1、光光 学学 篇篇光光 学学 篇篇光光学学几何几何光学光学物理物理光学光学(以光的直线传播为基础：光的独立以光的直线传播为基础：光的独立传播定律，光的反射和折射定律传播定律，光的反射和折射定律)波动波动光学光学量子量子光学光学实验基础：光的干涉、衍射、偏振现象实验基础：光的干涉、衍射、偏振现象理论基础：麦克斯韦电磁场理论理论基础：麦克斯韦电磁场理论模型：模型：电磁波电磁波 涉及范围：光的传播及其规律涉及范围：光的传播及其规律实验基础：光电效应、康普顿效应实验基础：光电效应、康普顿效应理论基础：量子论理论基础：量子论模型：模型：光量子光量子 涉及范围：光和物质的相互作用涉及范围：光和物质的相互作用
2、几何光学几何光学17世纪世纪波动光学波动光学19世纪世纪量子光学量子光学20世纪世纪光是电磁波光是电磁波 kEH一、一、电磁波的产生电磁波的产生 1.电磁波是交变电磁场在空间的传播电磁波是交变电磁场在空间的传播0cos()rEEtu0cos()rHHtu2.电磁波是横波电磁波是横波Oxyz/EHkEH3.电场与磁场大小的关系电场与磁场大小的关系4.波速波速1u810012.9979 10 m sc 真空中真空中212wE5.电磁波的能量密度电磁波的能量密度212H光具有波动性的判据光具有波动性的判据干涉现象干涉现象衍射现象衍射现象光是横波的判据光是横波的判据光是一种电磁波，光是一种电磁波，光矢
3、量光矢量用用 矢量表示光矢量矢量表示光矢量,它在它在引起人眼视觉和底片感光上起主要作用引起人眼视觉和底片感光上起主要作用。E偏振现象偏振现象二、二、光是电磁波光是电磁波 光色光色 波长波长(nm)频率频率(Hz)中心波长中心波长(nm)红红 760622 660 橙橙 622597 610 黄黄 597577 570 绿绿 577492 540 青青 492470 480 兰兰 470455 460 紫紫 455400 430 141410841093.141410051084.141410451005.141410161045.141410461016.141410661046.141410
4、571066.可见光七彩颜色的波长和频率范围可见光七彩颜色的波长和频率范围14-1 光源光源 光的相干性光的相干性14-2 光程光程 光程差光程差14-4 薄膜干涉薄膜干涉14-5 迈克耳逊干涉仪迈克耳逊干涉仪第十四章第十四章 波动光学波动光学第一部分第一部分 光的干涉光的干涉14-3 杨氏干涉实验杨氏干涉实验第二部分第二部分 光的衍射光的衍射14-9 X射线的衍射射线的衍射 布拉格方程布拉格方程14-8 衍射光栅衍射光栅14-6 光的衍射现象光的衍射现象 惠更斯菲涅耳原理惠更斯菲涅耳原理14-7 单缝和圆孔单缝和圆孔的夫琅和费衍射的夫琅和费衍射第三部分第三部分 光的偏振光的偏振14-10 自
5、然光和偏振光自然光和偏振光14-11 偏振片的起偏和偏振片的起偏和检偏检偏 马吕斯定律马吕斯定律14-12 反射和折射时光的反射和折射时光的偏振偏振14-13 双折射现象双折射现象14-1 光源光源 光波的相干性光波的相干性 一、一、光源光源 (1)热辐射热辐射(2)电致发光电致发光(3)光致发光光致发光(4)化学发光化学发光 自自发发辐辐射射(5)同步辐射同步辐射(6)激光激光 受受激激辐辐射射发光机理发光机理光源的最基本发光单元是分子、原子。光源的最基本发光单元是分子、原子。原子发光机制原子发光机制 当原子吸收外界能量后，由低能级跃迁到高能级，但在高能级不稳定，又会从高能级跳回低能级。低能
6、级低能级波列波列L=L=c c高能级高能级E E2 2E E1 121/EEh981010 s2 2.各原子发光是随机的，无固定相位差。各原子发光是随机的，无固定相位差。1 1.原子每次发光的时间很短，只有原子每次发光的时间很短，只有1010-8 8秒。对应秒。对应的波列的长度称为相干长度的波列的长度称为相干长度.两个频率相同的钠光灯不能产生干涉现象，两个频率相同的钠光灯不能产生干涉现象，即使是同一个单色光源的两部分发出的光，也不即使是同一个单色光源的两部分发出的光，也不能产生干涉。能产生干涉。无干涉现象1.普通光源：普通光源：属于自发辐射属于自发辐射结论：结论：普通光源发光具有普通光源发光具
7、有独立性、随机性、间歇性独立性、随机性、间歇性(1)一个分子一个分子(或原子或原子)在一段时间内发出一列光波在一段时间内发出一列光波,发光时发光时间持续约间持续约1081010s.(间歇性间歇性)(2)同一分子同一分子在不同时刻所发光的频率、振动方向不一定相在不同时刻所发光的频率、振动方向不一定相同。（同。（随机性、独立性随机性、独立性）非相干非相干(不同原子发的光不同原子发的光)非相干非相干(同一原子先后发的光同一原子先后发的光).(3)各分子各分子在同一时刻所发光的频率、振动方向、相位也不在同一时刻所发光的频率、振动方向、相位也不一定相同一定相同.(独立性、随机性独立性、随机性).2.激光
