光学教程第五章
第五章 光的干涉
5-1 波长为589.3nm 的钠光照射在一双缝上,在距双缝200cm 的观察屏上测量20个条纹共宽3cm ,试计算双缝之间的距离。 解:由题意,条纹间距为:cm e 15.020
3
==
∴双缝间距为:m e D d 39
1079.015
.0103.589200--?≈??==λ
5-2 在杨氏干涉实验中,两小孔的距离为1.5mm ,观察屏离小孔的垂直距离为1m ,若所用光源发出波长1λ=650nm 和2λ=532nm 的两种光波,试求两光波分别形成的条纹间距以及两组条纹的第8级亮纹之间的距离。 解:对于1λ=650nm 的光波,条纹间距为:
m d D e 3
3
9111043.010
5.1106501---?≈???==λ 对于2λ=532nm 的光波,条纹间距为:
m d D e 3
39221035.010
5.1105321---?≈???==λ ∴两组条纹的第8级条纹之间的距离为: m e e x 3211064.0)(8-?=-=?
5-3 一个长40mm 的充以空气的气室置于杨氏装置中的一个小孔前,在观察屏上观察到稳定的干涉条纹系,继后抽去气室中的空气,注入某种气体,发现条纹系移动了30个条纹。已知照射光波波长为656.28nm ,空气折射率为1.000276,试求注入气体的折射率n g 。 解:气室充入空气和充气体前后,光程的变化为: D n g )000276.1(-=?δ 而这一光程变化对应于30个波长: λδ30=?
∴λ30)1(=-D n g
000768.1000276.110
401028.656303
9
=+???=--g n
5-4 在菲涅耳双面镜干涉实验中,光波长为600nm ,光源和观察屏到双面镜交线的距离分
别为0.6m 和1.8m ,双面镜夹角为10-
3rad ,求:(1)观察屏上的条纹间距;(2)屏上最多
能看到多少亮条纹?
解:如图所示,S 1S 2的距离为:αsin 2l d =
∴条纹间距为:α
λ
λsin 2)(l q l d D e +== ∵α角很小
∴mm
m l q l e 2.1102.1106.0210600)8.16.0(2)(33
9
=?=????+=
+≈
---αλ 屏上能产生条纹的范围,如图阴影所示
mm
m q qtg y 6.3108.12223=??=≈=-αα
∴最多能看到的亮条纹数为:32
.16.3===
e y n
5-5 在如图所示的洛埃镜实验中,光源S 1到观察屏的距离为2m ,光源到洛埃镜面的垂直距离为2.5mm 。洛埃镜长40cm ,置于光源和屏的中央。若光波波长为500nm ,条纹间距为多少?在屏上可看见几条条纹? 解:在洛埃镜实验中,S 1和S 1在平面镜中的像S 2可看作是产生干涉的两个光源。条纹间距为:
mm d D e 2.010
25.210
500239
=????==
--λ 由图可知,屏上发生干涉的区域在P 1P 2范围内
mm mm mm
mm OB O S BP tg BP P P 67.112005.280010
1001≈?===θ mm mm
mm
mm OA O S AP tg AP P P 75.38005.2120010
2002=?===θ 由于经平面镜反射的光波有π的相位差,所以S 1和S 2可看作位相相反的相干光源。若
P 0点在干涉区内,它应该有一条暗条纹通过,并且P 1 P 0内包含的暗条纹数目:
4.82
.067
.1011===
e P P N P 2 P 0内包含的暗条纹数目为:8.182
.075
.3022===
e P P N ∴P 1 P 2区域内可看见10个暗条纹,9个亮条纹
P 0
1P 2E
5-6 用λ=0.5nm 的绿光照射肥皂泡膜,若沿着与肥皂泡膜平面成30°角的方向观察,看到膜最亮。假设此时干涉级次最低,并已知肥皂水的折射率为1.33,求此时膜的厚度。当垂直观察时,应改用多大波长的光照射才能看到膜最亮? 解:在观察膜最亮时,应满足干涉加强的条件:
λλ
θm n n h =+
-=?2
sin 2122
02 m =0,1,2,3,……
按题意,m =1,?=301θ
∴肥皂膜厚度:m n n m h 71
22
021024.1sin 2)21
(-?≈--=θλ
若垂直观察时看到膜最亮,设m =1,应有:2
2λ
=
nh
∴nm nh 6604≈=λ
5-7 在如图所示的干涉装置中,若照明光波的波长λ=640nm ,
厚度h =2mm ,折射率n =1.6(6.1>H n ),问(1是暗斑?(2)由中心向外计算,第10个亮斑的半径是多少?(310个亮环处的条纹间距是多少?设望远镜物镜的焦距为25cm 。 解:(1(021==θθ)对应的光程差为: mm nh 4.626.122=??==? 干涉级次为:10000106404
.66
0=?=
?
