医用物理学 第十章 波动光学 第一讲 光的干涉 公开课课件

1、人类对光本质的认识： 牛顿的微粒说（Particle theory） =惠更斯的波动说（Wave theory） =麦克斯韦电磁波说（Electromagnetic wave theory） =爱因斯坦的光量子说（Quantum light theory）,光是人类以及各种生物生活中不可或缺的要素,光学篇（Optics),波动光学(Wave Optics) 几何光学(Geometrical Optics) X射线(X-ray),第十章 波动光学,光的干涉 光的衍射 *光的偏振,教学大纲要求 1.理解光的相干条件及获得相干光的基本原理和方法。 2.掌握杨氏双缝干涉实验的基本装置和实验规律及干涉条纹位置的计算。 3.确切理解光程的概念，掌握光程和光程差的计算方法，熟悉光程差和相位差之间的关系， 4.理解半波损失概念，在什么情况下有半波损失。,5.掌握薄膜干涉的规律及干涉条纹位置的计算。掌握薄膜干涉在实际中的应用。 6.了解光的衍射现象，了解菲涅耳衍射与夫琅禾费衍射的区别。 7.了解惠更斯-菲涅耳原理及其在光衍射现象中的应用。 8.了解单缝衍射的实验装置，掌握半波带法在分析单缝衍射中的应用。

2、了解圆孔衍射和艾里斑。,9.理解瑞利判据，能定性分析衍射对光学仪器分辨能力的影响。 10.理解光栅衍射条纹的成因和特点，掌握光栅方程和明暗条纹形成条件及它们的应用。,电磁波(家)谱,无线电波,红外线,可见光,紫外线,X射线,射线,微波,太赫兹,电学,光学,原子核,“THz空隙”,Electromagnetic Spectrum,光本质上是种电磁波，可见光波长为400760nm之间。光的干涉、衍射现象证明了光的波动性，而偏振现象则证明了光的横波性质。,红 760nm630nm 橙 630nm590nm 黄 590nm570nm 绿 570nm500nm 青 500nm460nm 蓝 460nm430nm 紫 430nm400nm,光的干涉(interference of light)：满足一定条件的两束光重叠时,在叠加区域形成稳定、不均匀的光强分布的现象.,彩色的肥皂泡,光的干涉在历史上曾作为光的波动性的重要例证.,10-1 光的干涉,一、光的相干性：,任何发射光波的物体称为光源。 光是电磁波。 可见光是能引起人的视觉的那部分电磁波。,光源 （light source）,相干条件：,频率

3、相同(same frequency) 振动方向相同 (same direction of vibration) 相位差恒定 (constant phase difference),1、相干光(coherent light) ：相干光源发出的光。,物质发光的基本单元分子、原子等从具有较高能量的激发态向具有较低能量的状态(基态或低激发态)跃迁时,发射的一个电磁波波列(wave train).,普通光源的发光机理:,原子的发光跃迁,基态,激发态,跃迁 （transition）,自发辐射(spontaneous emission）,跃迁过程的持续时间约为 10-8 s,普通光源发光特点 原子发光是断续的,每次发光形成一长度有限的波列,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； 来自两个光源或同一光源的两部分的光,不满足相干条件,叠加时不产生干涉现象.,独立（同一原子不同时刻发的光）,独立 （不同原子同一时刻发的光）,自发辐射,两个独立的普通光源不是相干光源,分振幅法,原则: 将同一波列的光分成两束，经不同路经后相遇，实现干涉。,2、相干光的获得方法,分波阵面法,二、光程与光程差

4、:,光在介质中传播时，光振动的相位沿传播方向逐点落后。光传播一个波长的距离，相位变化2。,相位差在分析光的干涉时十分重要，为便于计算 光通过不同媒质时的相位差，引入“光程”的概念。,1.光 程 (optical path),介质中：路程r，波速u，波长，折射率n。 真空中：路程L，波速c，波长 。时间t，频率f。,L=ct=nut=nr,光程: L=nr,光波在介质中所经历的几何路程r与该介质的折射率n的乘积。,光程：L = (ni ri ),2.光程差（optical path difference）：,3.相位差和光程差的关系：,意义：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可以统一用真空中的波长来计算.,解：,例1、如图，在S2P 间插入折射率为n、厚度为d 的媒质。求：光由S1、S2 到 P 的相位差 。,通过薄透镜的近轴光线具有等光程性.,焦平面,使用透镜不会产生附加光程差，物点到象点各光线之间的光程差为零等光程性（aplanatism）。,托马斯杨 (T. Young, 1773-1829)英国物理学家兼医生,三、杨氏双缝干涉（double-slit in