8、光源：激光光源：受激辐射受激辐射 =(E2-E1)/hE1E2 (频率、相位、振动方向频率、相位、振动方向)完完全一样全一样 激光光源能发出频率、相位、振动方向、传播激光光源能发出频率、相位、振动方向、传播方向相同的光。方向相同的光。二、二、光的单色性光的单色性 单色光：具有同一波长（频率）的光单色光：具有同一波长（频率）的光（光学的理想化模型）（光学的理想化模型）同一种原子组成的光源发出的光同一种原子组成的光源发出的光波频率也有一定的宽度波频率也有一定的宽度 0 oII0I0/2 谱线宽度谱线宽度 越小，谱线的单色性越好越小，谱线的单色性越好复色光：复色光：各种频率复合的光称为各种频率复合的
9、光称为复色光复色光 普通光源普通光源所发光为复色光所发光为复色光,单色光源单色光源发光为单色光发光为单色光.激光为最好的单色光源激光为最好的单色光源.谱线宽度：谱线宽度：I0/2(I0是谱线最大强度是谱线最大强度)处处的谱线的波长范围的谱线的波长范围 (或频率范围或频率范围 )普通单色光普通单色光的谱线宽度的谱线宽度：10-3 0.1 nm激光激光的谱线宽度的谱线宽度：10-9 10-6 nm 越小越小，光的单色性就越好。光的单色性就越好。产生单色光的方法产生单色光的方法(1)利用色散利用色散;(2)利用滤波片利用滤波片;(3)利用单色光源利用单色光源;(4)激光激光三、光的相干性三、光的相干
10、性1.干涉现象干涉现象 两列光波相遇时两列光波相遇时,出现稳定的明暗相间花样称为出现稳定的明暗相间花样称为光的干涉现象光的干涉现象.2.相干光相干光满足相干条件：满足相干条件：(1)频率相同；频率相同；(2)振动方向相同；振动方向相同；(3)相位差恒定相位差恒定.一般两独立普通光源发出的光不是相干光一般两独立普通光源发出的光不是相干光(激光激光除外除外),只有同一光源只有同一光源,同一发光区域同一发光区域,同一时刻发出同一时刻发出的光的光(即同一原子即同一原子,同一时刻同一时刻)才满足相干条件才满足相干条件.3.普通光源获得相干光的途径普通光源获得相干光的途径相干光只能从一个原子一次发光中获得
11、。相干光只能从一个原子一次发光中获得。(1)分波面法分波面法(2)分振幅法分振幅法四、四、如何获得相干光如何获得相干光1.分波阵面法分波阵面法 从点光源发从点光源发出的同一波列出的同一波列的同一波面上，的同一波面上，取出两个次波取出两个次波源，这两个此源，这两个此波源为相干光波源为相干光源。源。分波阵面法分波阵面法1s2s*光源光源2.分振幅法分振幅法 将光束中的每个将光束中的每个波列都分成两列，波列都分成两列，二分波列为相干光。二分波列为相干光。振幅分割法振幅分割法薄膜薄膜 光的干涉部分主要讨论杨氏双缝干涉和薄膜干涉。光的干涉部分主要讨论杨氏双缝干涉和薄膜干涉。白光下的肥皂膜白光下的肥皂膜蝉
12、翅在阳光下蝉翅在阳光下14-2 光程光程 光程差光程差14-2 光程光程 光程差光程差一一 光程光程 光程差光程差为什么要引入光程的概念？为什么要引入光程的概念？例子：相干光源例子：相干光源s1、s2初相相同，到达初相相同，到达p的距离相同，的距离相同，但经过的媒质不同，但经过的媒质不同，p点的干涉结果如何？点的干涉结果如何？结论：结论：p点的干涉结果取决点的干涉结果取决于两相干光在于两相干光在p点的相位差点的相位差.22rrp点的相位差点的相位差 计算能否化简呢？计算能否化简呢？1sPr*2s*rn光光在真空在真空中走中走r 长的距离长的距离 相位改变了相位改变了 2r 真空中波长真空中波长
13、光光在媒质在媒质中走中走r 长的距离长的距离相位改变了相位改变了 2rcnuu c因光通过媒质时因光通过媒质时频率频率不变不变uucc u 媒质中波长媒质中波长n媒质中的波长媒质中的波长媒质的折射率媒质的折射率光在媒质中走光在媒质中走r 长的路相位改变了长的路相位改变了 22rnr结论：结论：光在光在媒质媒质中走过中走过r的路程引起的相位变化，的路程引起的相位变化，等于光在等于光在真空真空中走中走nr路程引起的相位变化。路程引起的相位变化。定义：光波在某一媒质中所经历的几何路程定义：光波在某一媒质中所经历的几何路程与这媒质的折射率的乘积为光程，用与这媒质的折射率的乘积为光程，用L表示，则：表示
