薄膜干涉-山东大学课程中心ppt课件.ppt
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1、山东大学精品课程山东大学精品课程 第十章第十章 波动光学波动光学医学物理学1014Hz3.98.6医学物理学第一节第一节 光的干涉光的干涉普通光源普通光源 较简单的方式较简单的方式是电子跃迁发光:是电子跃迁发光:一、光的相干性一、光的相干性医学物理学两个独立的光源(或同一光源的不同两个独立的光源(或同一光源的不同部分)不是相干光源部分)不是相干光源同一光源分成的两束光是相干光源。同一光源分成的两束光是相干光源。相干条件:频率相同、振动方向相同、相位差恒定;相干条件:频率相同、振动方向相同、相位差恒定;相干光源:满足相干条件的光源。相干光源:满足相干条件的光源。医学物理学获得稳定干涉花样的条件:
2、获得稳定干涉花样的条件:同一批原子发射出来的,但经过不同光程的同一批原子发射出来的,但经过不同光程的两列波,到达同一观察点总保持不变的位相。两列波,到达同一观察点总保持不变的位相。分波阵面法:分波阵面法:波面的各个不同部分作为发射次波波面的各个不同部分作为发射次波的光源,这些次波交叠在一起发生干涉。的光源,这些次波交叠在一起发生干涉。分振幅法:分振幅法:次波本身分成两部分,走过不同的光次波本身分成两部分,走过不同的光程,重新交叠在一起发生干涉。程,重新交叠在一起发生干涉。医学物理学二、光程、光程差二、光程、光程差介质折射率介质折射率 n:n:1 1、光程(光程(Optical pathOpti
3、cal path)医学物理学光程光程光程:光程:注意:注意:引入光程的作用是:把光在媒质中的路程等引入光程的作用是:把光在媒质中的路程等效成真空中路程,光程常用效成真空中路程,光程常用表示。表示。光在介质中通过的几何路程光在介质中通过的几何路程l相当于光在真空中通过相当于光在真空中通过nl的几何路程。的几何路程。医学物理学2 2、光程差:即两光程之差,通常也用、光程差:即两光程之差,通常也用表示表示注意:注意:光程差与相位差的关系光程差与相位差的关系医学物理学1 1、装置与原理、装置与原理三、杨氏双缝干涉三、杨氏双缝干涉医学物理学如果如果医学物理学干涉加强干涉加强干涉减弱干涉减弱干涉加强干涉加
4、强干涉减弱干涉减弱医学物理学2 2、条纹分布规律、条纹分布规律表明:明、暗纹对称分布在中央明纹两侧表明:明、暗纹对称分布在中央明纹两侧yr1r2Dd pommmm(m m)医学物理学实际上,第实际上,第1010级明纹已看不清楚级明纹已看不清楚,取取 k=10;k=10;=5=51010-7-7 m;m;d=10d=10-4-4 m myr1r2Ddpo医学物理学已知已知 D D、d d,测出第,测出第 k k 级条纹的级条纹的 y y,可求,可求 医学物理学等距离分布,与级数无关等距离分布,与级数无关 DdDd可分辨;可分辨;x医学物理学复色光:中央白色、两侧内紫外红条纹复色光:中央白色、两侧
5、内紫外红条纹医学物理学总结总结u1.各级亮条纹的光强相等,相邻亮条纹和暗各级亮条纹的光强相等,相邻亮条纹和暗条纹都是等间距的,与干涉级条纹都是等间距的,与干涉级k无关。无关。u2.当当一定时,间距一定时,间距y y与与D成正比,与成正比,与d成成反比。反比。u3.当当D,d一定时,间距一定时,间距y与与成正比,历史成正比,历史上第一次测波长,由此方法得到。上第一次测波长,由此方法得到。u4.用白光作光源,用白光作光源,k=0是亮条纹,其余各级是亮条纹,其余各级互相重合,故一般用单色光。互相重合,故一般用单色光。u5.当当 干涉花样有一平移。干涉花样有一平移。医学物理学例例 1:在杨氏实验中双缝
6、的间距为在杨氏实验中双缝的间距为0.20 mm,光屏与光屏与狭缝的距离为狭缝的距离为50 cm,测得光屏上相邻亮条纹的间距测得光屏上相邻亮条纹的间距为为1.5 mm。求光波的波长。求光波的波长。解解:由式由式得得医学物理学例例 2:在杨氏实验中,双缝间距为在杨氏实验中,双缝间距为0.45 mm,使用波长为使用波长为540 nm的光观测。的光观测。(1)要使光屏要使光屏C上条纹间距为上条纹间距为1.2 mm,光屏应离双光屏应离双缝多远?缝多远?(2)若用折射率为若用折射率为1.5、厚度为、厚度为9.0 m的薄玻璃片遮盖的薄玻璃片遮盖狭缝狭缝S2,光屏上干涉条纹将发生什么变化?光屏上干涉条纹将发生