=
-λ
m
∴环中心是一亮斑。
(2)当中心是亮斑时,由中心向外计算,第10 rad h nN 0716.02
10640106.1610≈???==-λθ
∴半径为:mm mm f r 9.172500716.01010=?==θ (3)第十个亮环处条纹的角间距为:
rad mm
mm
h n 361010575.320716.02106406.12--?≈????==?θλθ
∴间距为:mm f e 894.010
575.32503
≈??=?=-θ
5-8 如图,单色光源S 照射平行平板G ,经反射后通过透镜L 在其焦平面E 上产生等倾干涉条纹,光源不直接照射透镜,光波长λ=600nm ,板厚d =2mm ,折射率n =1.5,为了在
给定系统下看到干涉环,照射在板上的谱线最大允许宽度是多少? 解:设干涉环中心的干涉级次为0m ,则:λλ
002
2m nd =+
=?
∴2
1100002120+=+=λnd
m 将m 改写成:ε+=10m m ,则1m 是最靠近中心的亮条纹的干涉级次,100001=m
为了能看到干涉环,最大允许谱线宽度λ?应满足: λλλ)1()(11+=?+m m ∴最大允许的谱线宽度为:nm m 06.01
==
?λ
λ
5-9 如图,G 1是待检物体,G 2是一标定长度的标准物,T 是放
在两物体上的透明玻璃板。假设在波长λ=550nm 的单色光垂直照射下,玻璃板和物体之间的锲形空气层产生间距为1.8mm 的条纹,两物体之间的距离为80mm ,问两物体的长度之差为多少?
解:当垂直入射时,条纹间隔为:α
λ
sin 2n e =
∵在该题中是空气层的楔角,且α角很小
∴αλ2≈e ∴rad e 36
10153.08
.12105502--?=??==
λα ∴两物体的长度之差为:mm mm R Rtg h 33
1024.1210153.080--?=??=≈=?αα
5-10 如图所示的尖劈形薄膜,右端厚度d 为0.0417mm ,折射率n =1.5,波长为0.589μm 的光以30°角入射到表面上,求在这个面上产生的条纹数。若以两块玻璃片形成的空气劈尖代替,产生多少条纹?
解:经劈尖上下两表面反射的光发生干涉,其光程差近似为: θ'=?cos 2nh
其中θ'是在上表面的折射角,h 表示平均厚度。
由折射定理:33.030sin sin =?
