第7章波动光学（干涉）

第7章波动光学（干涉）nullnull第 7 章波动光学null20世纪60年代激光问世后，光学有了飞速的发展，形成了非线性光学等现代光学。几何光学：以光的直线传播规律为基础，研究各种光学仪器的理论。量子光学：以光的量子理论为基础，研究光与物质相互作用的规律。波动光学：以光的电磁波本性为基础，研究传播规律，特别是干涉、衍射、偏振的理论和应用。null7.1 光的干涉 “当两列(或几列)满足一定条件的光波在某区域同时传播时,空间某些点的光振动始终加强；某些点的光振动始终减...

nullnull第 7 章波动光学null20世纪60年代激光问世后，光学有了飞速的发展，形成了非线性光学等现代光学。几何光学：以光的直线传播规律为基础，研究各种光学仪器的理论。量子光学：以光的量子理论为基础，研究光与物质相互作用的规律。波动光学：以光的电磁波本性为基础，研究传播规律，特别是干涉、衍射、偏振的理论和应用。null7.1 光的干涉 “当两列(或几列)满足一定条件的光波在某区域同时传播时,空间某些点的光振动始终加强；某些点的光振动始终减弱，在空间形成一幅稳定的光强分布图样”，称为光的干涉现象。  相干条件：(2)频率相同(3)有恒定的位相差(1)振动方向相同满足相干条件的光源就称为相干光源。nullE1E2------自发辐射跃迁波列长 L = t c7.1.1 相干光的获得 1.普通光源与激光光源光源的最基本的发光单元是分子、原子。（1）普通光源发光时间t 10-8snull普通光源每个原子发光是间隙式的;普通光源不是相干光源发光频率，光的振动方向，光波的初位相以及光波的传播方向等都可能不同;它们何时发光完全是不确定的;普通光源各个原子的发光是完全独立的, 互不相关。null（2）激光光源激光光源是相干光源------受激辐射跃迁。例如:氦氖激光器; 红宝石激光器; 半导体激光器等等。完全一样的光子（频率, 相位,振动方向,传播方向都相同）null2. 光的单色性实际原子发光：是一个有限长的波列，不是严格的余弦函数，只能说是准单色光：在某个中心频率（波长）附近有一定频率（波长）范围的光。衡量单色性好坏的物理量是谱线宽度理想的单色光：具有恒定单一频率的简谐光波，它是无限伸展的。null造成谱线宽度的主要原因：（1）自然增宽：由能级自然宽度形成。（2）多普勒增宽：分子、原子的热运动引起。（3）碰撞增宽：碰撞也可增加原子能级宽度。由于谱线频率的展宽，一般波列的长度只有几厘米或几毫米。原子处在各激发态有一定的寿命  ，存在不确定关系：null3. 相干光的获得将光源上同一原子同一次发的光分成两部分，再使它们叠加。null英国科学家 Thomas Young(1773-1829)7.1.2 杨氏双缝干涉 1 杨氏双缝干涉 null（1）条纹(中心)的位置亮纹条件在 较小的情况下k 称为亮纹的级次亮纹位置null暗纹条件暗纹位置相邻两亮纹(或暗纹)之间的距离都是（2）条纹间距白光入射时，0级亮纹为白色，其余级亮纹构成彩带，第二级亮纹就会出现重叠（为什么？）。null干涉级次越高重叠越容易发生。2.复色光源的干涉条纹null相位差在分析光的叠加时十分重要，为便于计算光通过不同媒质时的相位差，引入光程概念。7.1.3 光程光程差 …真空中波长媒质中光从a到b相位改变从相位看：媒质中距离d 包含的波长数与真空中距离nd 包含的波长数相同，即二者产生相同的相差。null nd —在折射率为 n 的媒质中，光走距离 d 的等效真空路程，称为光程【例】设两束光经历的光程分别为1和2，这两束光的光程差写作：如果两相干波源同相位，则这两束光在相遇点引起的两个振动的相位差为null在光学中常用到透镜。3.透镜近轴光线的等光程性实验告诉我们：物点到像点各光线之间的光程差为零。null 薄膜干涉是分振幅干涉。等厚条纹——同一条纹相应膜的同一厚度。 日常见到的薄膜干涉例子：肥皂泡，雨天地上的油膜，昆虫翅膀上的彩色 ------。 膜为何要薄？ 薄膜干涉有两种条纹：等倾条纹——同一条纹相应入射光的同一倾角。——光的相干长度所限。7.1.4 薄膜干涉 null1 增透膜增反膜增透膜：膜上下两表面的反射光满足干涉减弱条件。如：MgF2 薄膜，平行光垂直入射时，增透条件为增反膜：膜上下两表面的反射光满足干涉加强条件。MgF2 薄膜的增反条件为null2. 劈尖劈尖——夹角很小的两个平面所构成的薄膜。劈尖干涉在膜表面附近形成明、暗相间的条纹。 A通常让光线几乎垂直入射null设单色平行光线在A点处入射，膜厚为e ，反射光1单色平行光垂直入射 ennn·A反射光2(设n > n ) 一个厚度e，对应着一个光程差，对应着一个条纹——等厚条纹。亮纹暗纹null设相邻两条亮纹对应的厚度差为 e：有在此问题中，棱边处是亮纹还是暗纹？（答：暗纹）亮纹与暗纹等间距地相间排列。null把劈尖上表面向上缓慢平移，有何现象？劈尖角不变，条纹间距不变；劈尖上总条纹数不变。把劈尖角逐渐增大，有何现象？劈尖角变大，条纹间距变小；劈尖上总条纹数变多。劈尖上表面向上缓慢平移时等光程差处向劈棱处移动，条纹向劈棱处移动。劈尖角增大时等光程差处向劈棱处移动，条纹向劈棱处挤。null 2. 检测表面质量。请问：此待测工件表面上，有一条凹纹还是一条凸纹？应用举例： 1. 测光波的波长。null 3. 测微小直径、厚度（或镀膜厚度）。null平凸透镜与平晶间形成空气劈尖。e 可用 r, R 表示:3. 牛顿环null对空气劈尖，光程差（∵n=1）(1)代入(2)得，第k 级暗环半径为暗环：中心是暗点（k =0）所以条纹间距：内疏外密null实用的观测公式：（暗纹）牛顿环装置还能观测透射光的干涉条纹，它们与反射光的干涉条纹正好亮暗互补。(为什么？) 或测入射光的波长 可据上式测透镜球面的半径Rnull 可用牛顿环检验透镜（的球面）表面质量若球面不规则nullnull仪器结构示意图若M1’与M2平行 -------等倾条纹若M1’与M2有小夹角 -------等厚条纹M12211半透半反膜补偿板反射镜反射镜光源观测装置4 迈克尔逊干涉仪 null 例.等厚条纹时反射镜平移，则干涉条纹移动。若干涉条纹移过N条，则反射镜平移距离为显微镜测量可以精确到一个条纹的十分之一，null应用举例▲ 光路1中插入介质，可测折射率 n 或测插入介质的厚度 l 。▲ 微小位移测量（机光电结合）若反射镜平移距离为1cm,则N约为105, 必须利用机光电自动控制技术来操作。

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