7、什么变化?解解:由式由式得得 S2未遮盖时,中央亮纹在遮盖时,中央亮纹在y y=0处,遮后光程差处,遮后光程差为为 =(nh+r2h)r1=h(n1)+(r2r1)=h(n1)+中央亮条纹应满足中央亮条纹应满足=0的条件,于是得的条件,于是得 医学物理学遮盖后中央亮纹位置为遮盖后中央亮纹位置为 这表示干涉条纹整体向下平移了这表示干涉条纹整体向下平移了10mm10mm。医学物理学四、洛埃镜四、洛埃镜(Lloyd mirror)2.半波损失半波损失:光疏介质到光密介质反射时,相光疏介质到光密介质反射时,相位突变位突变;相当于光多走或少走了半个波长的相当于光多走或少走了半个波长的距离。距离。1.实验
8、装置实验装置SS重点重点内容内容医学物理学n1n2n2n13.半波损失条件半波损失条件医学物理学五、薄膜干涉五、薄膜干涉(film interference)薄膜干涉是采用分振幅法获得相干光束的。薄膜干涉是采用分振幅法获得相干光束的。医学物理学薄膜干涉薄膜干涉光照射到透明薄膜上,在膜的前后表面都会反光照射到透明薄膜上,在膜的前后表面都会反 射,反射光射,反射光a和和b相遇后会叠加,产生干涉,这种相遇后会叠加,产生干涉,这种现象称为薄膜干涉。现象称为薄膜干涉。医学物理学如果是垂直入射,如果是垂直入射,干涉加强干涉加强 干涉减弱干涉减弱 所以所以干涉加强干涉加强 干涉减弱干涉减弱 en n医学物理
9、学斜入射时,上、下表面反射光的光程差为斜入射时,上、下表面反射光的光程差为医学物理学由图得由图得由折射定律由折射定律n sin r=sin i可得可得 医学物理学将将AB、BC和和AD代入前式整理得代入前式整理得 干涉加强干涉加强 满足满足 干涉减弱干涉减弱 满足满足 由以上讨论知,由以上讨论知,处于同一条干涉条纹上的各个处于同一条干涉条纹上的各个光点,是由从光源到薄膜的相同倾角的入射光所光点,是由从光源到薄膜的相同倾角的入射光所形成的形成的,故把这种干涉称为,故把这种干涉称为等倾干涉等倾干涉。医学物理学玻璃上的薄涂层玻璃上的薄涂层干涉相消条件干涉相消条件Glass 1.5Film1.38Ai
10、r 1.0MgF2glass1.381.50550nm 黄绿黄绿兰紫色兰紫色能量互补能量互补镀膜技术中的一些问镀膜技术中的一些问题:增透膜,增反膜题:增透膜,增反膜医学物理学 例例3:为了利用光的干涉作用减少玻璃表面对入射光的反射,为了利用光的干涉作用减少玻璃表面对入射光的反射,以增大透射光的强度,常在仪器镜头以增大透射光的强度,常在仪器镜头(折射率为折射率为1.50)表面涂敷表面涂敷一层透明介质膜一层透明介质膜(多用多用MgF2,折射率为折射率为1.38),称为增透膜。称为增透膜。若使镜头对人眼和照相机底片最敏感的黄绿光若使镜头对人眼和照相机底片最敏感的黄绿光(=550 nm)反射最小,试求
11、介质膜的最小厚度。反射最小,试求介质膜的最小厚度。解解:因上、下表面反射光都有半波损失因上、下表面反射光都有半波损失所以有所以有=2 e n2 由由干涉相消干涉相消条件得条件得所以所以按题意求氟化镁薄膜厚度的最小值,故应取按题意求氟化镁薄膜厚度的最小值,故应取k=0 故故空气空气n1=1.00MgF2 n2=1.38玻璃玻璃n3=1.50ab医学物理学 例例4:在水面上飘浮着一层厚度为在水面上飘浮着一层厚度为0.316 m的油膜,其折射率为的油膜,其折射率为1.40。中午的阳光垂直照射在油膜上,问油膜呈现什么颜色?。中午的阳光垂直照射在油膜上,问油膜呈现什么颜色?空气空气油膜油膜水水12解解:
12、由图知光由图知光1和光和光2的光程差为的光程差为油膜油膜颜色是干涉加强光波颜色满足颜色是干涉加强光波颜色满足或或当当k=1时,干涉加强的波长为时,干涉加强的波长为 当当k=2时,干涉加强的波长为时,干涉加强的波长为 =0.590 m 当当k=3时,干涉加强的波长为时,干涉加强的波长为 =0.354 m 只有只有=0.590 m的光的光处于可见光范围,是黄光,所以油膜呈黄色。处于可见光范围,是黄光,所以油膜呈黄色。1.33医学物理学六、等厚干涉六、等厚干涉 (equal thickness interference)(equal thickness interference)1.1.尖劈干涉尖劈
13、干涉 两束相干反射光光程差两束相干反射光光程差明暗纹条件:明暗纹条件:每级条纹都与一定的每级条纹都与一定的厚度相对应;厚度相对应;棱边处为暗条纹。棱边处为暗条纹。n1n1ne医学物理学相邻两明(暗)条纹之间的相邻两明(暗)条纹之间的距离距离干涉条纹是等间距的;干涉条纹是等间距的;越大,条越大,条纹间距越小,条距越小,条纹越越密。密。医学物理学 处于同一条干涉条纹上的各个光点,是由薄膜处于同一条干涉条纹上的各个光点,是由薄膜上厚度相同的地方的反射光所形成的上厚度相同的地方的反射光所形成的,故称这种,故称这种干涉为干涉为等厚干涉等厚干涉。干涉条纹干涉条纹医学物理学2.2.牛顿环牛顿环(Newton
14、(Newton ring)ring)Re明条纹明条纹暗条纹暗条纹当平凸透镜凸球当平凸透镜凸球面所反射的光与面所反射的光与平面玻璃上表面平面玻璃上表面所反射的光发生所反射的光发生干涉时发生的。干涉时发生的。医学物理学2.r 2.r 与与 k k 的平方根成正比的平方根成正比,圆环外围圆环外围分布密。分布密。k=1,2,3 k=1,2,3 K=0,1,2 K=0,1,2 特点:特点:1.牛顿环中心为暗纹。牛顿环中心为暗纹。应用:测定透镜曲率半径、测定光波波长等。应用:测定透镜曲率半径、测定光波波长等。医学物理学 例例5:用波长为用波长为0.400 m的紫光进行牛顿环实验,观的紫光进行牛顿环实验,观
15、察到第察到第k级暗环的半径为级暗环的半径为4.00 mm,第,第k+5级暗环的半级暗环的半径为径为6.00 mm。求平凸透镜的曲率半径求平凸透镜的曲率半径R和和k的数值。的数值。解解:由公式由公式 得得联立解得联立解得 所以所以 医学物理学第二节第二节 光的衍射光的衍射衍射:衍射:光绕过障碍物偏离直线传播而进入几何阴影,光绕过障碍物偏离直线传播而进入几何阴影,并在屏幕上出现光强不均匀分布的现象。并在屏幕上出现光强不均匀分布的现象。泊松泊松根据菲涅耳的计算结根据菲涅耳的计算结果,得出在一个圆片的阴果,得出在一个圆片的阴影中心应当出现一个亮点,影中心应当出现一个亮点,这个亮点为泊松亮斑。这个亮点为
16、泊松亮斑。医学物理学菲涅耳衍射菲涅耳衍射 光源到障碍物的距离或接收屏光源到障碍物的距离或接收屏到障碍物的距离不是无限远时,或两者都是到障碍物的距离不是无限远时,或两者都是有限远时所发生的衍射现象有限远时所发生的衍射现象。光源光源障碍物障碍物接收屏接收屏衍射现象是否明显主要看波长与障碍物的线度衍射现象是否明显主要看波长与障碍物的线度医学物理学夫琅禾费衍射夫琅禾费衍射:夫琅禾费衍射,就是当光源到夫琅禾费衍射,就是当光源到障碍物的距离和接收屏到障碍物的距离都是无障碍物的距离和接收屏到障碍物的距离都是无限大时,所发生的衍射现象限大时,所发生的衍射现象。光源光源障碍物障碍物接收屏接收屏医学物理学一、夫琅
17、和费单缝衍射一、夫琅和费单缝衍射医学物理学条纹分布:条纹分布:不均匀;不均匀;中央明纹强度最大、最宽;中央明纹强度最大、最宽;明纹的光强随级数增加而下降。明纹的光强随级数增加而下降。医学物理学1.分析分析半波带法半波带法衍射角衍射角半波带:半波带:做一些平行于做一些平行于BC的平面,使相邻平面的平面,使相邻平面之间的距离为之间的距离为/2,这些,这些平面将把狭缝处的波面平面将把狭缝处的波面AB分为整数个面积相等分为整数个面积相等的部分,每一个部分称的部分,每一个部分称为一个半波带。为一个半波带。医学物理学2.条纹位置与间距条纹位置与间距yK=1,2,3医学物理学医学物理学中央亮条纹的宽度等于各
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