14、，则：nrL 1.光程光程 22rrP点的相位差点的相位差 2nrr2.光程差光程差 21LLnrr1sPr*2s*rn相位差和光程差的关系相位差和光程差的关系2,0,1,2,kk 20,1,2,k,k 干涉干涉加强加强 干涉干涉减弱减弱(21),0,1,2,2kk(21),0,1,2,kk 引入光程这个概念的目的就是把媒质引入光程这个概念的目的就是把媒质中的问题折算到真空中来处理，这样只需中的问题折算到真空中来处理，这样只需知道真空中的波长即可求得相位差知道真空中的波长即可求得相位差2由光程差计算由光程差计算1S2Snn1r2rPd212()n rdndn r相位差相位差光程光程 i iin
15、r 1n2nin1r2rir多种介质多种介质 二、透镜不引起附加光程差FF 通过光轴的光线波程最短，但在透镜中的光程长；通过光轴的光线波程最短，但在透镜中的光程长；远离光轴的光线波程长，但在透镜中的光程短，总的远离光轴的光线波程长，但在透镜中的光程短，总的来讲，各条光线的光程都是相同的。来讲，各条光线的光程都是相同的。例例1 1 在相同时间内，一束波长为在相同时间内，一束波长为的单色光在空气中和的单色光在空气中和玻璃中传播的距离相同吗？走过的光程相同吗？玻璃中传播的距离相同吗？走过的光程相同吗？解：解：空气中传播的距离空气中传播的距离玻璃中传播的距离玻璃中传播的距离rc t crttn u空气
16、中传播的光程空气中传播的光程rc t 玻璃中传播的光程玻璃中传播的光程nrc t 解：解：例例2 2 如图计算如图计算p点的光程差。点的光程差。21LL22222Lrdn d11111Lrdn d22221111222111212211 11 11rdn d)(rdd)(r(n)d)(r(n)d)rr(n)d(n)d（pd1n1d2n2r1r2s1s214-3 杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉14-3 杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉 杨杨(T.Young)在在1801年年首先首先发现光的干涉发现光的干涉现象，并首次测量了现象，并首次测量了光波的波长。光波的波长。采用分波面法获得相干光采用分波面法获得相干光一
17、、杨氏双缝干涉实验一、杨氏双缝干涉实验一一 杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验1.实验装置实验装置(点源点源 分波面分波面 相遇相遇)1s2s明条纹位置明条纹位置明条纹位置明条纹位置明条纹位置明条纹位置S2.现象现象与缝平行、等宽、等间距、明暗相间、与缝平行、等宽、等间距、明暗相间、对称分布的干涉条纹对称分布的干涉条纹pxoo1r2r1s2ss2a1.光程差光程差2DaD21rr2axD二、二、双缝干涉基本规律双缝干涉基本规律(21)2k 干涉减弱干涉减弱22k干涉加强干涉加强0,1,2,k(21)22Dka暗纹中心暗纹中心222Dkax 明纹中心明纹中心0,1,2,k 2.2.干涉条纹位置干涉
18、条纹位置 每一条纹都对应着一定的光程差每一条纹都对应着一定的光程差(相位差相位差)，如第三，如第三级明纹对应的波程差为级明纹对应的波程差为3 3。2axD思考：思考：如如D、不变，而不变，而2a减小，某级条纹的位置如何变化？减小，某级条纹的位置如何变化？3.3.干涉条纹形状及间距干涉条纹形状及间距形状：形状：明暗相间的直条纹明暗相间的直条纹(平行于狭缝平行于狭缝)间距：间距：条纹均匀分布条纹均匀分布相邻两条明纹或暗纹的距离：相邻两条明纹或暗纹的距离：12kkDxxxa 级次：级次：中间条纹级次低中间条纹级次低,以以0 0级明纹为中心，两边对称。级明纹为中心，两边对称。0 0级亮纹级亮纹+1+1
19、级级+2+2级级-1-1级级-2-2级级观察屏观察屏暗纹暗纹 x x0级明纹为白色，级明纹为白色，其余明纹为彩色条纹其余明纹为彩色条纹 。4.4.白光入射白光入射k级彩色亮纹所在的位置坐标级彩色亮纹所在的位置坐标红红紫紫白白紫紫紫紫紫紫红红红红红红k=1k=-1k=-2k=0k=22Dxka 5.强度分布强度分布2xaD012kk(,)亮纹亮纹210122kk()(,)暗纹暗纹（光强极大位置）（光强极大位置）22Dxka（光强极小（光强极小位置）位置）两光线光程差两光线光程差(21)2Dxka(1)屏上相邻明条纹中心或相邻暗条纹中心间距为屏上相邻明条纹中心或相邻暗条纹中心间距为2Dxa一系列等