=
'n
θ 计算得:943.0cos ='θ 在上表面产生的条纹数,即在劈尖最右端的暗纹或亮纹级数。此时h =d =0.0417mm
产生暗纹条件: λλ
θ)2
1
(2c o s
2+=+'m nd m =0,1,2,3,…… ∴20010589.0943
.0100417.05.12cos 26
3=?????='
=
--λ
θnd m
劈尖棱线处是暗条纹,因此表面上有201条暗条纹,200条亮条纹 当用两块玻璃片形成的空气劈尖代替时,866.030cos cos =?='θ 在劈尖最右端的暗纹级数为:6.12210589.0866.0100417.012cos 26
3=?????='
=
--λ
θnd m
因此表面上有123条暗条纹,122条亮条纹
5-11 集成光学中的楔形薄膜耦合器如图所示。楔形端从A 到B 厚度逐渐减小到零。为测定薄膜的厚度,用波长λ=632.8nm 的He -Ne 激光垂直照明,
观察到楔形端共出现11条暗纹,且A 处对应一条暗
纹。已知薄膜对632.8nm 激光的折射率为2.21,求薄膜的厚度。
解:薄膜的折射率大于玻璃,因此入射光在楔形薄膜上表面反射有相位突变。产生暗条纹满足条件: λλ
)2
1
(22+=+
=?m nh m =0,1,2,3,…… 在薄膜B 处,h =0,2
λ
=
?,所以B 处对应一暗纹。
∴第11条暗纹在薄膜A 处 ∴λλ
)2
1
11(22+=+
nh ∴A 处薄膜的厚度为:mm n h 0014.021
.22108.632102106
≈???==-λ
5-12 如图,在一块平面玻璃板上,放置一曲率半径R 很大的平凸镜,以观察牛顿环条纹。(1)证明条纹间隔e 满足:N
R e λ
21=
,式中N 是由中心向外计算的条纹数;
(2)若分别测得相距k 个条纹的两个环的半径为N r 和k N r +,证明:λ
k r r R N
k N 22-=+
证明:(1)透镜凸表面和玻璃板平面间的空气层中心O 的厚度为零,可知牛顿环中心为一暗斑。设由中心向外计算,第N 个暗环的半径为N r ,则由图中几何关系可知:
22222)(h Rh h R R r N -=--=
∵h R >> ∴Rh r N 22
=
又∵N 个条纹对应的空气层厚度差为: 2
λ
N
h =
∴λNR r N =2 对上式微分,得:dN R dr r N λ=2
当1=dN 时,e dr = ∴条纹间距为:N
R r R e N λ
λ212=
=
(2)由上面推得得结果: λNR r N =2
λR k N r k N )(2+=+ ∴λR N k N r r N k N )(22-+=-+ ∴ λ
k r r R N
k N 2
2-=+
5-13 在观察牛顿环时,用1λ=580nm 的第五个亮环与用2λ的第七个亮环重合,求波长2λ为多少?
解:设由中心向外计算,第N 个亮环的半径为N r ,则:Rh r N 22
=
亮环满足的光程差条件为:λλ
N h =+22 ∴λ)2
1
(-=N h ∴λR N r N )2
1
(2
-=
由题意,用1λ=580nm 的第五个亮环与用2λ的第七个亮环重合
∴21)217()215(λλR R -=-
∴nm 54.40113
9
12==λλ
5-14 曲率半径为R 1的凸透镜和曲率半径为R 2的凹透镜相接触如图所示。在钠黄光λ=589.3nm 垂直照射下,观察到两透镜之间的空气层形成10个暗环。已知凸透镜的直径D =30mm ,曲率半径R 1=500mm ,试求凹透镜的曲率半径。
解:)11(42
12R R D N -=λ
∴)1
5001(103.589430102
6
2R -??=- ∴mm R 63.5062≈
5-15 假设照射迈克尔逊干涉仪的光源发出两种波长的单色光(设21λλ>)。因此当平面镜M 1移动时,条纹将周期性的消失和再现。设h ?表示条纹相继两次消失M 1移动的距离,
21λλλ-=?,试证明:λ
λλ?=
?22
1h
证明:当两波长形成的亮条纹重合时,可见度最好,而当1λ的亮条纹与2λ的暗条纹重合时,条纹消失,则当条纹消失时光程差满足:2211)2
1(2λλδ+==+=?m m h 式中δ表示光束在半反射面上反射时的附加光程差,未镀膜时为2
λ 则由上式得:λλλδλδλδ?+=+-+=+
-2
1121222221h h h m m 当h 增加h ?时,条纹再次消失,这时干涉级之差增加1,即:
λλλδ?+?+=++
-2
112)(2121h h m m 两式相减,得:λ
λλ?=?22
1h
5-16 在光学玻璃基片(52.1=G n )上镀制硫化锌膜层(n =2.35),入射光波长m μλ5.0=,求正入射时最大反射率和最小反射率的膜厚和相应的反射率数值。 解:∵G n n > 反射率有最大值的膜厚是: nm n
h 52.5238
.24500
4=?=
=λ
相应的反射率为:()()
33.0)38.2(52.11)38.2(52.112
222
2
22max
=??
