1、光的干涉光的干涉 托馬斯托馬斯楊楊 17731829 1801年，英國物理學(xué)家托年，英國物理學(xué)家托 馬斯馬斯楊在實(shí)驗(yàn)室里成功的觀察楊在實(shí)驗(yàn)室里成功的觀察 到了光的干涉現(xiàn)象到了光的干涉現(xiàn)象 光學(xué)是物理學(xué)中最古老的一個(gè)基礎(chǔ)學(xué)科，又光學(xué)是物理學(xué)中最古老的一個(gè)基礎(chǔ)學(xué)科，又 是當(dāng)前科學(xué)研究中最活躍的學(xué)科之一。隨著人類是當(dāng)前科學(xué)研究中最活躍的學(xué)科之一。隨著人類 對(duì)自然的認(rèn)識(shí)不斷深入，光學(xué)的發(fā)展大致經(jīng)歷了對(duì)自然的認(rèn)識(shí)不斷深入，光學(xué)的發(fā)展大致經(jīng)歷了 萌芽時(shí)期、幾何光學(xué)時(shí)期、波動(dòng)光學(xué)時(shí)期、量子萌芽時(shí)期、幾何光學(xué)時(shí)期、波動(dòng)光學(xué)時(shí)期、量子 光學(xué)時(shí)期、現(xiàn)代光學(xué)時(shí)期等光學(xué)時(shí)期、現(xiàn)代光學(xué)時(shí)期等5個(gè)時(shí)期。個(gè)時(shí)期。 光學(xué)的發(fā)

2、展簡介：光學(xué)的發(fā)展簡介： 光是什么？ 在物理學(xué)的發(fā)展史上，光是什么的問題經(jīng)歷過很長一段時(shí) 間的爭論，包括牛頓、惠更斯和愛因斯坦在內(nèi)的大批科學(xué)家均 參與其中。正是他們大量的爭論，推動(dòng)了光學(xué)的發(fā)展。 光的直線傳播 光的反射光的折射 大量事實(shí)證明，光是直線前進(jìn)的，可能是一個(gè)微小的粒子。 我們?nèi)绻芸吹焦獍l(fā)生干涉、衍射等現(xiàn)象，具有波特我們?nèi)绻芸吹焦獍l(fā)生干涉、衍射等現(xiàn)象，具有波特 有的性質(zhì)，那么我們就可以說光是一種波。有的性質(zhì)，那么我們就可以說光是一種波。 光到底是什么？ 17世紀(jì)明確形成 了兩大對(duì)立學(xué)說 牛頓牛頓 惠更斯惠更斯 微粒說微粒說 波動(dòng)說波動(dòng)說 19世紀(jì)初證明了 波動(dòng)說的正確性 由于波動(dòng)說

3、沒有由于波動(dòng)說沒有 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)以及牛數(shù)學(xué)基礎(chǔ)以及牛 頓的威望使得微頓的威望使得微 粒說一直占上風(fēng)粒說一直占上風(fēng) 19世紀(jì)末光電效應(yīng)現(xiàn)象使得 愛因斯坦在20世紀(jì)初提出了 光子說：光具有粒子性 這里的光子完全不同于牛頓所說的“微?！?5.1光的干涉光的干涉 一、雙縫干涉 雙縫干涉實(shí)驗(yàn) 證明光是一種波 中中 間間 亮亮 紋紋 第第 二二 條條 亮亮 紋紋 第第 一一 條條 亮亮 紋紋 第第 一一 條條 亮亮 紋紋 第第 二二 條條 亮亮 紋紋 第第 一一 條條 暗暗 紋紋 第第 一一 條條 暗暗 紋紋 第第 二二 條條 暗暗 紋紋 第第 三三 條條 暗暗 紋紋 第第 二二 條條 暗暗 紋紋 第第 三三

