1、第十四干涉第十四干涉（优选）第十四干涉解释与实物作用过程解释与实物作用过程（光的吸收与发射）（光的吸收与发射）中发生的现象中发生的现象解释传播过程（反射、解释传播过程（反射、折射、干涉、衍射和偏折射、干涉、衍射和偏振）中发生的现象振）中发生的现象 本章主要介绍光的波动性，光的粒子性在近本章主要介绍光的波动性，光的粒子性在近代物理中介绍代物理中介绍赫兹实验证实了光是电赫兹实验证实了光是电磁波的预言磁波的预言19世纪世纪60年代年代麦克斯韦电磁波理论麦克斯韦电磁波理论光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应等不能用波动说解释等不能用波动说解释20世纪初世纪初波动理论遭遇困难波动理论遭遇困难光具有波
2、粒二象性光具有波粒二象性表现为粒子表现为粒子表现为波动表现为波动第一部分第一部分 光的干涉光的干涉教学基本要求教学基本要求1.理解获得相干光的方法。理解获得相干光的方法。3.能分析、确定杨氏双缝干涉条纹及薄膜等厚干能分析、确定杨氏双缝干涉条纹及薄膜等厚干涉条纹的位置。涉条纹的位置。4.理解迈克耳孙干涉仪的工作原理。理解迈克耳孙干涉仪的工作原理。2.掌握光程的概念以及光程差和相位差的关系。掌握光程的概念以及光程差和相位差的关系。一一.光源光源 发射光波的物体发射光波的物体1.1.热辐射热辐射 加热维持物体的温度，辐射就能持续进行下加热维持物体的温度，辐射就能持续进行下去，称为热辐射。去，称为热辐
3、射。光波就是电磁波，任何物体都辐射电磁波。光波就是电磁波，任何物体都辐射电磁波。白炽灯白炽灯太阳太阳 电致发光电致发光2.2.发光发光 需依靠一些激发过程获得能量维持辐射需依靠一些激发过程获得能量维持辐射 光致发光光致发光 化学发光化学发光半导体发半导体发光二极管光二极管闪电闪电萤火虫萤火虫霓虹灯霓虹灯3.3.同步辐射光源同步辐射光源 在同步辐射加速器中速度接近光速作环形在同步辐射加速器中速度接近光速作环形运动的电子迅速损失能量产生的辐射运动的电子迅速损失能量产生的辐射 特点：特点：方向性好、亮度高，还具有连续性、方向性好、亮度高，还具有连续性、优异的准直性和易脉冲化等特性优异的准直性和易脉冲
4、化等特性 应用：应用：为晶体结构为晶体结构研究，生物大分子和生研究，生物大分子和生物蛋白的结构研究提供物蛋白的结构研究提供了高性能的光源了高性能的光源北京的正负电子对撞机北京的正负电子对撞机可提供同步辐射光可提供同步辐射光1.1.普通光源（非激光光源）的发光机理普通光源（非激光光源）的发光机理 原子发出的每一列光波是一段有限长的、振动原子发出的每一列光波是一段有限长的、振动方向一定、振幅不变或缓慢变化的正弦波。方向一定、振幅不变或缓慢变化的正弦波。波列波列波列长波列长L=c二二.光的相干性光的相干性每一波列持续时间约为每一波列持续时间约为s 109 普通普通光源发出的光是由构成光源的大量原子或
5、光源发出的光是由构成光源的大量原子或分子运动状态改变时发出的。分子运动状态改变时发出的。波列长度的数量级为波列长度的数量级为L=0.1 m 因波列持续时间过短，两因波列持续时间过短，两波列的干涉现象无法觉察。波列的干涉现象无法觉察。两块标准平晶产生的等厚干涉条纹M 1、M2 是两个全反镜，一般相互垂直。5，Si 的折射率为3.镀膜也可增加反射，减少透射。5m，=500nm，L=2m。波列长度的数量级为L=0.理解获得相干光的方法。利用两种透明介质的分界面对入射光的反射和透射，将入射光的振幅分成两部分。225mmd，S1、S2 发出的光波到发出的光波到P 点的波程差为点的波程差为=d sin d
6、 tan OP=x，Dx tanDxdrr 12 r1-r2 =S2B1.单色光入射时屏上明暗相间干涉条纹位置的计算单色光入射时屏上明暗相间干涉条纹位置的计算垂直于缝长的平面内同相面垂直于缝长的平面内同相面Pr1 r2 xxDOS1S2MBd波程差计算波程差计算狭缝狭缝缝光源缝光源屏上出现明暗条纹的条件与杨氏实验结果的类似波列长度的数量级为L=0.例如对波长 0=550 nm 的绿光，当光学厚度为 n2d=30/4 =412 nm时，反射率最小，但此时该薄膜对其它波长的光，反射率一般不是最小。OA=3mm，OB=0.发光 需依靠一些激发过程获得能量维持辐射两列波为相干波的条件：频率相同，振动方