????+?-?=+-=
n n
n n n n R G
o
G
o 反射率有最小值的膜厚是: nm n
h 04.10538
.22500
2=?=
=
λ
相应的反射率为:()()04.052.1152.112
2
2
min =??
? ??+-=+-=
G o G o n n n n R
5-17 在玻璃片上(6.1=G n )上镀单层增透膜,膜层材料是氟化镁(n =1.38),控制膜厚使其在正入射下对于波长0λ=0.5μm 的光给出最小反射率,试求这个单层膜在下列条件下的反射率: (1)波长m μλ6.0=,入射角?=00θ (2)波长m μλ6.0=,入射角?=300θ
解:(1)由题意,在正入射下对于波长0λ=0.5μm 的光给出最小反射率,因此膜层的光学厚度为: 4/0λ=nh
当m μλ6.0=时,相位差为: πλλπ
λ
π
?6
540===
nh ∴()()2sin 2cos 2sin 2cos 2
2
2222
2
2
????
λ??
?
??+++??
?
??-+-=n n n n n n n n n n n n R G o G o G o G o ()()01.0)
125(sin 38.138.16
.1)12
5(cos 6.11)125(sin 38.138.16.1)125(cos 6.1122
2222
22=??
?
??+++???
??-+-=
ππππ
(2)?=300θ,由折射定律:?=??? ??=??
?
??=25.2138.15.0arcsin sin arcsin 0n θθ
光束在基片内的折射角:?=??? ??=???
?
??=2.186.15.0arcsin sin arcsin 0G G n n θθ ∴对于s 分量的有效折射率为:866.030cos cos 000=?==θn n
286.125.21cos 38.1cos =??==θn n
52.12.18cos 6.1cos =??==G G G n n θ
对于p 分量的有效折射率为:155.130cos 1
cos 000=?
==
θn n
48.125.21cos 38
.1cos =?
==
θn n 684.12.18cos 6
.1cos =?
==
G G G n n θ
在?30斜入射下,相位差为: ππθλπ
?777.025.21cos 6
5
cos 4=??==
nh ∴()()2sin 2cos 2sin 2cos )(22
222
2
22
0????
λ??
?
??+++??
?
??-+-=n n n n n n n n n n n n R G o G o G o G o s ()()02.0388.0sin 286.1286.152.1866.0388.0cos 52.1866.0388.0sin 286.1286.152.1866.0388.0cos 52.1866.0222222
2
2
=??
?
??+?++???
??-?+-=ππππ
∴()()2sin 2cos 2sin 2cos )(22
222
2
22
0????
λ??
?
??+++??
?
??-+-=n n n n n n n n n n n n R G o G o G o G o p ()()007.0388.0sin 48.148.1684.1155.1388.0cos 684.1155.1388.0sin 48.148.1684.1155.1388.0cos 684.1155.1222222
2
2
=??
?
??+?++???
??-?+-=ππππ 因为入射光是自然光,故反射率为:
013.0)007.002.0(2
1
])()[(21)(000=+=+=p s R R R λλλ
5-18 在照相物镜上镀一层光学厚度为5
60
λ(0λ=0.5μm )的低折射率膜,试求在可见
光区内反射率最大的波长为多少?
解:镀低折射率膜,因此要使反射率最大,则:2
λ
m
nh = m =0,1,2,3,……
由题意,560λ=
nh ∴m
5120
λλ= 取m =2,3得可见光区内反射率最大的波长为m μλ6.0=,m μ4.0
5-19 比较下面三个4/λ膜系的反射率:
(1)7层膜,50.1=G n ,40.2=H n ,38.1=L n (2)7层膜,50.1=G n ,20.2=H n ,38.1=L n (3)9层膜,50.1=G n ,40.2=H n ,38.1=L n 说明膜系折射率和层数对膜系反射率的影响
解:2
22221
2??????
???????
???
?? ??+???? ??-=+G
H p
L H o G
H
p
L H o p n n n n n n n
n n n R (1)%3.9650.1)40.2(38.140.2150.1)40.2(38.140.212
262
67=?????
