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干涉和衍射是波动的共性干涉和衍射是波动的共性,光既然是波动光既然是波动电磁波电磁波,也也应当有这两种性质。只是光应当有这两种性质。只是光的波长太短，要定量观察干的波长太短，要定量观察干涉和衍射要应用专门的仪器，涉和衍射要应用专门的仪器，虽然在我们的日常生活中不虽然在我们的日常生活中不乏干涉和衍射的实例。乏干涉和衍射的实例。惠更斯惠更斯 一、一、关于光的本性的认识发展简史关于光的本性的认识发展简史微粒说微粒说直线传播直线传播干涉、衍射干涉、衍射波动说波动说偏偏 振振 现现 象象不能自圆其说不能自圆其说光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应不能用波动说解释不能用波动说解释光子说光子说麦克斯韦建立麦克斯韦建立光的电磁理论光的电磁理论电磁波说电磁波说光具波动和粒子相互并存的性质光具波动和粒子相互并存的性质波粒二象性。波粒二象性。光是电磁波光是电磁波是频率在一定范围内电磁波，是频率在一定范围内电磁波，是对人眼能产生视觉的电磁波。是对人眼能产生视觉的电磁波。二、各种电磁波的波长范围二、各种电磁波的波长范围电磁波谱电磁波谱真空中的波长真空中的波长长长 波波中中 波波短短 波波超短波超短波微微 波波红红橙橙黄黄绿绿青青蓝蓝紫紫红外线红外线无无线线电电波波可可 见见 光光电磁波谱电磁波谱真空中的波长真空中的波长3103 m 3104 m 200m 3103 m 10m 200m 1m 10m 0.1cm 1m620nm 760nm592nm 620nm578nm 592nm500nm 578nm464nm 500nm446nm 464nm400nm 446nm0.76m 600m紫外线紫外线 射线射线X射线射线5 nm 400 nm0.04 nm 5nm0.04 nm以下1 m=10-6 m1nm=10-9 m 1nm=10-6 mm 三、波动光学是以光的波动性为基础，研究光的传播三、波动光学是以光的波动性为基础，研究光的传播及其规律及其规律光的衍射光的衍射Diffraction of light光的偏振光的偏振Polarization of light光的干涉教学基本要求光的干涉教学基本要求1、理解理解相干光的条件及获得相干光的方法。相干光的条件及获得相干光的方法。2、掌握掌握光程的概念以及光程差和相位差的关系，理光程的概念以及光程差和相位差的关系，理解在什么情况下的反射光有解在什么情况下的反射光有相位跃变相位跃变。3、能分析能分析杨氏双缝干涉条纹及薄膜等厚干涉条纹的杨氏双缝干涉条纹及薄膜等厚干涉条纹的位置。位置。4、了解了解迈克耳逊干涉仪的工作原理迈克耳逊干涉仪的工作原理光的干涉光的干涉Interference of light13-1 13-1 相相 干干 光光1、普通光源的发光机制普通光源的发光机制原子能级及发光跃迁原子能级及发光跃迁基态基态激激发发态态跃迁跃迁自发辐射自发辐射 普通光源发光普通光源发光特点特点：原子发光是断续的，每次原子发光是断续的，每次发光形成一长度有限的波发光形成一长度有限的波列列,各原子各次发光相各原子各次发光相互独立，各波列互不相干。互独立，各波列互不相干。P21 获取相干光的方法：把光源上同一点发出的光设法获取相干光的方法：把光源上同一点发出的光设法分成两部分，然后再使这两部分叠加起来。分成两部分，然后再使这两部分叠加起来。led发光二极管发光二极管三灯发光棒三灯发光棒ic一种新型一种新型LED霓虹灯面世霓虹灯面世物理之光物理之光2、相干光的产生、相干光的产生波阵面分割法波阵面分割法*光源光源振幅分割法振幅分割法薄膜干涉薄膜干涉杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉（1）.相干叠加相干叠加对于频率相同；对于频率相同；相位差恒定；光矢量振动方向相位差恒定；光矢量振动方向相同的两束光的叠加相同的两束光的叠加干涉项干涉项相干条件相干条件:(1)频率相同；频率相同；(2)相位差恒定；相位差恒定；(3)光矢量振动方向平行。