5、terference）,相干光的产生: 分波阵面法,实验中,Dd,一般 D 约1 m ,而d 约 10-4 m, S1 和 S2 是同相波源.,2.干涉规律,光程差的计算,设实验在真空（或空气）中进行，则由S1和S2所发出的光波到P点的光程差为：,明纹中心,两相邻明纹间距,干涉相长,干涉明条纹的位置,k=0时，x=0，=0，为零级明纹或中央明条纹,暗纹中心 ：,两相邻暗纹间距：,干涉暗条纹的位置,干涉相消,明纹中心位置：,两相邻明纹间距：,暗纹中心位置：,两相邻暗纹间距：,实验装置在折射率为n介质中,光程差：,(1)一系列平行的明暗相间的条纹；x=0 有 k=0，在O处为明条纹，在O点两侧对称分布明暗相间纹。,(2) 不太大时条纹等间距。,3.干涉条纹分布的特点,用不同波长的单色光源做实验时，条纹的间距不相同，波长短的单色光条纹间距小；波长长的单色光条纹间距大。,(3) 条纹间距x。,(4)如果用白光做实验，只有中央明条纹是白色的，其他各级都是由紫到红的彩色条纹。,杨氏双缝实验不仅证实了光的波动理论，同时还提供了测量光波波长的方法，在历史上实现了第一次测定光波波长这个重要的物理量。,相

6、邻明条纹(或相邻暗条纹)间距,4.杨氏干涉实验的应用测量光波波长,方法一,方法二,干涉问题分析要点 (1)搞清发生干涉的光束； (2)计算波程差(光程差)； (3)搞清条纹特点：形状、位置、级次分布等.,例2、双缝干涉实验中,用钠灯作光源, 波长=589.3nm,屏与双缝的距离D=500mm.求：在d=1.2mm和d=10mm两种情况下相邻明条纹间距。(2)若相邻明条纹的最小分辨率距离x=0.065mm,能分清干涉条纹的双缝间距最大为多少？,(2),解：(1),在双缝干涉实验中：,（1）如何使屏上的干涉条纹间距变宽？,（2）将双缝干涉装置由空气中放入水中时， 屏上的干涉条纹有何变化？,（3）若S1、S2两条缝的宽度不等，条纹有何 变化？,思考:,？,（1）,若已定，只有D、d（仍然满足d )，条纹间距 变宽。,两相邻明纹（或暗纹）间距,（2）将双缝干涉装置由空气中放入水中时，屏上 的干涉条纹有何变化？,n水 n空气,实验装置放入水中后条纹间距变小。,（3）两条缝的宽度不等，使两光束的强度不等；虽然干涉条纹中心距不变，但原极小处的强度不再为零，条纹的可见度变差。,现：可见度差,原：可见度

7、好,例3、一波长为的红光，其二级明条纹出现的位置与另一波长为的色光的三级明条纹相同，求另一色光的,解根据题意得,则,例4、 在双缝干涉实验中，双缝间距为0.60mm，光源波长为600nm，条纹间距为1.5mm，1）屏幕距双缝多远？2）若用折射率为1.3、厚度为0.01mm的薄膜遮盖其中一缝S1，则中央明纹处将变为明纹还是暗纹？是几级？,解：1),则屏幕距双缝,2)中央明纹的光程差为,中央明纹将变为5级明纹,4)若使中央明纹处变成暗纹，求膜的最小厚度？,3)条纹移动的距离？中央明纹位置？,例5 用白光作双缝干涉实验时，能观察到几级清晰 可辨的彩色光谱？,解: 用白光照射时，除中央明纹为白光外，两侧形成内紫外红的对称彩色光谱.当k级红色明纹位置xk红大于k+1级紫色明纹位置x(k+1)紫时，光谱就发生重叠。据前述内容有,将 红 = 760nm， 紫 = 400nm代入得 k=1.1,这一结果表明：在中央白色明纹两侧，只有第一级彩色光谱是清晰可辨的。,由 xk红 = x(k+1)紫 的临界情况可得,因为k只能取整数，所以应取 k=2,四.洛埃镜（Lloyd mirror）实验,当屏幕P移至L