4、 條條 暗暗 紋紋 白光的干涉圖樣 單色激光束單色激光束 屏屏 等間距等間距 雙縫干涉圖樣雙縫干涉圖樣 圖樣有何特征？圖樣有何特征？ s1 s2 亮條紋的中心線亮條紋的中心線 亮條紋的中心線亮條紋的中心線 暗條紋的中心線暗條紋的中心線 暗條紋的中心線暗條紋的中心線 雙縫雙縫 中央亮條紋中央亮條紋 明暗相間明暗相間 亮條紋亮條紋 亮條紋亮條紋 探究：探究： 出現(xiàn)明暗相間條紋的條件出現(xiàn)明暗相間條紋的條件 s1 s2 光程差：光程差： 出現(xiàn)亮條紋的條件出現(xiàn)亮條紋的條件 2 2 nr （ n=0，1，2，3） 暗條紋暗條紋 /2 探究：探究： 出現(xiàn)暗條紋的條件出現(xiàn)暗條紋的條件 s1 s2 光程差：光程

5、差： 出現(xiàn)暗條紋的條件出現(xiàn)暗條紋的條件 2 ) 12( nr （ n=0，1，2，3） 亮條紋亮條紋 暗條紋暗條紋 小結(jié)：出現(xiàn)亮條紋和暗條紋的條件小結(jié)：出現(xiàn)亮條紋和暗條紋的條件 2 2 nr 2 12 nr （ n=0，1，2，3） （ n=0，1，2，3） 白光的干涉圖樣 為什么會(huì) 是這樣的呢？ d l x 條紋間距x、縫寬d和縫屏距離l的關(guān)系： rrrrrrr dx d xl d xlrr d xlr d xlr )( 2 ) 2 () 2 ( ) 2 (,) 2 ( 1212 2 1 2 2 22222 1 2 2 222 2 222 1 x l d r lrr xldl 即： 所以有

6、且 2 , 21 d l x rx kkr 即： 對(duì)應(yīng)的相鄰兩亮條紋間距 時(shí)，出現(xiàn)亮條紋，取.)321( d l x rx k k r 即： 對(duì)應(yīng)的相鄰兩暗條紋間距 時(shí)，出現(xiàn)暗條紋，取.)321( 2 12 因?yàn)椋山Y(jié)論可知：各種色光的波長不相 同，由不同的色光作光源，在雙縫寬度和縫、屏寬度 相同的情況下，形成的干涉圖樣的條紋間距是各不相 同的，紅光的條紋間距最寬，紫光的最窄。 d l x 條紋間距x、縫寬d和縫屏距離l的關(guān)系： 二、薄膜干涉 單色光成單色條紋； 復(fù)色光成彩色條紋 二、薄膜干涉 形成干涉圖樣的原 因是：重力作用下，薄 膜的厚度隨高度變化， 當(dāng)入射光射到肥皂泡液 薄膜上時(shí)，由液膜

7、前的 兩個(gè)表面反射回來的兩 列光是相干光，相互疊 加產(chǎn)生干涉。 三、應(yīng)用 1、干涉法檢查平面的平整度 視頻：干涉的應(yīng)用 牛頓環(huán) 楔性空氣薄層楔性空氣薄層 三、應(yīng)用 1、干涉法檢查平面的平整度 2 2 2 3 練習(xí)：如右圖是用干涉法檢查某種厚玻璃的上表面是練習(xí)：如右圖是用干涉法檢查某種厚玻璃的上表面是 否平的裝置，所用單色光是用普通光源加濾光片產(chǎn)生否平的裝置，所用單色光是用普通光源加濾光片產(chǎn)生 的，檢查中所觀察到的干涉條紋是由哪兩個(gè)表面反射的，檢查中所觀察到的干涉條紋是由哪兩個(gè)表面反射 的光疊加而成的的光疊加而成的( )( ) a aa a的上表面和的上表面和b b的下表面的下表面 b ba a

8、的上表面和的上表面和b b的上表面的上表面 c ca a的下表面和的下表面和b b的上表面的上表面 d da a的下表面和的下表面和b b的下表面的下表面 三、應(yīng)用 2、增透膜 在鏡頭前面涂上一層增透膜(一般是,微溶于水), 如果, 那么在這層膜的兩側(cè)反射回去的光就會(huì)發(fā)生干涉，形成暗 條紋,從而相互抵消,你在鏡頭前將看不到一點(diǎn)反光，因?yàn)楦?據(jù)能量守恒，這束光已經(jīng)全部穿過鏡頭了。 為什么我們從來沒有看到?jīng)]有反光的鏡頭? 原因很簡單， 因?yàn)榭梢姽庥衅叻N顏色，而膜的厚度是唯一的，所以只能 照顧到一種顏色的光讓它完全進(jìn)入鏡頭。 ，這種情況下，你 在可見光中看到的鏡頭反光其顏色就是紅色、藍(lán)紫色，因 為這