20、间距的一系列等间距的明暗相间条纹明暗相间条纹(4)当用白光作为光源时，在零级白色中央条纹两边对称地当用白光作为光源时，在零级白色中央条纹两边对称地排列着几条彩色条纹排列着几条彩色条纹 Ik012-1-24I0 x0 x1x2x-2x-1光强分布光强分布讨论讨论(2)已知已知 2a,D 及及x,可测可测(3)x 正比正比 ,D;反比反比 a第第k级光谱的宽度级光谱的宽度谱线重叠满足的条件为谱线重叠满足的条件为1122kk6 6 条纹的重叠条纹的重叠 当波长当波长 1的第的第k1级谱线与波长级谱线与波长 2的第的第k2级级谱线重叠谱线重叠时，时，它们有相同的光程差。它们有相同的光程差。k越大，光谱
21、越宽，级数较高的谱线会发生越大，光谱越宽，级数较高的谱线会发生重叠重叠。复色光的波长范围复色光的波长范围1221()2kDxka1121k例例1 1 在杨氏实验装置中，采用加有蓝绿色滤光片的白光光在杨氏实验装置中，采用加有蓝绿色滤光片的白光光源，它的波长范围为源，它的波长范围为=100 nm，平均波长为，平均波长为 =490 nm.试估算从第几级开始，条纹将变得无法分辨。试估算从第几级开始，条纹将变得无法分辨。k=4,从第五级开始无法分辨从第五级开始无法分辨.解解21100 nm 波长范围波长范围12490nm2平均波长平均波长211k(k)条纹开始重叠时有条纹开始重叠时有可以清晰分辨的最大级
22、次可以清晰分辨的最大级次k与该干涉级次与该干涉级次k对应的光程差，就是实现相干的最大光程对应的光程差，就是实现相干的最大光程差，即差，即 2maxk只有在只有在 的条件下，才能观察到干涉条的条件下，才能观察到干涉条纹纹 称为称为相干长度相干长度。maxmax每个原子发光持续的时间每个原子发光持续的时间 t101010-8s ，每一列光，每一列光的长度的长度l=c t 。相干长度：相干长度：两列相干光能产生干涉所允许的最大光程差即两列相干光能产生干涉所允许的最大光程差即在真空中光波列的长度在真空中光波列的长度l=c t相干时间：相干时间：两列波到达干涉点所允许的最大时间差（即发两列波到达干涉点所
23、允许的最大时间差（即发光时间）。光时间）。ltc 三、相干长度和相干时间三、相干长度和相干时间如图：两列长度有限的相干波传递到媒质中一点，应满足什如图：两列长度有限的相干波传递到媒质中一点，应满足什么条件才肯定会干涉？么条件才肯定会干涉？1S2SP1r2r1n2n不相遇不相遇光程差不能太大，把能够产生干涉现象光程差不能太大，把能够产生干涉现象的最大光程差称为的最大光程差称为相干长度相干长度。显然，。显然，相干长度等于一个波列的长度。相干长度等于一个波列的长度。P1M2MLo2a2sD1.菲涅耳双面镜菲涅耳双面镜1ss四、分波阵面干涉的其他实验四、分波阵面干涉的其他实验2.2.劳埃德镜劳埃德镜
24、半波损失半波损失 ：光从光速较大（光疏介质）的介质射：光从光速较大（光疏介质）的介质射向光速较小（光密介质）的介质时反射光的相位较向光速较小（光密介质）的介质时反射光的相位较之入射光的相位跃变了之入射光的相位跃变了 ,相当于反射光与入射光之相当于反射光与入射光之间附加了半个波长的波程差，称为半波损失间附加了半个波长的波程差，称为半波损失.2sa2PMD1sPL 一定时，若一定时，若 变化，则变化，则 将怎样变化？将怎样变化？2Da、x例例2 例例3 3 单色光照射到相距为单色光照射到相距为0.2mm的双缝上，双的双缝上，双缝与屏幕的垂直距离为缝与屏幕的垂直距离为1m。求（求（1 1）从第一条明
25、纹到同侧旁第四明纹间的距离）从第一条明纹到同侧旁第四明纹间的距离为为7.5mm，求单色光的波长；，求单色光的波长；解解（1 1）根据双缝干涉明纹分布条件：）根据双缝干涉明纹分布条件：2 1 0 2 ，kaDkx明纹间距：明纹间距：)(2141441kkaDxxx、得：得：)(21441kkDxa、将将 2a=0.2mm，x1，4=7.5mm，D=1000mm 代入上式代入上式500nmmm105)14(10005.72.04当当=600nm时，由相邻明纹间距公式时，由相邻明纹间距公式mm0.31062.0100024aDx （2）若入射光的波长为）若入射光的波长为600nm，求相邻两明纹的，求
26、相邻两明纹的距离。距离。例例4 4 双缝一缝前若放一云母片，原中央明纹处被第双缝一缝前若放一云母片，原中央明纹处被第7 7级明级明纹占据。已知纹占据。已知1.58n云550nm求：云母片厚度求：云母片厚度l1s2sr2r17k 0k 解：解：盖上云母片条纹为何移动？盖上云母片条纹为何移动？光程差改变光程差改变0 0级明纹的位置？级明纹的位置？上面上面从从S1和和S2发出的相干光所对应的光程差发出的相干光所对应的光程差 21()rrLnL零级条纹对应的光程差为零，零级条纹对应的光程差为零，其位置应满足其位置应满足 21()0rrLnLk21(1)0rrnL所以零级条纹上移所以零级条纹上移 移动一