8、处,从S1和S2到L点的光程差为零,但是观察到L点为暗条纹验证了反射时有相位突变, 即是有半波损失（half-wave loss）存在.,缝光源,虚光源,反射镜,媒质1:光疏媒质 媒质2:光密媒质,n1,n2,折射波,反射波,入射波,即是光从光疏媒质传向光密媒质，在其分界面上反射时将发生半波损失。折射波无半波损失。,半波损失,若 n1 n2,光从光疏介质(折射率较小)射向光密介质(折射率较大)时反射光的相位较之入射光的相位跃变了,相当于反射光与入射光之间附加了半个波长的波程差,称为半波损失.,洛埃德镜实验不但显示了光的干涉现象，证实了光的波 动性，而且更重要的是它证明了光由光疏介质射向光密 介质表面发生反射时，反射光会发生半波损失。,(1) 反射光与入射光比较,n1 n2有半波损失,(2) 经介质膜上下界面两反射光比较,n1 n2无半波损失,讨论:,油层彩色,气球彩色,肥皂膜的干涉彩色条纹,1、现象：白光照在肥皂膜及水面油膜上，能观察到彩色花纹。 2、产生原因：光照在透明薄膜时，在膜前后两个表面都有部分反射，这些反射波来自同一光源，只是经历了不同的路程而有恒定的相位差，因而是相干的，它

9、们相遇时就会发生干涉现象。,五.薄膜干涉（film interference）,3、干涉条纹分析,光程差=2nd+/2 干涉条件： =2nd+/2 = k(k=1，2，) d=(2k-1)/4n，干涉相长，明条纹 =2nd+/2=(2k-1)/2，(k=1，2，) d= k/2n，干涉相消，暗条纹,入射光垂直入射时： (设膜置于真空或空气中）,n1= n2n,讨论： 膜上下为同种介质时： n1=n2n(膜上表面无半波损失，膜 下表面有半波损失)n1=n2n(膜上 表面有半波损失，膜下表面无半波 损失) =2nd+/2=k (k=1，2，) 干涉相长，明纹 =2nd+/2=(2k-1)/2 (k=1，2，) 干涉相消，暗纹,膜折射率介于上下媒质折射率之间时： n1nn2 (膜上下表面均无半波损失) n1nn2 (膜上下表面均有半波损失) =2nd=k (k=1，2，) 干涉相长，明纹 =2nd=(2k-1)/2 (k=1，2，) 干涉相消，暗纹,反射光的光程差(假设膜上下为同种媒质),入射光以入射角i入射时：,=k(k=1，2，) 明条纹 =(2k-1)/2，(k=1，2，) 暗条纹,注意：透射光和反射光干涉具有互补性,当反射光干涉加强时，透射光干涉则减弱，符合能量守恒定律。,透射光的光程差,反射光的光程差,干涉加强和减弱的条件,明纹,暗纹,可见,光程差决定于倾角（incident angle）,焦平面上同一干涉条纹上各亮点(暗点)对应相同的入射角.,对反射光,对透射光,增透(射)膜和增反(射)膜,增透膜（antireflection film）-利用薄膜上、下表面反射光的光程差符合相消干涉条件来减少反射，从而使透射增强。 增反膜（highly reflection film）-利用薄膜上、下表面反射光的光程差满足相长干涉，因此反射光因干涉而加强。,光源是白光时： 某一颜色的光得到加强，其它颜色的光依次减弱。在簿膜干涉中，当膜厚度不均匀时，反射光的颜色随厚度而分布。在阳光照射下肥皂泡的颜色的分

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