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文檔簡介
3.1光波干涉的條件
及實(shí)現(xiàn)方法
2.1光波干涉的條件&實(shí)現(xiàn)方法
光的干涉現(xiàn)象是波動(dòng)性的基本特征干涉現(xiàn)象、干涉基本理論楊氏干涉實(shí)驗(yàn)(1801年)光波動(dòng)理論干涉裝置:楊氏雙縫干涉、邁克爾遜干涉儀、馬赫-曾德干涉儀……應(yīng)用:測(cè)量波長、厚度、折射率、位移、輪廓面…………2.1光波的干涉&實(shí)現(xiàn)方法
在兩個(gè)(或多個(gè))光波疊加的區(qū)域,某些點(diǎn)的振動(dòng)始終加強(qiáng),另一些點(diǎn)的振動(dòng)始終減弱,形成在該區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定的光強(qiáng)度強(qiáng)弱分布,極大值超過兩光束光強(qiáng)之和,極小可能為零,這種現(xiàn)象稱為光的干涉現(xiàn)象。一、干涉現(xiàn)象則
考察兩光波疊加區(qū)域內(nèi)的某一點(diǎn)的強(qiáng)度
補(bǔ)充條件:*光程差不太大*光強(qiáng)差不太大二、干涉條件(必要條件)能夠產(chǎn)生干涉的光波,叫相干光波(Coherentwave)
其光源稱為相干光源(Coherentlightsource)(1)(2)(3)(4)
設(shè)
兩盞燈放在一起,同時(shí)照在墻壁上;無光強(qiáng)度明暗變化的干涉現(xiàn)象兩個(gè)頻率相同的鈉光燈不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象;即使是同一個(gè)單色光源的兩部分發(fā)出的光,也不能產(chǎn)生干涉。*頻率相同*振動(dòng)方向相同*位相差恒定三、討論
同一原子發(fā)光具有瞬時(shí)性和間歇性、偶然性和隨機(jī)性,而不同原子發(fā)光具有獨(dú)立性。
兩個(gè)獨(dú)立光源(即便是兩個(gè)獨(dú)立的原子),或同一原子先后發(fā)出的光波之間沒有固定的位相差,因此,不能產(chǎn)生干涉。
兩個(gè)發(fā)光原子同時(shí)發(fā)出的波列形成的干涉圖樣只能在10-9秒內(nèi)存在,另一時(shí)刻對(duì)應(yīng)于另一位相差的干涉圖樣。但只能記錄到強(qiáng)度I的某一時(shí)間平均值。
一般地,把源于同一波列的光分成兩束或多束光波,然后經(jīng)過不同的途徑再相遇疊加,才能滿足干涉的三個(gè)必要條件。pS
分波陣面法分振幅法·p薄膜S小結(jié)實(shí)際光波實(shí)現(xiàn)干涉的方法:分波陣面法、分振幅法
3.2楊氏干涉實(shí)驗(yàn)
托馬斯·楊ThomasYoung(1773-1829)英國物理學(xué)家、考古學(xué)家、醫(yī)生,光的波動(dòng)說的奠基人之一2.2楊氏干涉實(shí)驗(yàn)(Yang'sexperiment)
一、實(shí)驗(yàn)簡介托馬斯·楊ThomasYoung(1773-1829)2.2楊氏干涉實(shí)驗(yàn)(Yang'sexperiment)
二、干涉圖樣的計(jì)算
PS*S1s21.光強(qiáng)、光程差r2滿足了相干的三個(gè)條件A