27、级条纹，光程差改变多少？移动一级条纹，光程差改变多少？nll771ln光程差改变量光程差改变量66.6 106.6mm97 550 101.58 1550nm1s2sr2r17k 0k【内容回顾】【内容回顾】光光的的干干涉涉获得相干光的途径获得相干光的途径分波振面法分波振面法分振幅法分振幅法杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉薄膜干涉薄膜干涉2xaD012kk(,)亮纹亮纹210122kk()(,)暗纹暗纹_012kk(,)亮纹亮纹210122kk()(,)暗纹暗纹？2022-7-215214-4 薄薄 膜膜 干干 涉涉大学物理课程大学物理课程2022-7-2153 薄膜干涉薄膜干涉 生活实例生活实例20
28、22-7-2154 薄膜干涉薄膜干涉昆虫的彩色翅膀蜂鸟颈部光环2022-7-2155薄膜干涉光程差薄膜干涉光程差半波损失半波损失干涉图样干涉图样几种特殊情况几种特殊情况2022-7-2156iDE5B21.1.光程差光程差 光程差由两部分组成：一部分是由于走过光程差由两部分组成：一部分是由于走过不同不同的媒质的媒质与与几何路径几何路径而引起，另一部分是由而引起，另一部分是由半波损失半波损失而引起。而引起。LP1n1n2n1M2MeC34A1FD 薄膜干涉薄膜干涉2022-7-2157P1n1n2n1M2MeLiDC34E5A1B2F1n1M2M2n1n1M2M1n2n1n1M2M1n2n1n1
29、M2M1n2n1n1M2MAiAiA1iAF5F112nn 设设21n(ABBC)n AD反2两束反射光的光程差两束反射光的光程差两束透射光的光程差两束透射光的光程差BFnCEBCn12)(透 薄膜干涉薄膜干涉2022-7-215812sinsinnincoseBCABsin2tansinADACieiP1n1n2n1M2MeLiDC34E5A1B2F1n1M2M2n1n1M2M1n2n1n1M2M1n2n1n1M2M1n2n1n1M2MAiAiA1iAF5F1折射定律折射定律22221222212sin22sine nnie nni反透 薄膜干涉薄膜干涉2022-7-21592.2.半波损失
30、半波损失（1 1）如两个表面反射）如两个表面反射都有都有半波损失，半波损失，在光程差中在光程差中不加不加/2/2（2 2）如两个表面反射）如两个表面反射都没有都没有半波损失，半波损失，在光程差中在光程差中不加不加/2/2（3 3）如）如仅有仅有一个一个表面反射表面反射有有半波损失，半波损失，在光程差中在光程差中加加/2/2 薄膜干涉薄膜干涉2022-7-21601,2(21)0,1,22kkkk()(明纹 暗纹 )薄膜干涉薄膜干涉2sin222122inne反inne22122sin2透1,2=(21)0,1,22kkkk()(明纹 暗纹 )3.3.干涉图样干涉图样注意：注意：透射光和反射光干
31、涉具有互补性透射光和反射光干涉具有互补性 ，符合能量，符合能量守恒定律守恒定律.2022-7-2161 两束相干光的两束相干光的光程差决定于光程差决定于 反反射光的光程差射光的光程差一般情况下薄膜干涉的分析比较复杂，通常只研一般情况下薄膜干涉的分析比较复杂，通常只研究究3 3个极端情形个极端情形膜的厚度膜的厚度e 入射角入射角i 2sin222122inne反4.4.几种特殊情况几种特殊情况2022-7-2162（1 1）光垂直入射到均匀厚度的膜上光垂直入射到均匀厚度的膜上1n2n1ne入射角入射角i=0反射光的光程差反射光的光程差22 ne12nn 22nek),2,1(k加强加强2)12(
32、k),2,1,0(k减弱减弱满足加强条件则反射光干涉加强满足加强条件则反射光干涉加强、e满足减弱条件则反射光干涉减弱满足减弱条件则反射光干涉减弱、e膜表面膜表面亮度均匀亮度均匀，不出现明暗相间的条纹。，不出现明暗相间的条纹。2022-7-2163 例例1 1 一油轮漏出的油一油轮漏出的油(折射率折射率 =1.2)污染了某海污染了某海域域,在海水在海水(=1.3)表面形成一层薄薄的油污表面形成一层薄薄的油污.(1)(1)如果太阳正位于海域上空如果太阳正位于海域上空,一直升飞机的驾一直升飞机的驾驶员从机上向下观察驶员从机上向下观察,他所正对的油层厚度为他所正对的油层厚度为460nm,则他将观察到油