光矢量振动方向平行。（2）.非相干叠加非相干叠加3.单色光单色光复色光：复色光：含有多种波长成分的光。含有多种波长成分的光。单色光：单色光：只含单一波长成分的光。只含单一波长成分的光。强度强度波长波长线宽越窄单色性越好线宽越窄单色性越好一一.杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉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实验现象实验现象13-2 杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验 双镜双镜 劳埃德镜劳埃德镜xP二、杨氏双缝干涉实验二、杨氏双缝干涉实验由由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：OSdD1、在、在P点发生干涉加强的条件为点发生干涉加强的条件为2、在、在P点发生干涉减弱的条件为点发生干涉减弱的条件为 P点处出现明条纹。点处出现明条纹。k=0的明纹称为中央明纹，的明纹称为中央明纹，k=1，2，3，对应明纹为第一级，第二级，第三对应明纹为第一级，第二级，第三级，级，明纹。明纹。P点处出现暗条纹。点处出现暗条纹。k=1，2，对应暗纹为对应暗纹为第一级，第二级，第一级，第二级，暗纹。暗纹。4、相邻两明纹、相邻两明纹(或暗纹或暗纹)中心间的距离为：中心间的距离为：3、波程差为其它值的点，光强介于最明与最暗之间。、波程差为其它值的点，光强介于最明与最暗之间。因此上述两条纹分别是明纹中心和暗纹中心。因此上述两条纹分别是明纹中心和暗纹中心。1)干涉条纹是等距分布的，且各级明、暗条纹对称干涉条纹是等距分布的，且各级明、暗条纹对称分布在中央明纹两侧。分布在中央明纹两侧。2)当当D、一定时，一定时，x与与d成反比，成反比，d越小，条纹分越小，条纹分辨越清。辨越清。说明说明 3)当当D、d 一定时，一定时，x与与 成正比，用白光做光源时，成正比，用白光做光源时，除中央明纹是白光外，其它各级条纹是彩色的，紫在内除中央明纹是白光外，其它各级条纹是彩色的，紫在内红在外；不同级次的条纹可能发生重叠。红在外；不同级次的条纹可能发生重叠。1）d、D 一定时，一定时，x随随 的变化的变化2）、D一定时条纹间距一定时条纹间距 x与与 d 的关系的关系二、劳埃德镜二、劳埃德镜结论：结论：当光波由光疏媒质当光波由光疏媒质(折射率较小折射率较小)射向光密媒质射向光密媒质(折折射率较大射率较大)时，被光密媒质反射的光在反射点有相位时，被光密媒质反射的光在反射点有相位 的跃变，这一跃变相当于反射光与入射光这间的跃变，这一跃变相当于反射光与入射光这间附加了附加了半个波长的波程差半个波长的波程差，故称作，故称作半波损失半波损失。在在L处为一暗纹处为一暗纹(1)明纹间距分别为明纹间距分别为(2)双缝间距双缝间距 d 为为双双缝缝干干涉涉实实验验中中，用用钠钠光光灯灯作作单单色色光光源源，其其波波长长为为589.3 nm，屏与双缝的距离，屏与双缝的距离 D=600 mm解解 例例1求求(1)d=1.0 mm 和和 d=10 mm，两两种种情情况况相相邻邻明明条条纹纹间间距距分分别别为为多多大大？(2)若若相相邻邻条条纹纹的的最最小小分分辨辨距距离离为为 0.065 mm，能能分分清清干干涉涉条条纹纹的的双双缝缝间间距距 d 最最大大是多少？是多少？用用白白光光作作光光源源观观察察杨杨氏氏双双缝缝干干涉涉。设设缝缝间间距距为为d，缝面与屏距离为缝面与屏距离为 D解解 最先发生重叠的是某一级次的红光和高一级次的紫光最先发生重叠的是某一级次的红光和高一级次的紫光 清晰的可见光谱只有一级清晰的可见光谱只有一级 例例2明纹条件为明纹条件为求求 能观察到的清晰可见光谱的级次能观察到的清晰可见光谱的级次一、一、光程光程13-3 光程光程 薄膜干涉薄膜干涉 1、设光的频率为、设光的频率为，在真空中的波长为，在真空中的波长为 ，速度为，速度为c，在折射率为在折射率为n的介质中的波长为的介质中的波长为 n，速度为，速度为 ，则，则PS1S2r1 n1r2 n2 由此可知：由此可知：相位差不只由几何路程之差相位差不只由几何路程之差(r2r1)决定，而决定于决定，而决定于(n2 r2 n1r1)。