大学物理 光学

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P
2 i D C d 3
= 2d ⋅ tanγ ⋅ sin i
11-2 光的相干特性
2d ∆L′ = n2 1 − sin 2 γ cos γ
[
]
1/ 2
= 2n2 d cos γ
2、半波损失
2 = 2d n2 − n12 sin 2 i
光从光疏介质n1到光密介质n2的界面发生反射时 （即n2>n1），反射光将存在半波损失 ），反射光将存在半波损失， 反射光将存在半波损失，即反射光 与入射光会产生λ/2的光程差； 的光程差；反之， 反之，则没有。 则没有。 上表面存在半波损失， 若n3<n2>n1上表面存在半波损失 ，下表面无半波 损失， 损失，则光程差为： 则光程差为：
2 nθ
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11-2 光的相干特性
增透膜和增反膜 利用薄膜干涉可以提高光学器件的透光率/反射率 。 例题2 为使对照相底片和视觉最敏感的黄绿光透射 率增强， 率增强，常在照相机和光学仪器的透镜表面镀一层 氟化镁薄膜， 氟化镁薄膜，减少反射光， 减少反射光，从而增加透射光强度， 从而增加透射光强度， 这种薄膜称为增透膜 这种薄膜称为增透膜。 增透膜。氟化镁的折射率 n2 = 1.38 ， 玻璃折射率 n1 = 1.50 ，请问： 请问：当光线垂直入射时， 当光线垂直入射时，要 达到增加透射光的目的， 达到增加透射光的目的，氟化镁增透膜的厚度至少 应为多少？ 应为多少？ 空气n1=1.0 e MgF2 n2=1.38 玻璃n3=1.5 a b
θ
S
S1 d S2t; d
d'
光程差
x ∆L = r2 − r1 ≈ d sin θ = d d'
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sin θ ≈ tan θ = x d '
11-2 光的相干特性
θ
S
S1 d S2
r1 r2
P x O
d'
1、明纹特征
d' x = ±k λ, d
k = 0,1,2,...
x为明纹中心位置， 为明纹中心位置，“±”号分别表示干涉条 纹在点两侧， 纹在点两侧，k为级次。 为级次。
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11-2 光的相干特性
2、暗纹特征
d' λ x = ± (2k + 1) ⋅ , k = 0,1,2,... d 2
x为暗纹中心位置， 为暗纹中心位置，“±”号分别表示干涉条 纹在点两侧， 纹在点两侧，k为级次。 为级次。 3、条纹间距 相邻明纹中心或相邻暗纹中心的距离称为条 相邻明纹中心或相邻暗纹中心的距离称为条 纹间距
真空中的波长 介质的折射率
λ'=
λ
n
t r2 t r1 s ∆ ϕ = 2π ( − ) − 2π ( − ) 1* T λ' T λ r2 r1 nr2 − r1 s 2* = − 2π ( − ) = −2π ( )
r1
P
r2
n
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λ' λ
λ
11-2 光的相干特性
1、光程: 介质折射率与光的几何路程之积
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11-1 光的本质
光的本质为光具有波粒二象性 • 光在传播过程中， 光在传播过程中，波动性比较显著， 波动性比较显著，这就是人们 能观察到光的折射、 能观察到光的折射、反射、 反射、干涉、 干涉、衍射等现象的 原因。 原因。 • 当光与物质相互作用时， 当光与物质相互作用时，粒子性比较显著， 粒子性比较显著，这就 是人们能够利用光电效应进行太阳能发电等的原 因。 • 光成了波动和粒子的矛盾统一体， 光成了波动和粒子的矛盾统一体，是一种具有波 粒二象性的电磁波。 粒二象性的电磁波。
2
s1 *
r1
∆ ϕ = ± 2 k π ,k = 0 ,1 , 2 , L
∆ L = ± ( 2 k + 1)
λ
干涉相消
2 ∆ ϕ = ± ( 2 k + 1)π , k = 0 ,1, 2 , L
18
, k = 0,1, 2, L
11-2 光的相干特性
3、激光
梅曼（ 梅曼（T.H.Maiman）
六、薄膜干涉 1、光程差 L 1 n1 A n2 n3 γ B E 2 i D C d 3 P
n2 > n1
CD⊥AD
sini n2 = sinγ n1
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11-2 光的相干特性
∆L' = n2 ( AB + BC ) − n1 AD
AB = BC = d cosγ
AD = ACsini
L 1 n1 A n2 n3 γ B E
一、光的干涉现象
满足一定条件的两列光波在空间相遇也会产生干涉 现象， 现象，形成稳定的干涉图样， 形成稳定的干涉图样，干涉图样的特征是有 的地方始终明亮， 的地方始终明亮，而有的地方却始终黑暗。 而有的地方却始终黑暗。
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11-2 光的相干特性
二 、相干光 1、相干条件 频率相同、 频率相同、光振动方向相同、 光振动方向相同、相位相同或有恒 定的相位差、 定的相位差、光强差不能太大。 光强差不能太大。 2、相干光 满足相干条件的光。 满足相干条件的光。 普通光源发出的都是非相干光 断续性 随机性 独立性
i
注意： 决定的光程差而形成 注意 ：透射光和反 的干涉图叫等倾干涉 的干涉图叫等倾干涉。 等倾干涉。 射光干涉具有互 补 性 ， 符合能量守恒定律.