33、层呈什么颜色则他将观察到油层呈什么颜色?1n2n解解 (1),2,1,21kkennm11042,11enknm552,21enknm36832,31enk绿色绿色ken 12反 油膜油膜1n2.11n3.12ne海海 水水2022-7-2164 (2)(2)如果一潜水员潜入该区域水下如果一潜水员潜入该区域水下,又将看到油又将看到油层呈什么颜色层呈什么颜色?nm22082/112,11enk解：透射光的光程差解：透射光的光程差nm4.3152/142,41enknm7362/122,21enk红光红光nm6.4412/132,31enk紫光紫光紫红色紫红色k透 当当 时，透射光干涉极大时，透射
34、光干涉极大221 en透2022-7-216510n5.1n玻璃玻璃e38.1n例例2 2 增透膜增透膜 一些光学元件需要减少反射，增加透射，通常一些光学元件需要减少反射，增加透射，通常在玻璃的表面镀一层折射率比较小的氟化镁，使反在玻璃的表面镀一层折射率比较小的氟化镁，使反射光干涉相消。射光干涉相消。ne2反反射光的光程差反射光的光程差 为使波长为使波长的的单色光单色光完完全透过全透过薄膜，则要求反射光薄膜，则要求反射光干涉相消干涉相消2)12(2kne反膜的最小厚度为膜的最小厚度为ne4min2022-7-2166照相机镜头表面镀有增透膜照相机镜头表面镀有增透膜2022-7-2167 例例如
35、如 在玻璃表面镀上一层在玻璃表面镀上一层MgF2薄膜，使波长为薄膜，使波长为=550 nm的绿光全部通过。求：膜的厚度。的绿光全部通过。求：膜的厚度。解：解：使反射绿光干涉相消，由反射光干涉相消条件使反射绿光干涉相消，由反射光干涉相消条件取取k=0MgF2玻璃玻璃n2=1.38n1=1.50n0=1 24)1k2(ne=99.6(nm)38.1455024ne2)12(22ken反2022-7-2168ZnSMgF2ZnSMgF2 在玻璃上交替镀上多层介质膜，增强反射光，称在玻璃上交替镀上多层介质膜，增强反射光，称为为高反射膜高反射膜。例例3 3 高反膜高反膜激光谐振腔中的反射激光谐振腔中的反
36、射镜要求对波长镜要求对波长632.8nm的单色光有的单色光有99%以上的以上的反射率。在玻璃表面交替镀上反射率。在玻璃表面交替镀上ZnS和和MgF22022-7-2169（2 2）只有入射角）只有入射角i变化的情况变化的情况等倾干涉等倾干涉 当薄膜的厚度均匀时，光程差只取决于入射光当薄膜的厚度均匀时，光程差只取决于入射光的角度，的角度，相同倾角相同倾角的光线的光线光程差相同。光程差相同。等倾干涉条纹等倾干涉条纹2022-7-2170S薄膜薄膜反射板反射板透镜透镜屏幕屏幕ii2022-7-2171我们研究等厚干涉条纹我们研究等厚干涉条纹,在本节讨论两个重要的在本节讨论两个重要的等厚干涉：劈尖的干
37、涉和牛顿环。等厚干涉：劈尖的干涉和牛顿环。当入射角固定时，对于当入射角固定时，对于波长一定波长一定的入射光，光的入射光，光程差只取决于薄膜的厚度，相同程差只取决于薄膜的厚度，相同厚度厚度的地方对应的地方对应相同的相同的光程差光程差，出现同一级，出现同一级条纹条纹。（3）只有厚度只有厚度e变化的情况变化的情况等厚干涉等厚干涉2022-7-2172大学物理大学物理14-4 劈尖干涉劈尖干涉2022-7-2173 光波经薄膜上下两表面反射后相互叠加所形光波经薄膜上下两表面反射后相互叠加所形成的干涉现象，称为成的干涉现象，称为薄膜干涉薄膜干涉。回顾：薄膜干涉回顾：薄膜干涉n1nn1ibaabABC 当
38、入射角保持不变时当入射角保持不变时,光程差仅与膜的厚度有关光程差仅与膜的厚度有关,厚度相同厚度相同的地方光程差相同的地方光程差相同,从而对应同一条干涉条纹。从而对应同一条干涉条纹。22212sin2e nni光程差光程差2022-7-2174一、劈尖膜一、劈尖膜有两个表面很平的介质片（如玻璃片），一有两个表面很平的介质片（如玻璃片），一端相交，其间的夹角端相交，其间的夹角很小，形成一个劈尖形的很小，形成一个劈尖形的透明薄膜，称为透明薄膜，称为劈尖膜劈尖膜。棱边棱边 451010 rad：2022-7-2175二、实验装置二、实验装置SMDTL 单色平行光垂直照单色平行光垂直照射劈尖膜表面，在膜
39、表射劈尖膜表面，在膜表面附近出现明暗相间的面附近出现明暗相间的条纹。条纹。bn 2022-7-21761n1nne 在入射点膜厚为在入射点膜厚为e，该点的两束反射光引，该点的两束反射光引起的光程差起的光程差光程差光程差22nen1nn12022-7-2177n 棱棱边边呈呈现现暗暗纹纹00ek第一级暗纹第一级暗纹第一级明纹第一级明纹nnek2/4/1第二级暗纹第二级暗纹第二级明纹第二级明纹nnek/4/32一系列明暗相间的、平行于棱边的平直条纹。一系列明暗相间的、平行于棱边的平直条纹。第零级暗纹第零级暗纹三、条纹特征三、条纹特征1.明、暗条纹处的膜厚明、暗条纹处的膜厚(21)/4(1,2,3.