7、向相同，在相遇点有恒定的相位差。例题18-3 制造半导体元件时，常需要精确测定硅片上二氧化硅(SiO2)薄膜的厚度d ，这可用化学方法把SiO2薄膜的一部分腐蚀成劈尖形，若单色光从空气垂直入射，已知入射光波长=589.干涉条纹间距与单色光波长成正比P 点出现明暗纹的条件为两列波为相干波的条件：频率相同，振动方向相同，在相遇点有恒定的相位差。入射光经半反膜后分成两束，G1、G2 是平行放置的平板玻璃，其中G2 是补偿板。两列波为相干波的条件：频率相同，振动方向相同，在相遇点有恒定的相位差。折射率与几何路程的乘积 nr 称为光程结论：理想的薄透镜不会引起附加光程差n r+n r5m，=500nm，
8、L=2m。入射光经半反膜后分成两束，G1、G2 是平行放置的平板玻璃，其中G2 是补偿板。理解获得相干光的方法。5m，=500nm，L=2m。若若 kDxdrr 12即即,2,1,0,kdDkx 初相相同的两相干波叠加后加强与减弱的条件为初相相同的两相干波叠加后加强与减弱的条件为 ,2,1,02)12(,2,1,02212kkkkrr 合振幅最大合振幅最大合振幅最小合振幅最小出现明条纹出现明条纹 若若2)12(12 kDxdrr即即,3,2,1,2)12(kdDkx 出现暗条纹出现暗条纹明条纹级次明条纹级次暗条纹级次暗条纹级次2.2.杨氏双缝干涉的特点杨氏双缝干涉的特点 单色光干涉，相邻明条纹
9、（或暗条纹）的间距为单色光干涉，相邻明条纹（或暗条纹）的间距为dDx 干涉条纹等距离分布干涉条纹等距离分布 白光干涉，只有中央明条纹是白色，其它条纹发白光干涉，只有中央明条纹是白色，其它条纹发生重叠，形成彩色条纹生重叠，形成彩色条纹x x 明条纹间距明条纹间距明条纹间距明条纹间距中央明纹中央明纹 干涉条纹间距与单色光波长成正比干涉条纹间距与单色光波长成正比二二.菲涅耳双镜实验菲涅耳双镜实验 sin2rd cosrLD sin2)cos(rrLdDx S1和和 S2相当于相当于两个相干光源两个相干光源相邻明条纹（或暗条纹）的间距为相邻明条纹（或暗条纹）的间距为 屏上出现明暗条纹屏上出现明暗条纹的
10、条件与杨氏实验结果的条件与杨氏实验结果的类似的类似光源光源接收屏接收屏M1中镜像中镜像M2中镜像中镜像镜面镜面 例题例题18-1 菲涅耳双镜菲涅耳双镜=10-3rad，单色线光，单色线光源源 S 与两镜交线平行，与两镜交线平行，r=0.5m，=500nm，L=2m。(1)求屏上两相邻明条纹的间距；求屏上两相邻明条纹的间距；(2)若若=10-2rad，问条纹间距将怎样改变？问条纹间距将怎样改变？解解（1）cos1，sin=10-3mm25.1105.02105.0)5.02(sin2)cos(36 rrLx（2）当）当=10-2rad时，有时，有mm125.0105.02105.0)5.02(2
11、6 x 变大时，变大时，条纹间距将变小，要获得较大的条条纹间距将变小，要获得较大的条纹间距，纹间距，必须很小。必须很小。三三.劳埃德镜实验劳埃德镜实验 平面镜平面镜MM下表面涂黑，光仅从上表面反射下表面涂黑，光仅从上表面反射 S 和和 S相当于两个相干光源相当于两个相干光源实验结果表明：实验结果表明：反射光的相位反射光的相位改变了改变了 ，称为半，称为半波损失波损失 干涉条纹与杨干涉条纹与杨氏实验结果的类似氏实验结果的类似光源光源MM中镜像中镜像小平面镜小平面镜接收屏接收屏此处出现暗条纹此处出现暗条纹 光从光疏介质（折射率较小）向光密介质（折射光从光疏介质（折射率较小）向光密介质（折射率大）表
12、面入射时，如果入射角接近率大）表面入射时，如果入射角接近 （掠入射）（掠入射）或为或为 （正入射），则反射光的相位改变（正入射），则反射光的相位改变 ，即出，即出现半波损失。现半波损失。理论和实验证明：理论和实验证明：90 0n2n1正入射正入射n2 n1掠入射掠入射法线法线 例题例题18-2 劳埃德镜实验中，线光源劳埃德镜实验中，线光源S1到镜面的到镜面的垂距为垂距为1mm，D为为1.5 m，MM=D/2，MO为为D/4。（1）求干涉区域上下两边到屏中心距离）求干涉区域上下两边到屏中心距离OA和和OB；（2）若）若=600 nm，求相邻明条纹间距，并问屏上，求相邻明条纹间距，并问屏上能观察到