叫光程差叫光程差 定义：光在某一媒质中行进的几何路程定义：光在某一媒质中行进的几何路程 r与该媒质与该媒质的折射率的折射率 n 的乘积的乘积 n r 叫做叫做光程光程。(2)光程的意义：光程的意义：设光在媒质设光在媒质n中的传播速度为中的传播速度为 ，在此种媒质中走，在此种媒质中走过过r的路程所需的时间为的路程所需的时间为r/，在相同的时间内光在，在相同的时间内光在真空中传播走过的路程为：真空中传播走过的路程为：即媒质中某一几何路程的光程，等于光在与走这段即媒质中某一几何路程的光程，等于光在与走这段路程相同时间内在真空中走过的路程。路程相同时间内在真空中走过的路程。光程相当于把光程相当于把光在不同媒质的传播都折算为光在真空中的光在不同媒质的传播都折算为光在真空中的 传播传播。这。这样就有了统一的客观尺度样就有了统一的客观尺度光程。光程。说明：说明：(1)一列光波如经两种媒质，则光程为一列光波如经两种媒质，则光程为nr+nr(2)相位差与光程差的关系是：相位差与光程差的关系是：二、透镜不会引起附加的光程差二、透镜不会引起附加的光程差焦平面焦平面焦平面焦平面 例题例题 在双缝实验中，入射光的波长为在双缝实验中，入射光的波长为550nm，用一，用一厚厚 e=2.85104cm的透明薄片盖着的透明薄片盖着S1缝，结果中央明纹缝，结果中央明纹移到原来第三级明纹处，求透明薄片的折射率。移到原来第三级明纹处，求透明薄片的折射率。解：解：加透明薄片后，加透明薄片后，光路的光程为光路的光程为 P点是中央明纹，两光点是中央明纹，两光路的光程差应等于路的光程差应等于0 不加透明薄片时，在不加透明薄片时，在P点处有：点处有：由以上两式可得：由以上两式可得：是云母片。是云母片。SdDOP二二.薄膜干涉薄膜干涉干涉现象干涉现象三、薄膜干涉三、薄膜干涉 薄膜指：油膜、肥皂膜、透明的电介质薄板、夹在薄膜指：油膜、肥皂膜、透明的电介质薄板、夹在两块玻璃板之间的空气薄层或其它流体薄层。两块玻璃板之间的空气薄层或其它流体薄层。薄膜的两个表面是相互平行的平面，叫薄膜的两个表面是相互平行的平面，叫平行平面膜平行平面膜。平行平面膜干涉平行平面膜干涉 光线以入射角光线以入射角i射向厚度射向厚度为为e、折射率为、折射率为n的薄膜，的薄膜，分别被薄膜的上下表面反分别被薄膜的上下表面反射的两束光，在薄膜上方射的两束光，在薄膜上方相遇发生干涉。相遇发生干涉。被薄膜的上下表面反射的两束光的光程差为：被薄膜的上下表面反射的两束光的光程差为：AN 反射的半波损失反射的半波损失薄膜的两个表面互成一个小角度时，叫薄膜的两个表面互成一个小角度时，叫劈形膜或劈尖劈形膜或劈尖。振幅分割法振幅分割法n n1 此式表明，光程此式表明，光程差决定于倾角差决定于倾角 i 折射定律折射定律 等倾干涉：等倾干涉：入射角相同的入射光，经薄膜上、下表入射角相同的入射光，经薄膜上、下表面反射后形成的相干光有相同的光程差，形成同一级面反射后形成的相干光有相同的光程差，形成同一级次干涉条纹；对于不同的入射角产生不同的干涉条纹，次干涉条纹；对于不同的入射角产生不同的干涉条纹，这种干涉叫等倾干涉这种干涉叫等倾干涉 。薄膜干涉分为薄膜干涉分为.等倾干涉等倾干涉e不变，光程差仅由入不变，光程差仅由入 射光线的倾角决定。射光线的倾角决定。.等厚干涉等厚干涉 i不变，光程差与薄膜不变，光程差与薄膜厚度有关。厚度有关。平行平面膜干涉的应用：平行平面膜干涉的应用：(1)镀增透膜镀增透膜照相机镜头、眼镜片照相机镜头、眼镜片 (2)镀增反膜镀增反膜激光器反射镜、宇航员的头盔、面激光器反射镜、宇航员的头盔、面甲上甲上 当光线垂直入射时当光线垂直入射时 在玻璃表面镀一层均匀薄膜，在玻璃表面镀一层均匀薄膜，为使可见光中对人眼最敏感为使可见光中对人眼最敏感的光反射相消，求膜的最小的光反射相消，求膜的最小厚度。厚度。