40、)/20,1,2.)knkeknk明纹（暗纹2022-7-21782.2.相邻明纹相邻明纹(或暗纹或暗纹)对应的薄膜厚度之差对应的薄膜厚度之差 e=ek+1-ek =(2k+1)/4n-(2k-1)/4n =/2n 相邻明纹（或暗纹）对应的薄膜厚度之差相同。相邻明纹（或暗纹）对应的薄膜厚度之差相同。LL e 3.两相邻明纹两相邻明纹(或暗纹或暗纹)的间距的间距L=e/sin e/=/2n 结论结论a：条纹等间距分布条纹等间距分布 e明纹明纹暗纹暗纹ke1ke2022-7-2179结论结论b：（转动）转动）夹角夹角 越小，越小，条纹越疏；反之条纹越疏；反之则密。如则密。如 过大，过大，条纹将密集
41、到难条纹将密集到难以分辨。以分辨。L=/2n 4.干涉条纹的移动干涉条纹的移动结论结论c：（平移）平移）相同的膜厚对应同一条条纹。相同的膜厚对应同一条条纹。2022-7-2180 检验工件表面加工质量检验工件表面加工质量四、劈尖干涉的应用四、劈尖干涉的应用h2bhb6231依据：劈尖干涉的特征依据：劈尖干涉的特征/2en b b2022-7-21811nn1nLD空气空气 1nbLnD2bnb2LDsin 测量微小长度、角度测量微小长度、角度四、劈尖干涉的应用四、劈尖干涉的应用2022-7-2182 测量样品膨胀系测量样品膨胀系数数0llnNl2 测量膜厚度测量膜厚度四、劈尖干涉的应用四、劈尖
42、干涉的应用Sie1n2n2SiO12nNe2022-7-2183Lnl 例例4 4 有一玻璃劈尖有一玻璃劈尖,放在空气中放在空气中,劈尖夹角劈尖夹角rad1085 ,用波长用波长 的单色光垂直的单色光垂直入射时入射时,测得干涉条纹的宽度测得干涉条纹的宽度 ,求这玻求这玻璃的折射率璃的折射率.nm5892 4l.mm 解解22nlnl53.1m104.21082m1089.5357n2nl2022-7-218473146 101 5 10mm22 2 10l.例例5 5 用波长为用波长为 600nm的光垂直照射由两块平玻的光垂直照射由两块平玻璃板构成的空气劈尖膜，劈尖角璃板构成的空气劈尖膜，劈尖
43、角210-4rad，改变，改变劈尖的倾角，测得相邻明条纹间距缩小了劈尖的倾角，测得相邻明条纹间距缩小了1.00mm，求劈尖角的改变量求劈尖角的改变量解解:原相邻明纹间距原相邻明纹间距 改变后的条纹改变后的条纹间距间距 mmllll5.00.15.112改变后的劈尖角改变后的劈尖角 radl43722106105.021062劈尖角的改变量劈尖角的改变量rad4121042022-7-2185【内容回顾内容回顾】薄薄膜膜干干涉涉等厚干涉等厚干涉2222122e nnisin()012kk(,)亮纹亮纹210122kk()(,)暗纹暗纹劈尖干涉劈尖干涉22ne12kk(,)亮纹亮纹210122kk
44、()(,)暗纹暗纹牛顿环牛顿环图样：与楞平行等间距明暗相间条纹，楞边是暗纹。图样：与楞平行等间距明暗相间条纹，楞边是暗纹。2022-7-21862.2.牛顿环牛顿环 牛顿环由一块平板玻璃和一平牛顿环由一块平板玻璃和一平凸透镜组成，中间形成空气薄膜。凸透镜组成，中间形成空气薄膜。显微镜显微镜SLere2)2)相干光的获得相干光的获得1)1)实验装置及光路图实验装置及光路图2022-7-21873)3)光程差光程差4)4)条纹特点条纹特点Rre条纹半径条纹半径222)(eRRr2Re2e22e明纹明纹:暗纹暗纹:(21)1,2,3,2Rrkk 0,1,2,rk RkrR eRr2),1,0(2)1
45、2(kk暗纹暗纹),2,1(kk明纹明纹 牛顿环的干涉图样是以接触点为牛顿环的干涉图样是以接触点为中心的一组明暗相间的同心圆环。中心的一组明暗相间的同心圆环。2022-7-2188讨论讨论(1)中心点处是一暗点。中心点处是一暗点。(2)相邻两明纹或暗纹对应的厚度差相邻两明纹或暗纹对应的厚度差2,2kek12(1),2kek2e(3)条纹间距条纹间距 2l r l 牛顿环条纹是内疏外密的同心园环。牛顿环条纹是内疏外密的同心园环。(4)透射光干涉，在下表面附近产生干涉条纹，但条纹透射光干涉，在下表面附近产生干涉条纹，但条纹的明暗与反射光干涉结果相反，中心为一亮点。的明暗与反射光干涉结果相反，中心为