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11-2 光的相干特性
∆L = 2d n − n sin i + λ / 2
2 2 2 1 2
光程差相同的点所对应的干涉图强度也相同； 光程差相同的点所对应的干涉图强度也相同； 所有光程差相同的点构成同一级次的干涉条 纹。
d 'λ ∆x = d
( ∆k = 1)
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11-2 光的相干特性
思考题1
(1) 若用白光作为入射光， 若用白光作为入射光，双缝干涉 的屏上将观察到怎样的干涉图样？ 的屏上将观察到怎样的干涉图样？特征是什 么？(2) 如果装置结构(d , d’)和波长λ发生变化 时条纹将如何变化？ 时条纹将如何变化？
9
11-1 光的本质 11-2 光的相干特性 11-3 光的衍射特性 11-4 光的偏振特性
10
11-2 光的相干特性
蝴蝶、 蝴蝶、泡沫等丰富的 色彩源于蝴蝶或泡沫 本身吗？ 本身吗？ 除了其本身的颜色外， 除了其本身的颜色外， 光波的干涉是另一个 光波的干涉是另一个 原因。 原因。
11
11-2 光的相干特性
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11-2 光的相干特性
五、杨氏双缝干涉
杨氏双缝干涉实验视频
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11-2 光的相干特性
红色 绿色 紫色 强度是如何分布的？ 强度是如何分布的？ 产生的原因是什么？ 产生的原因是什么？ 不同颜色光的干涉图样有什么不同？ 不同颜色光的干涉图样有什么不同？
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11-2 光的相干特性
五、杨氏双缝干涉
1 −3 ∆x' = = 6.667×10 mm R
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11-2 光的相干特性
∆x < ∆x'
故胶片无法记录此条纹。 故胶片无法记录此条纹。 若要在此胶片上记录下干涉条纹， 若要在此胶片上记录下干涉条纹，则需增大条纹的 间距。 间距。可以采用减小双缝间距或增加屏到双缝距离 的方法来实现。 的方法来实现。 减小双缝间距： 减小双缝间距：
e = (2k − 1)
λ
(k = 1,2,3, L)
λ
MgF2 n2=1.38 玻璃n3=1.5 a b
e
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11-2 光的相干特性
增透膜和增反膜
镀有增透膜的光学元件
冷光镜
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11-2 光的相干特性
例题3 膜厚的测量 在半导体元件生产中， 在半导体元件生产中，为测定硅 (Si）表面氧化硅(SiO2)薄膜的厚度， 薄膜的厚度，一般将膜的一端 用化学方法腐蚀成为劈尖状（ 用化学方法腐蚀成为劈尖状（如图）。 如图）。已知 ）。已知SiO2和Si 的折射率为n1=1.46和 n2=3.42，用波长为589.3nm的钠 光照射， 光照射，若观测到SiO2劈尖上出现7条暗纹， 条暗纹，第7条在 斜坡的起点M处。问SiO2薄膜的 厚度是多少？ 厚度是多少？ 解： 由于n2>n1>1，在O处厚度 M O SiO2 为0，应为明纹。 应为明纹。则OM之间共有 Si N=6.5个条纹间隔。 个条纹间隔。根据劈尖干 7 6 5 4 3 2 1 涉可知， 涉可知，一个条纹间隔对应膜厚 M 为λ/2n1。故膜厚为： 故膜厚为：
d' d= λ = 8.8395mm ∆x'
故双缝间距小于8.8395mm时可记录。 时可记录。
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11-2 光的相干特性
增加屏道双缝的距离： 增加屏道双缝的距离：
d'=
∆x' d
λ
= 113mm
故屏到双缝的距离大于113mm时可记录。 时可记录。
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11-2 光的相干特性
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11-2 光的相干特性
L = nr
物理意义： 物理意义：光程就是光在介质中通 过的几何路程 , 按波数相等折合到真空 中的路程. 相位与光程的关系
r
λ'
=
nr
λ
ϕ=
2π
λ
L
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11-2 光的相干特性
2、光程差 (两光程之差) 光程差
干涉相长
∆L = nr2 − r1 P s 2* n r ∆L 相位差 ∆ϕ = 2π λ ∆ L = ± k λ , k = 0 ,1, 2 , L
第十一章 光学
引言
光在通信领域的应用
烽火台
光纤通信
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引言
光在天文领域的应用
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