S1、S2對(duì)稱、大小相等,則:I1=I2=I0,P點(diǎn)的干涉條紋分布為二、干涉圖樣的計(jì)算表明:P點(diǎn)的光強(qiáng)I取決于兩光波在該點(diǎn)的光程差1.光強(qiáng)、光程差二、干涉圖樣的計(jì)算1.光強(qiáng)、光程差當(dāng)亮紋當(dāng)暗紋2.干涉條紋二、干涉圖樣的計(jì)算暗紋亮紋關(guān)于條紋——1.干涉條紋是光程差的等值線。2.相鄰兩個(gè)干涉條紋之間其光程差變化量為一個(gè)波長l,位相差變化2p。條紋間距三、干涉圖樣的討論亮紋暗紋2.條紋間距與級(jí)數(shù)m無關(guān):等間距。3.條紋間距與波長有關(guān),若用白光源,只有中央零級(jí)條紋是白色,向外呈現(xiàn)彩色條紋。4.條紋間距與D有關(guān),非定域干涉。5.通過測(cè)量e、D、d,可測(cè)量波長。1.對(duì)于接收屏上相同的x值光強(qiáng)相等,條紋垂直于x軸。條紋間距三、干涉圖樣的討論定義:兩路相干光線的夾角為相干光束的會(huì)聚角,用w表示。6.條紋間距的另一表達(dá)式
7.兩個(gè)相干點(diǎn)光源的干涉場(chǎng)三、干涉圖樣的討論8.楊氏雙孔改為雙縫,垂直于z軸的接收屏上條紋分布規(guī)律不變。本節(jié)學(xué)習(xí)了分波前法的著名實(shí)驗(yàn)——楊氏干涉實(shí)驗(yàn)要求:1.認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)裝置、光路;2.理解產(chǎn)生干涉的三個(gè)條件如何滿足;3.掌握干涉條紋的特點(diǎn)。小結(jié)3.4干涉條紋的對(duì)比度
一、條紋對(duì)比度的定義分別為所考察位置附近光強(qiáng)極大值和極小值。
0<K<1,稱為“部分相干”當(dāng)條紋最清晰,稱為“完全相干”稱為“非相干”定義:影響干涉條紋對(duì)比度的主要因素:光源的大小、光源的非單色性、兩相干光波的振幅比。實(shí)際使用的光源,包含著眾多不相干的點(diǎn)源。每個(gè)點(diǎn)光源形成一對(duì)相干點(diǎn)光源,并在干涉場(chǎng)產(chǎn)生各自的一組條紋。各點(diǎn)光源有不同位置,各組條紋相互間存在位移。暗條紋的強(qiáng)度不再為零,條紋對(duì)比度降低。當(dāng)擴(kuò)展光源尺寸大到一定程度,對(duì)比度下降到零,完全看不見干涉條紋。多組條紋的強(qiáng)度相加二、光源大小的影響1.光源的臨界寬度臨界寬度:條紋對(duì)比度降為零時(shí)的光源寬度以S為中心的擴(kuò)展光源S‘S’’,若邊緣點(diǎn)S’和S’’到S1和S2的光程差分別為,則S‘和S’’與S產(chǎn)生的條紋相互錯(cuò)開半個(gè)條紋間距,S’和S’’的條紋錯(cuò)開一個(gè)條紋間距。此時(shí)屏幕上光強(qiáng)處處相等,光源寬度(S‘與S’’的距離)即為臨界寬度。設(shè)光源的臨界寬度為由幾何關(guān)系則引入相干孔徑角:有實(shí)際中為了能觀察到較清晰的條紋,常取該值的1/4作為光源的允許寬度bp,此時(shí)條紋對(duì)比度K=0.9。上式多被用于干涉儀中計(jì)算光源寬度的容許值。2.
空間相干性光源大小與相干空間(干涉孔徑角)成反比關(guān)系!若通過S1和S2兩小孔的光在P0點(diǎn)附近能夠發(fā)生干涉,則稱通過空間這兩點(diǎn)的光具有空間相干性。θ是擴(kuò)展光源對(duì)S?和S?連線中點(diǎn)的張角對(duì)于圓形擴(kuò)展光源,橫向相干寬度對(duì)于方形擴(kuò)展光源,相干面積圓形光源的相干面積橫向相干寬度:若通過S?和S?的光剛好不發(fā)生干涉,此時(shí)S?和S?之間的距離定義為橫向相干寬度。
實(shí)際使用的單色光源都有一定的光譜寬度。三、光源非單色性影響1.相干長度
范圍內(nèi)的每條譜線都各自形成一組干涉條紋,且除零級(jí)以外,相互有偏移。各組條紋疊加的結(jié)果使條紋對(duì)比度下降。干涉條紋消失的位置滿足光的單色性(
)決定了能產(chǎn)生清晰干涉條紋的最大光程差——相干長度波列長度就是相干長度與該干涉級(jí)m對(duì)應(yīng)的
就是允許的最大光程差2.