46、一亮点。(5)若将空气换成水若将空气换成水1 n 条纹变密。条纹变密。Rre2022-7-2189讨论讨论(6)若透镜上移，则明暗环向中心收缩；若透镜上移，则明暗环向中心收缩；若透镜下移，则明暗环向外扩张。若透镜下移，则明暗环向外扩张。中心明暗交替变化。中心明暗交替变化。(7)比较劈尖和牛顿环比较劈尖和牛顿环相同点：相同点：垂直入射的等厚干涉条纹垂直入射的等厚干涉条纹二相邻条纹对应的厚度差二相邻条纹对应的厚度差条纹间距条纹间距2n2n不同点：不同点：劈尖劈尖:直线直线牛顿环牛顿环:园环园环等间距等间距内疏外密内疏外密2022-7-2190测量透镜的曲率半径测量透镜的曲率半径kRrk2Rmkrm
47、k)(2mrrRkmk224)4)牛顿环的应用牛顿环的应用mRrrkmk22测量未知入射单色光波测量未知入射单色光波长长mRrrkmk22用读数显微镜测量第用读数显微镜测量第 k级和第级和第k+m 级暗环半径级暗环半径 rk、rm2022-7-2191检测光学镜头表面曲率是否合格检测光学镜头表面曲率是否合格 将玻璃验规盖于将玻璃验规盖于待测镜头上，两者待测镜头上，两者间形成空气薄层，间形成空气薄层，因而在验规的凹表因而在验规的凹表面上出现牛顿环，面上出现牛顿环，当某处光圈偏离圆当某处光圈偏离圆形时，则该处有不形时，则该处有不规则起伏。规则起伏。验规验规2022-7-2192例例6 6 用氦氖激
48、光器发出的波长为用氦氖激光器发出的波长为633nm的单色光做牛的单色光做牛顿环实验，测得第个顿环实验，测得第个 k 暗环的半径为暗环的半径为5.63mm,第第 k+5 暗环的半径为暗环的半径为7.96mm，求平凸透镜的曲率半径，求平凸透镜的曲率半径R.解解kRrkRkrk)5(52255kkrrR5225kkrrRm0.10nm6335)mm63.5()mm96.7(222022-7-2193试定性画出牛顿环的花纹试定性画出牛顿环的花纹例例 1.31.41.61.51.5解析：解析：左半边有半波损失左半边有半波损失=1,2,3,2 2(21)=0,1,2,3,2mmnemm明暗右半边没有半波损
49、失右半边没有半波损失2=0,1,2,3,(21)2mnemm明暗左右两边花样明暗互补。左右两边花样明暗互补。左边：左边：d0处处 暗纹暗纹右边：右边：d0处处 明纹明纹2022-7-219414-6 光的衍射现象光的衍射现象 惠更斯惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理大学物理课程大学物理课程2022-7-21952022-7-2196所谓的佛光所谓的佛光2022-7-2197光的衍射现象光的衍射现象衍射现象的分类衍射现象的分类惠更斯惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理2022-7-2198一一.光的衍射现象光的衍射现象1.1.现象现象衍射屏衍射屏观察屏观察屏2.2.衍射衍射光在传播过程中绕过障碍物的边缘而偏离
50、直线传播的现象光在传播过程中绕过障碍物的边缘而偏离直线传播的现象衍射现象是否明显取决于障碍物线度与波长的对比，衍射现象是否明显取决于障碍物线度与波长的对比，波长越大，障碍物越小，衍射越明显。波长越大，障碍物越小，衍射越明显。说明说明光源光源ES衍射屏衍射屏观察屏观察屏 在光的衍射部分以在光的衍射部分以夫琅禾费单缝衍射夫琅禾费单缝衍射和和衍射光栅衍射光栅为重点。为重点。2022-7-2199正正三三角角形形孔孔正正方方形形孔孔正正六六边边形形孔孔单单 缝缝2022-7-21100圆盘衍射圆盘衍射手指缝的衍射手指缝的衍射2022-7-21101二、衍射现象分类二、衍射现象分类1.菲涅耳衍射菲涅耳衍
