǎng)得多，例如氦氖激光器產(chǎn)生的激光相干長(zhǎng)度可達(dá)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(cè)量的干涉現(xiàn)象一個(gè)正在輻射激光的激光器激光產(chǎn)生的全息圖像一、楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)S1S2S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位于同一波陣面上，相位相同，成為相干光源，§14-7由分波陣面法產(chǎn)生的光的干涉發(fā)出的子波在相遇區(qū)發(fā)生干涉縫光源S產(chǎn)生柱面波，雙縫S1和S2與S等距，若即初相相同的兩相干波疊加后加強(qiáng)與減弱的條件為合振幅最大合振幅最小出現(xiàn)亮條紋若即出現(xiàn)暗條紋亮條紋級(jí)次暗條紋級(jí)次2.楊氏雙縫干涉的特點(diǎn)單色光干涉，相鄰亮條紋（或暗條紋）的間距為干涉條紋等距離分布白光干涉，只有中央亮條紋是白色，其他條紋發(fā)生重疊，形成彩色條紋亮條紋間距暗條紋間距中央亮紋干涉條紋間距與單色光波長(zhǎng)成正比二、菲涅耳雙鏡實(shí)驗(yàn)S1和S2相當(dāng)于相鄰亮條紋（或暗條紋）的間距為出現(xiàn)亮暗條紋的條件光源接收屏M1中鏡像M2中鏡像鏡面兩個(gè)相干光源與楊氏實(shí)驗(yàn)結(jié)果的類似三、勞埃德鏡實(shí)驗(yàn)平面鏡MM'下表面涂黑，光僅從上表面反射S和S'相當(dāng)于兩個(gè)相干光源實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：楊氏實(shí)驗(yàn)結(jié)果光源MM'中鏡像小平面鏡接收屏此處出現(xiàn)暗條紋稱為半波損失反射光相位改變了干涉條紋類似于光從光疏介質(zhì)向光密介質(zhì)表面入射時(shí)理論和實(shí)驗(yàn)證明：n2n1正入射n2>n1掠入射法線則反射光的相位改變

，即出現(xiàn)半波損失如果入射角接近0o（正入射）或接近90o（掠入射）(折射率較小)(折射率大)例題14-2勞埃德鏡線光源S1到鏡面的垂距為S1S2MM'dABOCD(1)由三角形相似，有OA=3mm，OB=0.333mm得解求相鄰亮條紋間距及屏上能觀察到的亮紋數(shù)？干涉區(qū)上下邊到屏中心距離OA和OB；(2)l=600nm,1mm，D為1.5m，MM'=D/2，M'O為D/4。(1)求第一級(jí)亮紋位置x1=0.225mm<OB，在干涉區(qū)外將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(jí)觀察不到！共6條干涉亮紋油膜肥皂泡§14-8由分振幅法產(chǎn)生的光的干涉相遇而產(chǎn)生干涉，這種干涉也叫薄膜干涉經(jīng)反射，把入射光的振幅分解為兩部分分振幅法利用薄膜的兩個(gè)表面一、平行平面膜產(chǎn)生的干涉光線2和光線3的光程差為123ABC面光源薄膜透鏡Nr光程差為dn3=1.50n2=1.38n1=1空氣MgF2玻璃12平行平面薄膜干涉的應(yīng)用為減弱反射光照相機(jī)鏡頭n2d為光學(xué)厚度增透膜在光學(xué)元件表面鍍的一層厚度適當(dāng)?shù)耐该鹘橘|(zhì)膜反射光互相減弱時(shí)（約為入射光的1.3%）增透膜用于冷光鏡對(duì)紅外光增透，降低光線的熱效應(yīng)增透膜紅外光可見(jiàn)光反光鏡例如對(duì)波長(zhǎng)0=550nm的綠光，當(dāng)光學(xué)厚度為n2d=30/4=412nm時(shí)，反射率最小，但此時(shí)該薄膜對(duì)其它波長(zhǎng)的光，反射率一般不是最小。如用在電影放映機(jī)的光源上在厚度d處出現(xiàn)亮、暗紋的條件為對(duì)應(yīng)于各級(jí)亮、暗紋的厚度分別為棱邊處為暗紋棱邊處為亮紋兩反射光間有半波光程差兩反射光間無(wú)半波光程差劈尖中流體的折射率和其兩側(cè)介質(zhì)折射率的影響為劈尖夾角，有如下關(guān)系式lθdkdk+1ndk+1-dk兩相鄰亮紋間距兩相鄰亮紋處劈尖厚度差設(shè)l表示兩相鄰的亮紋或暗紋之間距離不同波長(zhǎng)的光其干涉條紋寬度不同討論：同一干涉條紋具有相同厚度同一波長(zhǎng)的入射光，越小，l越大（條紋越寬）因而當(dāng)劈尖表面凸凹不平時(shí)，會(huì)出現(xiàn)條紋彎曲越大，l越小（條紋越細(xì)）波長(zhǎng)越長(zhǎng)，條紋越寬兩塊標(biāo)準(zhǔn)平晶產(chǎn)生的等厚干涉條紋兩塊表面有缺陷平晶產(chǎn)生的等厚干涉條紋例題14-3制造半導(dǎo)體元件時(shí)，常需要精確測(cè)定硅片上二氧化硅(SiO2)薄膜的厚度d'，這可用化學(xué)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(zhǎng)λ=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條亮紋，問(wèn)SiO2膜的厚度d'=？SiO2Sid

'解空氣相對(duì)于SiO2是光疏介質(zhì)，同樣，SiO2相對(duì)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(dāng)時(shí)出現(xiàn)亮紋，該處膜厚為因d'處k=6，對(duì)應(yīng)膜厚為SiO2Sid'讀數(shù)顯微鏡半反鏡光源平凸透鏡平板玻璃三、牛頓環(huán)透射環(huán)反射環(huán)上式可略去高階小量d2

drRCO由幾何關(guān)系得為r

處的薄膜厚度為d設(shè)平凸鏡球面的球心為C，半徑為R，距O

得通常R>>d

亮環(huán)暗環(huán)亮環(huán)暗環(huán)或設(shè)薄膜折射率為n，則在有半波損失時(shí)的光程差如果反射有半波損失，則中心處為暗斑特點(diǎn)：條紋的間距是中間大邊緣小條紋的級(jí)次是中間小邊緣高否則為亮斑入射光經(jīng)半反膜后分成兩束，G1、G2是平行放置的平板玻璃，其中G2是補(bǔ)償板。M

1、M2是兩個(gè)全反鏡，一般相互垂直M122'11'S半透半反膜M2M1G1G2E*§14-9