13、几条明条纹？能观察到几条明条纹？S1S2MM dABOCD 解解 （1）由三角）由三角形相似，有形相似，有434/2/2/DDDdOAOAOA=3mm，OB=0.333mm得得414/2/DDdOBOB（2）与杨氏实验相比，得相邻明纹间距为）与杨氏实验相比，得相邻明纹间距为dDx m105.44 由于有半波损失，光程差应为由于有半波损失，光程差应为2 xDd明纹位置明纹位置 x 应满足应满足,2,1,)21(2 kdDkxkxDd 这两列波在P点的相位差为增透膜 为减弱反射光，在光学元件表面镀的一层厚度适当的透明介质膜例题18-3 制造半导体元件时，常需要精确测定硅片上二氧化硅(SiO2)薄膜
14、的厚度d ，这可用化学方法把SiO2薄膜的一部分腐蚀成劈尖形，若单色光从空气垂直入射，已知入射光波长=589.两块有缺陷平晶产生的等厚干涉条纹入射光经半反膜后分成两束，G1、G2 是平行放置的平板玻璃，其中G2 是补偿板。设 l 表示两相邻的明纹或暗纹之间距离，为劈尖夹角，有如下关系式S1和 S2相当于两个相干光源利用两种透明介质的分界面对入射光的反射和透射，将入射光的振幅分成两部分。每层膜反射光的光程差为平面镜MM下表面涂黑，光仅从上表面反射=d sin d tan M 1、M2 是两个全反镜，一般相互垂直。两相干光波在不同介质中传播时，相位差应决定于光程差 =n2 r2-n1 r1镀膜也可
15、增加反射，减少透射。能分析、确定杨氏双缝干涉条纹及薄膜等厚干涉条纹的位置。接收屏上形成的干涉图样本章主要介绍光的波动性，光的粒子性在近代物理中介绍条纹的级次是中间小，边缘高；干涉条纹与杨氏实验结果的类似同一波长的入射光，越小，l 越大（条纹越宽）；18-5 迈克耳孙干涉仪第一级明纹位置第一级明纹位置 x1=0.225mm d，故上，故上式可略去高阶小量式可略去高阶小量d 2，可得可得Rrd22 22222RrdRdR drRCO ,2,1,02)12(,2,1 2222kkkkRnrnd 明环明环暗环暗环 ,2,1,0,2,1)21(knRkknRkr 明环明环暗环暗环或或设薄膜折射率为设薄膜
16、折射率为n，则在有半波损失时的光程差，则在有半波损失时的光程差 特点：如果反射有半波损失，则中心处为暗特点：如果反射有半波损失，则中心处为暗斑，否则为明纹；条纹的级次是中间小，边缘高；斑，否则为明纹；条纹的级次是中间小，边缘高；条纹的间距是中间大，边缘小。条纹的间距是中间大，边缘小。=d sin d tan 42，若观察到如图所示的7条明纹，问SiO2膜的厚度d =？S 和 S相当于两个相干光源理解获得相干光的方法。不同波长的光其干涉条纹宽度不同，波长越长，条纹越宽。单色光干涉，相邻明条纹（或暗条纹）的间距为一个正在辐射激光的激光器掌握光程的概念以及光程差和相位差的关系。对应于各级明、暗纹的厚
17、度分别为因波列持续时间过短，两波列的干涉现象无法觉察。条纹的间距是中间大，边缘小。5m，=500nm，L=2m。对红外光增透，降低光线的热效应，如用在电影放映机的光源上。18-4 由分振幅法产生的光的干涉=d sin d tan 两相干光波在不同介质中传播时，相位差应决定于光程差 =n2 r2-n1 r1两块有缺陷平晶产生的等厚干涉条纹镀膜也可增加反射，减少透射。两反射光间有半波光程差解（1）cos1，sin=10-3波列长度的数量级为L=0.干涉条纹与杨氏实验结果的类似单色光入射时屏上明暗相间干涉条纹位置的计算同一干涉条纹具有相同厚度，因而当劈尖表面凸凹不平时，会出现条纹弯曲。5m，=500
18、nm，L=2m。18-5 迈克耳孙干涉仪=d sin d tan 42，若观察到如图所示的7条明纹，问SiO2膜的厚度d =？屏上出现明暗条纹的条件与杨氏实验结果的类似在同步辐射加速器中速度接近光速作环形运动的电子迅速损失能量产生的辐射理解获得相干光的方法。光波就是电磁波，任何物体都辐射电磁波。普通光源发出的光是由构成光源的大量原子或分子运动状态改变时发出的。多层反射膜（高反射膜）劈尖中流体的折射率和其两侧介质折射率的影响两相干光波在同一介质中传播时，相位差仅决定于波程差 =r2-r1普通光源（非激光光源）的发光机理同一干涉条纹具有相同厚度，因而当劈尖表面凸凹不平时，会出现条纹弯曲。设、1 分别为光在真空中、介质中的波长，则 变大时，条纹间距将变小，要获得较大的条纹间距，必须很小。入射光经半反入射光经半反膜后分成两束，膜后分成两束，G1、G2 是平行放置的是平行放置的平板玻璃，其中平板玻璃，其中G2 是补偿板。是补偿板。M 1、M2 是两个全反镜，是两个全反镜，一般相互垂直一般相互垂直。M 12211S半透半反膜半透半反膜M2M1G1G2E
