《波动光学干涉》PPT课件

《《波动光学干涉》PPT课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《波动光学干涉》PPT课件（32页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、1第 7 章波 动 光 学 220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 。 3 7.1 光 的 干

2、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 。 4E1E2 -自 发 辐 射 跃 迁 波 列波 列 长 L = t c = (E2-E1)/h 7.1.1 相 干 光

3、 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 -8s 5 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 。独 立 （ 不 同 原 子 发 的 光

4、） 独 立 （ 同 一 原 子 先 后 发 的 光 ） 6 （ 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 = (E2-E1) / h E1 E2（ 频 率 , 相 位 ,振 动 方 向 ,传 播 方 向 都 相 同 ） 7 2. 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

5、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 。 例 :普 通 单 色 光 : 10 -3 10 1nm激 光 ： 10-9 10-6 nm 0 0II0I0 / 2 谱 线 宽 度 8 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

6、 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 ：hE h EE ji Ei EjEi Ej 9 3. 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 。 pS * 分 波 面 法 分 振 幅 法 p薄 膜S * 10 英 国 科 学 家 Thomas Young(1773-1829)7.1.2 杨 氏 双 缝 干 涉 s s1

7、s2细 线 光 源单 色1 杨 氏 双 缝 干 涉 11 （ 1） 条 纹 (中 心 )的 位 置亮 纹 条 件 krr 12 )rr(2 12 在 较 小 的 情 况 下 Dxdtandsindrr 12 dDkx k 称 为 亮 纹 的 级 次亮 纹 位 置 级 亮 纹称 级 亮 纹称 级 中 央 亮 纹称 22,2 1,1 00,0 210 dDxk dDxk xk 12 暗 纹 条 件 d2D)1k2(x ),3,2,1k(2)1k2(Dxd 暗 纹 位 置 级 暗 纹称 级 暗 纹称 223,2 12,1 21 dDxk dDxk 相 邻 两 亮 纹 (或 暗 纹 )之 间 的 距

8、离 都 是 dDx （ 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 ？ ） 。 13干 涉 级 次 越 高 重 叠 越 容 易 发 生 。中 央 明 纹复 色 光 2.复 色 光 源 的 干 涉 条 纹 14 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2d a

9、b 光 通 过 媒 质 时 频 率 不 变 ， 但 波 长 要 改 变 ， 设 为 。媒 质 da b2nd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 。 15 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 nd【 例 】 122 rnddr d1nrr2 12 nS1S2 r1 r2d P 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 ： 12

10、 2 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 16 在 光 学 中 常 用 到 透 镜 。3.透 镜 近 轴 光 线 的 等 光 程 性 Sacb S 实 验 告 诉 我 们 ： 物 点 到 像 点 各 光 线 之 间 的 光 程 差 为 零 。acb F abc FF 17 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

11、 -。 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 。分 振 幅 法 p薄 膜S *光 的 相 干 长 度 所 限 。7.1.4 薄 膜 干 涉 18 1 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 。 玻 璃50.11 n 2MgF38.12 n 13 n如 ： MgF2 薄 膜 ， 平 行 光 垂 直 入 射 时 ， 增 透 条 件 为2)1k2(en2 2 )3,2,1k(增 反 膜 ： 膜 上 下 两 表 面 的 反 射 光 满 足

12、 干 涉 加 强 条 件 。MgF2 薄 膜 的 增 反 条 件 为 )3,2,1k(ken2 2 19 2. 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 。 rad1010 54 ：en Ann ( 设 n n )反 射 光 1反 射 光 2S*单 色 平 行 光 1 2 通 常 让 光 线 几 乎 垂 直 入 射 20 设 单 色 平 行 光 线 在 A点处 入 射 ， 膜 厚 为 e ， )e(ne 22 反 射 光 1单 色 平 行 光 垂 直 入 射ennn A反 射 光

13、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 ,k,kne 21021222 暗 纹32122 ,k,kne 21 设 相 邻 两 条 亮 纹 对 应 的 厚 度 差 为 e： )( 122 22 1 kne knekk有 neee kk 21 tan2nL设 条 纹 间 距 为 L nL 2 eek ek+1L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 。 22 把 劈 尖 上 表 面 向 上 缓 慢 平 移 ，

14、 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 。 23 等 厚 条 纹 待 测 工 件 平 晶 2. 检 测 表 面 质 量 。请 问 ： 此 待 测 工 件 表 面

15、 上 ， 有 一 条 凹 纹 还 是 一 条 凸 纹 ？应 用 举 例 ： 1. 测 光 波 的 波 长 。 24 3. 测 微 小 直 径 、 厚 度 （ 或 镀 膜 厚 度 ） 。测 微 小 直 径 测 微 小 厚 度h待测块规 标准块规 平 晶校 验 块 规精 密 测 长 度 待测样品 石英环平晶 干 涉 膨 胀 仪测 膨 胀 系 数 25er R平 晶平 凸透 镜 o平 凸 透 镜 与 平 晶 间 形 成 空 气 劈 尖 。平 晶S 分 束 镜 M 显微镜0平 凸 透 镜. 暗 环 e 可 用 r, R 表 示 : ReeRRr 2 222 3. 牛 顿 环 26 22 e对 空 气

16、劈 尖 ， 光 程 差 （ n=1）(1)代 入 (2)得 ， 第 k 级 暗 环 半 径 为kkRr k ReeRRr 2222 122Rre ,k ke 3210 221222 暗 环 ： 中 心 是 暗 点 （ k =0） 3 2 1 321 :r:r:r 所 以 条 纹 间 距 ： 内 疏 外 密 27 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 ？ )kRrk 由 kRRmkrr kmk 22 mRrr kmk 22 或 测 入

17、 射 光 的 波 长 可 据 上 式 测 透 镜 球 面 的 半 径 R 28 标 准 验 规待 测 透 镜暗 纹 可 用 牛 顿 环 检 验 透 镜 （ 的 球 面 ） 表 面 质 量若 球 面 不 规 则每 一 圈 对 应 2 厚 度 差 （ 因 为 n=1） 29暗 纹 标 准 验 规待 测 透 镜暗 纹 标 准 验 规待 测 透 镜如 何 区 分 如 下 两 种 情 况 ?思 考 ： 30 仪 器 结 构 示 意 图若 M1与 M2平 行 -等 倾 条 纹若 M 1与 M2有 小 夹 角 -等 厚 条 纹 M122 11半 透 半 反 膜S M2 M1G1 G2E补 偿 板 反射镜反

18、射 镜光 源 观 测 装 置薄 膜 4 迈 克 尔 逊 干 涉 仪 31 例 .等 厚 条 纹 时观 测 显 微 镜 目 镜 中 的 视 场 ：反 射 镜 平 移 ，则 干 涉 条 纹 移 动 。2 Nd若 干 涉 条 纹 移 过 N条 ，则 反 射 镜 平 移 距 离 为十 字 叉 丝等 厚 条 纹 显 微 镜 测 量 可 以 精 确 到一 个 条 纹 的 十 分 之 一 ，所 以 ， 可 以 精 确 地 测 出 反 射 镜 平 移 的 距 离 。 20 32 应 用 举 例 光 路 1中 插 入 介 质 ， 产 生 附 加 光 程 ln )1(2 ln M11 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 。 2 Nd