時(shí)間相干性兩光波只在小于相干長度的光程差下能夠發(fā)生干涉。
相干時(shí)間——光通過相干長度所需的時(shí)間由同一光源在相干時(shí)間內(nèi)不同時(shí)刻發(fā)出的光,經(jīng)過不同的路徑相遇時(shí)能夠產(chǎn)生干涉,稱這種相干性為時(shí)間相干性。光波的單色性越好,相干時(shí)間越大,光的時(shí)間相干性越好。結(jié)合有兩光波振幅相差越大,條紋對(duì)比度越低。雙光束干涉公式可寫為:其中四、兩相干光波振幅比的影響本節(jié)學(xué)習(xí)了干涉條紋的對(duì)比度及其影響因素。小結(jié)要求:1.掌握干涉條紋對(duì)比度的定義以及三個(gè)主要影響因素;2.掌握光源臨界寬度、橫向相干寬度的有關(guān)計(jì)算,理解空間相干性的物理意義;3.掌握相干長度、相干時(shí)間的有關(guān)計(jì)算,理解時(shí)間相干性的物理意義;4.理解兩相干光波振幅比對(duì)條紋對(duì)比度的影響。3.5平行平板產(chǎn)生的干涉(2)擴(kuò)展光源照明在某個(gè)平面觀察,條紋對(duì)比度不降低條紋是定域的取定域面在無窮遠(yuǎn)或透鏡焦平面定域條紋:在空間某特定的位置才能觀察到清晰條紋平行平板產(chǎn)生的干涉1.條紋的定域分振幅法(1)點(diǎn)光源照明觀察面無論遠(yuǎn)近,都能看到清晰條紋條紋是非定域的但難以滿足亮度要求非定域條紋:在整個(gè)空間都能觀察到清晰條紋2.光程差其中考慮有半波損失:1)等傾干涉條紋:凡入射角相同的光就形成同一級(jí)干涉條紋,是同心圓環(huán)。
3.條紋特點(diǎn)2)在中心處,,干涉級(jí)最大。3)等傾圓條紋的角間距兩邊求微分相鄰條紋對(duì)應(yīng)dm=1,換為入射角表示越靠近中心,條紋越疏,內(nèi)疏外密h越大,條紋越密透射光條紋和反射光條紋互補(bǔ)4)透射光條紋透射光條紋對(duì)比度<反射光條紋對(duì)比度對(duì)比度本節(jié)學(xué)習(xí)了分振幅法的干涉——等傾干涉小結(jié)要求:1.理解定域條紋以及為什么可以用擴(kuò)展光源;2.掌握光程差的計(jì)算、半波損失的考慮;3.掌握等傾干涉條紋的特點(diǎn)。3.6楔形平板產(chǎn)生的干涉2.6楔形平板產(chǎn)生的干涉1)點(diǎn)光源:非定域條紋;
擴(kuò)展光源:定域條紋2)定域面的位置由確定由于兩個(gè)表面存在夾角,干涉定域面與楔板相對(duì)于擴(kuò)展光源的位置有關(guān)。關(guān)于定域區(qū)間1.楔角越小,定域面離楔形板越遠(yuǎn)。當(dāng)楔角為零,即過渡到平行平板的情形,定域面在無限遠(yuǎn)處。2.當(dāng)楔形板足夠薄且楔角不太小時(shí),定域面接近楔形板表面,例如薄膜。3.當(dāng)β