玻璃玻璃空气空气纹暗纹暗减反膜减反膜增透膜增透膜例例1解解内内 容容 总总 结结平行平面膜平行平面膜等倾干涉等倾干涉若垂直入射：若垂直入射：半波损失半波损失SM13-4 劈劈 尖尖 牛顿环牛顿环一、劈尖一、劈尖劈尖角劈尖角 设光线垂直入射在劈尖上，劈尖的折射率为设光线垂直入射在劈尖上，劈尖的折射率为n明纹明纹暗纹暗纹劈尖干涉劈尖干涉讨讨 论论1）在棱边处：）在棱边处：为暗纹为暗纹（明纹）（明纹）（暗纹）（暗纹）厚度相同的点光程差相同，形成同一级次的一条干厚度相同的点光程差相同，形成同一级次的一条干涉条纹，不同的厚度形成不同的干涉条纹，这种干涉涉条纹，不同的厚度形成不同的干涉条纹，这种干涉叫叫等厚干涉等厚干涉。其它地方，出明纹和暗其它地方，出明纹和暗纹对应的厚度分别为：纹对应的厚度分别为：劈尖干涉劈尖干涉2）相邻明纹（暗纹）间的厚度差）相邻明纹（暗纹）间的厚度差 d3）相邻明纹（暗纹）中）相邻明纹（暗纹）中心间距离心间距离b干涉条纹的特点：干涉条纹的特点：(1)是一组平行于棱边、明暗相间、等间距的直条纹。是一组平行于棱边、明暗相间、等间距的直条纹。(2)劈尖角劈尖角 越大，越大，条纹间距越小；当条纹间距越小；当 大到一定程度大到一定程度时，条纹过密而分辨不清，因此一般要求时，条纹过密而分辨不清，因此一般要求 角很小。角很小。讨论题：讨论题：在下列三种情况下，干涉条纹将发生怎样在下列三种情况下，干涉条纹将发生怎样的变化？的变化？间距不变间距不变间距不变间距不变变密变密2）测膜厚）测膜厚1）干涉膨胀仪）干涉膨胀仪 劈尖干涉的应用劈尖干涉的应用劈尖干涉的应用劈尖干涉的应用工件表面纹路是凹的工件表面纹路是凹的3）检验光学元件表面的平整度）检验光学元件表面的平整度4）测细丝的直径）测细丝的直径例例2 制造半导体元件时，常需精确测定硅片上镀有二氧化硅制造半导体元件时，常需精确测定硅片上镀有二氧化硅薄膜的厚度，可用化学方法把薄膜的一部分腐蚀成劈尖形，用薄膜的厚度，可用化学方法把薄膜的一部分腐蚀成劈尖形，用波长波长 =589.3nm的单色光从空气垂直照射，二氧化硅的折射率的单色光从空气垂直照射，二氧化硅的折射率 n=1.5，硅的折射率为，硅的折射率为 3.42，若观察到如图所示的，若观察到如图所示的7条明纹。问条明纹。问二氧化硅膜的厚度二氧化硅膜的厚度d=?解：解：上下两面都有半波损失，上下两面都有半波损失，互相抵消，光程差为：互相抵消，光程差为：棱边处棱边处 e=0,对应于对应于 k=0,所以厚度为所以厚度为 d 处的明纹对应于处的明纹对应于 k=6,故二氧化硅膜的厚度为故二氧化硅膜的厚度为:二、牛顿环二、牛顿环 曲率半径很大的平凸透镜放在平玻璃板上，在其之曲率半径很大的平凸透镜放在平玻璃板上，在其之间形成环状劈形空气层，用单色光垂直照射在平凸透间形成环状劈形空气层，用单色光垂直照射在平凸透镜上，则可以观察到一组明暗相间的同心圆环，称为镜上，则可以观察到一组明暗相间的同心圆环，称为牛顿环牛顿环。分束镜分束镜M显微镜显微镜 平凸透镜平凸透镜平晶平晶 一一束束单单色色平平行行光光垂垂直直照照射射到到此此装装置置上上时时，所所呈呈现现的的等等厚厚条条纹纹是是一一组组以以接接触触点点O O为为中中心心的的同同心圆环。心圆环。实验装置及光路实验装置及光路S.厚度为厚度为d处空气层上下表面反射光程差为：处空气层上下表面反射光程差为：当当 d=0 时，时，=/2，中心暗斑。，中心暗斑。Rd明纹明纹暗纹暗纹暗环半径暗环半径明环半径明环半径r1）牛顿环）牛顿环属于等厚干涉，但条纹间距不等，为什么？属于等厚干涉，但条纹间距不等，为什么？2）将牛顿环置于）将牛顿环置于n 1 的液体中，条纹如何变？的液体中，条纹如何变？讨讨论论暗环半径暗环半径明环半径明环半径条纹变密集条纹变密集3）牛顿环的应用：牛顿环的应用：测量平凸透镜的曲率半径、测量平凸透镜的曲率半径、测量光波波长等测量光波波长等4）下列两种情况下的牛顿环有何不同？）下列两种情况下的牛顿环有何不同？5）如图，牛顿环装置由三种透明材料组成，试分析）如图，牛顿环装置由三种透明材料组成，试分析反射光干涉图样。反射光干涉图样。左半侧左半侧：=2ndd=0 处，处，=0 形成半圆形形成半圆形 0 级亮斑，级亮斑，右半侧右半侧：=2nd+/2d=0 处，处，=/2 形成半圆形形成半圆形 0 级暗斑。级暗斑。