9、反射光中已經(jīng)沒有了綠光。 膜的厚度也可以根據(jù)鏡頭的色彩特性來決定。 可見增透膜的作用是減少反射光的強(qiáng)度，從而增加透 射光的強(qiáng)度，使光學(xué)系統(tǒng)成像更清晰。 2 mgf 鍍層鍍層 薄膜薄膜 三、應(yīng)用 3、反射膜 反射膜一般可分為兩大類，一類是金屬反射膜，一類是全電介質(zhì)反射膜。此反射膜一般可分為兩大類，一類是金屬反射膜，一類是全電介質(zhì)反射膜。此 外，還有把兩者結(jié)合起來的金屬電介質(zhì)反射膜。外，還有把兩者結(jié)合起來的金屬電介質(zhì)反射膜。 金屬反射膜的優(yōu)點(diǎn)是制備工藝簡單，工作的波長范圍寬；缺點(diǎn)是光損大，反金屬反射膜的優(yōu)點(diǎn)是制備工藝簡單，工作的波長范圍寬；缺點(diǎn)是光損大，反 射率不可能很高。為了使金屬反射膜的反射率

10、進(jìn)一步提高，可以在膜的外側(cè)加鍍射率不可能很高。為了使金屬反射膜的反射率進(jìn)一步提高，可以在膜的外側(cè)加鍍 幾層一定厚度的電介質(zhì)層，組成金屬電介質(zhì)反射膜。需要指出的是，金屬電介質(zhì)幾層一定厚度的電介質(zhì)層，組成金屬電介質(zhì)反射膜。需要指出的是，金屬電介質(zhì) 射膜增加了某一波長（或者某一波區(qū)）的反射率，卻破壞了金屬膜中性反射的特射膜增加了某一波長（或者某一波區(qū)）的反射率，卻破壞了金屬膜中性反射的特 點(diǎn)。點(diǎn)。 全電介質(zhì)反射膜是建立在多光束干涉基礎(chǔ)上的。與增透膜相反，在光學(xué)表面全電介質(zhì)反射膜是建立在多光束干涉基礎(chǔ)上的。與增透膜相反，在光學(xué)表面 上鍍一層折射率高于基體材料的薄膜，就可以增加光學(xué)表面的反射率。最簡單的

11、上鍍一層折射率高于基體材料的薄膜，就可以增加光學(xué)表面的反射率。最簡單的 多層反射是由高、低折射率的二種材料交替蒸鍍而成的多層反射是由高、低折射率的二種材料交替蒸鍍而成的,每層膜的光學(xué)厚度為某每層膜的光學(xué)厚度為某 一波長的四分一。在這種條件下，參加疊加的各界面上的反射光矢量，振動(dòng)方向一波長的四分一。在這種條件下，參加疊加的各界面上的反射光矢量，振動(dòng)方向 相同。合成振幅隨著薄膜層數(shù)的增加而增加。相同。合成振幅隨著薄膜層數(shù)的增加而增加。 太陽灶用反射膜 練習(xí)：有關(guān)光學(xué)儀器上鏡頭的增透膜，下列說法正確的是：練習(xí)：有關(guān)光學(xué)儀器上鏡頭的增透膜，下列說法正確的是： a a增透膜是為了減少光的反射損失而增強(qiáng)透光的強(qiáng)度；增透膜是為了減少光的反射損失而增強(qiáng)透光的強(qiáng)度； b b增透膜的厚度等于入射光在真空中波長的增透膜的厚度等于入射光在真空中波長的1/41/4； c c增透膜的厚度等于入射光在薄膜中波長的增透膜的厚度等于入射光在薄膜中波長的1/41/4； d d 增透膜的厚度等于入射光在薄膜中波長的增透膜的厚度等于入射光在薄膜中波長的1/2； e e因?yàn)樵鐾改ず穸纫话氵x適合綠光反射相互抵消的厚度，紅光因?yàn)樵鐾改ず穸纫话氵x適合綠光反射相互抵消的厚度，紅光 紫光反射不能完全抵消的厚度，所以涂有增透膜