≠0,定域面附近區(qū)域也可看到條紋,對(duì)比度隨著離開定域面的距離增加而降低。此區(qū)域深度稱為定域深度。定域深度反比于光源寬度,與干涉裝置也有關(guān)。4.對(duì)于薄膜,任意觀察點(diǎn)對(duì)應(yīng)的β角都很小,定域深度很大,即便用寬度很大的光源,定域區(qū)間總包含薄膜表面,故薄膜表面總能看到清晰的干涉條紋。二、光程差考慮到板的厚度小,楔角小,近似用平行板代替若上下表面之一有半波損失通常入射角(折射角)為常數(shù),只有h變化,干涉條紋與平板厚度相同點(diǎn)的軌跡對(duì)應(yīng)——等厚干涉平行光垂直入射:三、干涉圖樣對(duì)于折射率均勻的楔形平板,干涉條紋是平行于棱邊的直條紋。楔角愈小,干涉條紋分布愈稀疏3.當(dāng)用白光照射時(shí),將看到由劈棱開始逐漸分開的彩色直條紋。2.當(dāng)有半波損失時(shí),在h=0棱邊處為暗紋,否則為一亮紋。1.條紋間距:1.測(cè)量薄片厚度在兩塊平行板之間,一端完全貼合,另一端墊以厚度為h的薄片F(xiàn),形成楔形空氣層。則薄片F(xiàn)的厚度為:四、應(yīng)用2.測(cè)量透鏡曲率半徑——牛頓環(huán)在平面玻璃上放置一個(gè)曲率半徑R較大的平凸透鏡,形成空氣薄層。單色光垂直照明,獲得以接觸點(diǎn)O點(diǎn)為中心的中央疏邊緣密的圓環(huán)條紋——牛頓環(huán)。牛頓環(huán)裝置由于h
?R牛頓環(huán)裝置設(shè)第N個(gè)暗環(huán)(不算中心暗斑)的半徑為r,因此第N個(gè)暗環(huán)滿足的光程差條件:所測(cè)透鏡曲率半徑得到牛頓環(huán)也可以用來檢驗(yàn)光學(xué)零件的表面質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)規(guī)待測(cè)透鏡暗紋
本節(jié)學(xué)習(xí)了分振幅法的干涉——等厚干涉小結(jié)要求:1.理解定域面位置與定域深度;2.掌握等厚干涉的光程差計(jì)算以及半波損失的考慮;3.掌握楔形板條紋和牛頓環(huán)的特點(diǎn)以及有關(guān)計(jì)算。3.7邁克爾孫干涉儀
邁克耳遜(A.A.Michelson)
美籍德國人邁克爾孫干涉儀(TheMichelsoninterferometer)1883年,設(shè)計(jì)了邁克耳遜干涉儀"以太"?"以太"風(fēng)速度?1.邁克爾孫-莫雷(Morley)以太漂移實(shí)驗(yàn)2.首次系統(tǒng)研究光譜線的精細(xì)結(jié)構(gòu)3.首次直接把光譜線的波長與標(biāo)準(zhǔn)米進(jìn)行比較
邁克耳遜(A.A.Michelson)
美籍德國人邁克爾孫干涉儀(TheMichelsoninterferometer)1883年,設(shè)計(jì)了邁克耳遜干涉儀"以太"?"以太"風(fēng)速度?A.A.Michelson因創(chuàng)造精密光學(xué)儀器,用于進(jìn)行光譜學(xué)和度量學(xué)的研究,并精確測(cè)出光速,獲1907年諾貝爾物理獎(jiǎng)。一、干涉儀結(jié)構(gòu)分光板G1&補(bǔ)償板G2平面反射鏡M1&M2/supply/offerdetail/24691.html二、干涉原理SG1上表面折射下表面反射、折射M1反射M2反射G2上、下表面折射G1上、下表面折射G1上表面折射G1下表面反射P三、光程差①由于G2的存在,兩臂均穿過玻板三次,補(bǔ)償了
光程的不足。②由于與之間是空氣薄膜,上、下兩表面反射時(shí)均存在半波損失,故無額外程差,所以,光程差為:
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