波动光学1-光的干涉
第十一讲波动光学（一）光是人类以及各种生物生活中不可或缺的要素光的本性是什么？牛顿 光是由“光微粒”组成的 光的直线传播 + 机械观惠更斯 托马斯 . 杨 菲涅耳 光是一种介质中传播的波波动特征：干涉、衍射传播光的介质是什么？麦克斯韦的电磁理论 光是一种电磁波迈克尔逊的实验 电磁波的传播不需要介质光电效应 康普顿散射 光具有粒子性这种粒子称做“光量子”德布罗意 所有物质都具有 波粒二象性光的两种互补性质 传播过程中显示波动性与其他物质相互作用时 显示粒子性一、光的相干性 二、杨氏双缝干涉 三、薄膜干涉 四、迈克尔逊干涉仪波动光学（一） 基本内容 重点 * 杨氏双缝干涉* 薄膜干涉一、 光的相干性1 1、普通光源的发光机理、普通光源的发光机理可见光能引起人的视觉的电磁波真空中的波长 400 nm 760 nm发光机理发光机理处于激发态的原子会自发地跃迁到 低激发态或基态，向外辐射电磁波 。- 13.6 e V- 3.4 e V- 1.5 e V氢原子的发光跃迁波列跃迁过程的持续时间约为 10-8 s原子发光的独立性原子发光的独立性各原子或同一原子各次发出的波列，其频率 和振动方向可能不同，每次何时发光不确定。来自两个光源或同一光源的两部分的光，不 满足相干条件，叠加时不产生光的强弱在空间稳 定分布的干涉现象。2 2、相干光的获得方法、相干光的获得方法用单色性好的点光源，把同一光线分成两束 光，经不同路径相遇，然后再叠加。（取自同一 原子的同一次发光）分波阵面分振幅3 3、光程、光程光在不同介质中传播时， 频率不变而波长改变。光在介质中传播时，路程 r 上相位变化为nr 光程把光在介质中通过的几何路程按相位变化 相同折合到真空中的路程。好处是可以统一用 真空中的波长来计算。ndr2r1两束相干光的相位差相位差光程差T. Young二、杨氏双缝干涉1801年，英国人 托马斯 . 杨成功了 一个判别光的性质 的关键性实验。在观察屏上有明 暗相间的等间距条 纹，这只能用光是 一种波来解释。杨还由此实验测 出了光的波长。1 1、双缝干涉的干涉条纹、双缝干涉的干涉条纹r2r1xPSs1s2 DdoS1 和 S2 是同相波源实验中，一般 D 约 1 m ，而 d 约 10-4 m两条光路的光程差为r2r1xPSs1s2 Ddo当 时两列光波在 x 点引起的 光振动同相相长干涉，x 处为明纹两列光波在 x 点引起的 光振动反相当 时相消干涉，x 处为暗纹k = 0 ，0 级明纹k = 1 ，1 级明纹k = 2 ，2 级明纹k = 1 ，1 级明纹k = 2 ，2 级明纹明纹中心的位置k = 0 , 1 , 2 , 暗纹中心的位置k = 1 , 2 , 3 , 相邻两明纹或暗纹间的距离白光的双缝干涉各单色光的 0 级明纹重合形成中央明纹各单色光的 1 级明纹错开形成彩色光谱更高级次的光谱因重叠而模糊不清因为条纹间距与波长成正比2 2、观察屏上的光强分布、观察屏上的光强分布r1r2xPSs1s2 DdoxoI干涉项4I13 3、菲涅耳双棱镜、菲涅耳双棱镜4 4、劳埃德镜、劳埃德镜例题 杨氏双缝的间距为 0.2 mm ，双缝与屏的 距离为 1 m . 若第 1 级明纹到第 4 级明纹的距离 为 7.5 mm ，求光波波长。解mm m mm nm 例题 用云母片（ n = 1.58 ）覆盖在杨氏双缝的一 条缝上，这时屏上的零级明纹移到原来的第 7 级明 纹处。若光波波长为 550 nm ，求云母片的厚度。插入云母片后， P 点为 0 级明纹dPo解插入云母片前， P 点为 7 级明纹m 三、薄膜干涉i in n1 1 n n2 21 1、等倾条纹、等倾条纹两条相干光线到达透镜 焦平面上P点的光程差e e光程差决定于倾角，焦平面上同一干涉条纹 上各亮点（暗点）对应相同的入射角。等倾干涉环明纹暗纹反射干涉环与透射干涉环是互补的。等倾条纹 的形成厚度的影响例题 空气中厚度为 0.32 m 的肥皂膜（n = 1.33）， 若白光垂直入射，问肥皂膜呈现什么颜色？解n ne e红外紫外绿色反射光相长干涉的条件：nm nm nm 例题 平面单色光垂直照射在厚度均匀的油膜上，油 膜覆盖在玻璃板上。当光波波长连续变化时，观察到 500 nm 与 700 nm 两波长的光反射消失。油膜的折射 率为 1.30 ，玻璃的折射率为 1.50 ，求油膜的厚度。解n2n1m 此例无半波损失n2 2、等厚条纹、等厚条纹（1） 劈尖干涉 很小，入射光 垂直入射.两条相干光线的光程差光程差决定于厚度，同一干涉条纹对应的厚度 相同，故称等厚条纹.ene明纹暗纹等厚条纹是一些与棱边平行的明暗相间的直条纹 . 在棱边处形成暗条纹 .nL例题 夹角为 810-5rad 的玻璃劈尖放在空气中。用 波长 589 nm 的单色光垂直入射时，测得干涉条纹的 间距为 2.4 mm ，求玻璃的折射率。解（2） 牛顿环Rr明纹暗纹明环半径暗环半径k = 0, 1, 2, k = 1, 2, 3, 在中心形成一暗斑，越向外环越密，等厚条纹的 级次越高。例题 用钠灯（ = 589.3 nm）观察牛顿环，看到 第 k 级暗环的半径为 4 mm ，第 k+5 条暗环半径 为 6 mm ，求所用平凸透镜的曲率半径 R .解m四、迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪是一种 分振幅双光束干涉仪分振幅 双光束当两镜面相互严格垂直时 等效于平行平面间空气膜 的等倾干涉当两镜面不严格垂直时等 效于空气劈尖的等厚干涉等倾条纹等厚条纹迈克尔逊 莫雷实验（1881年）的否定结果 是相对论的实验基础之一.迈克尔逊干涉仪可用于测长度、测折射率.当平面反射镜面 M1 移动距离 d 等倾干涉（等厚干涉）条纹冒出或缩进 （移过）N 个例题 当把折射率 n = 1.40 的薄膜放入迈克尔逊干 涉仪的一臂时，如果产生了7.0 条条纹的移动，求 薄膜的厚度。（已知钠光的波长 = 589.3 nm ）m解
