《物理学基础教程》课件 第12章.ppt

第12章 波动光学 ;本章学习要点;12.1 相干光 ;12.1.1 光的相干性 ;12.1.2 获得相干光的方法 ;2．分振幅法 ;12.1.3 光程与光程差 ; 因同一频率的光在不同介质的波长不同，上式中的λ应理解为在相应介质中的波长，故单色光在折射率为n的介质中传播l距离后，其相位改变量为： ;2．光程差 ;12.1.4 透镜的等光程性 ;12.2 杨氏双缝干涉与洛埃镜干涉 ; 如下图所示，设狭缝S1和S2的间距为d，其中点在屏幕上的投影为O，双缝与屏幕之间的距离为D。在屏幕上任取一点P，P点到O点的距离为x，到S1和S2的距离分别为r1和r2。取空气的折射率n≈1，则从S1和S2发出的光到达P点的光程差为： δ＝r2－r1 ; 根据式（12–4）可知，两束光干涉相长出现明纹时，光程差为： ;则暗纹中心的位置为： ; 【例12-1】杨氏双缝干涉实验中，以单色光照射到相距为的双缝上，双缝与屏幕的垂直距离为1m。则： （1）若从第一级明纹到同侧的第四级明纹间的距离为，求入射光的波长； （2）若入射光的波长为600nm，求相邻两明纹间的距离。 ; 【例12-2】把一个很薄的云母片（n＝）插入到杨氏双缝实验装置的一个缝上后，观测到屏幕中心移过7级明纹。如果入射光波长λ＝550nm，试求此云母片的厚度e。 ;12.2.2 洛埃镜干涉 ; 实验和理论研究都表明，在正入射（入射角i＝0）或掠入射（入射角i≈π/2）情况下，当光从波疏介质射向光密介质并反射时，反射光的光振动就会发生相位为π的突变，即相当于光要多走（或少走）半个波长的光程，这种现象称为光的半波损失。 需要说明的是，当光从波密介质射向光疏介质并反射时，反射光没有半波损失；半波损失只发生在反射光波中，在任何情况下，折射光波都没有半波损失。 计算两束相干光的光程差时，除了计算两束光通过不同介质和路程所引起的光程差之外，还要考虑因半波损失造成的附加光程差。 ;12.3 薄膜干涉 ; 因光线a和b为同一入射光的两部分，故为相干光。作CD⊥AD，由于透镜不引起附加光程差，因此，CP和DP的光程相等。于是，两束光的光程差等于AD和ABC之间的光程差（考虑半波损失），即 ; 透射光也可以产生干涉现象。如上图所示，光束AB到达B点时，一部分光直接经界面N折射出形成光线c，另一部分经B点和C点两次反射后从E点折射出形成光线d。两透射光没有因反射而附加的光程差，故其光程差为： ; 【例12-3】如下图所示，为使透镜（n3＝）透射的黄绿光（λ＝550nm）加强，求最少要镀上多厚的增透膜MgF2（n2＝）。 ; 由式（12–12）和式（12–13）还可看出，当n1和n2一定时光程差由薄膜厚度e和入射角i决定。因此，薄膜干涉可以分为两种情况：1．入射角i变化，薄膜厚度e不变，这时，光程差随入射角i的变化而变化，具有同样倾角的入射光对应同一条干涉条纹，这类干涉称为等倾干涉，如上述平行平面薄膜干涉；2．薄膜厚度e变化，入射角i不变，这时，光程差随薄膜厚度e的变化而变化，薄膜厚度相同的地方对应同一条干涉条纹，这类干涉称为等厚干涉。本节将主要介绍等厚干涉，产生等厚干涉条纹的典型装置有劈尖和牛顿环。 ;12.3.2 劈尖 ;于是，劈尖干涉产生明纹和暗纹的条件为： ; 上式表明，劈尖干涉所形成的干涉条纹是等间距的，条纹间距l与劈尖楔角θ成反比。θ越小，条纹越疏；θ越大，条纹越密。当θ大到一定程度时，条纹将密集的难以分辨，此时就观察不到干涉现象了。因此，劈尖干涉条纹只能在θ很小时才能观察到。 ; 测量长度的微小变化：如果将劈尖上表面向上平移λ/2n距离，则原来第k级明纹处将变为第k＋1级明纹，即条纹移动了一级。显然，若条纹的移动个数为m，则薄膜厚度改变量为mλ/2n。由此，可测出长度的微小变化。测量固体线膨胀系数的干涉膨胀仪就是据此原理制作的，如下图所示。 ; 检测平面平整度：由于薄膜厚度相同的地方对应同一条干涉条纹，即条纹的形状和分布直接显示了薄膜的厚度分布，因此，可用等厚条纹来检测平面的平整度。如下图所示，将待测平面P作为薄膜的一个表面，标准平面G作为另一个表面，则P上的微小起伏可通过等厚条纹的形状显现出来。 ; 【例12-4】在半导体组件生产中，为了测定硅（Si）表面SiO2薄膜的厚度，可将膜一端用化学方法腐蚀成劈尖形状，如左图所示。已知SiO2和Si的折射率分别为n1＝和n2＝。若用波长为λ＝的钠光垂直照射，观察到SiO2劈尖