?
?
????
????
??? ??+???? ??-=R
(2)%7.9250.1)20.2(38.120.2150.1)20.2(38.120.212
262
67=?????
?
?
????
????
??? ??+???? ??-=R (3)%8.9850.1)40.2(38.140.2150.1)40.2(38.140.212
282
89=?????
?
?????
????
??
? ??+???? ??-=R 可见,膜系高折射率和低折射率层的折射率相差越大,且膜系层数越多,膜系的反射率就
越高。
5-20 有一干涉滤光片间隔层厚度为1.8×10-
4mm ,折射率n =1.5,试求: (1) 正入射时滤光片在可见光区内的中心波长;
(2) 透射带的波长半宽度,设高反射膜的反射率R =0.91
(3) 倾斜入射时,入射角分别为15°和40°时的透射光波长。 解:(1)中心波长为:m m
m m m nh μμλ54
.018.05.1220=??==
m =0,1,2,3,…… 取m =1,得在可见光区内的中心波长为:m μλ54.00= (2) 波长半宽度:
nm m R
R
R
R
nh 16016.091
.014.391.0154.01120
20
2
1==?-?
=-=-?
=
?μπλπλλ
(3)倾斜入射时,透射光产生极大的条件是:λθ=cos 2nh
当?=15θ时,m μλλ522.015cos 01=?= 当?=40θ时,m μλλ414.040cos 02=?=
5-21 一块F -P 干涉滤光片,其中心波长0λ=0.6328μm ,波长半宽度02
11.0λλ≤?,求
它在反射光损失为10%时的最大透过率。 解:中心波长nh 20=λ
波长半宽度:0002020
2
1
1.01112λπλπλλπλλ≤-=-?=-?=?R
R R R R R
nh ∴
101≥-R
R
π 求解得: %14.73≥R
最大透过率:%637314
.011.0111=--=--
=R A T M
5-22 观察迈克尔逊干涉仪,看到一个由同心明、暗环所包围的圆形中心暗斑。该干涉仪的一个臂比另一个臂长2.5cm ,且λ=500nm ,试求中心暗斑的级数,以及第六个暗环的级数。 解:对于虚平板产生的等倾干涉条纹,最小值满足:
λλ
θ)2
1(2cos 2+=+
m nh N 中心为暗斑,则:λ02m nh = ∴干涉级数0m 为: 100000
20==
λ
nh
m ∴第6个暗环的干涉级次为:9999406=-m m 5-23 利用如图所示的干涉系统可测量大球面反射镜的曲率半
径。图中球面反射镜的球心位于OP 2的延长线上,由O 到P 1和到P 2的光程相等。假设半反射面A 的镀膜恰使光束1、2的附加程差为零。在准直的单色光照射下,系统产生一些同心圆环条纹。若第十个暗环的半径为6mm ,单色光波长为580nm ,问球面反射镜的曲率半径是多少?
解:作出球面反射镜M 2在半反射面A 中的虚像'
2M ,系统产生的条纹亦可视为由虚空气薄层'
21M M 所产生,条纹即是牛顿
环。
由题意,O 到P 1和到P 2的光程相等,且附加程差为零,所以圆环中心为一亮点,干涉级数为0。由圆心向外,第10个暗环的干涉级数为(10-
2
1),故对应的空气层厚度为: 2)2110(λ
-=h
∴λR Rh r N 2
1922
== ∴m r R N 53.61058019)106(21929
2
32≈????==
--λ 5-24 F -P 干涉仪中镀金属膜的两玻璃板内表面的反射系数为r =0.8944,试求锐度系数、条纹半宽度、条纹锐度。 解:反射率为:8.02
==r R 锐度系数为:80)8.01(8
.04)1(422=-?=-=
R R F
条纹半宽度:447.080
44==
=
F ε rad
条纹锐度: πππ47.42
80
2
==
=
F
N
5-25 F -P 干涉仪常用来测量波长相差较小的两条谱线的波长差。设干涉仪两板的间距为0.5mm ,它产生的1λ谱线的干涉环系中第二环和第五环的半径分别为3mm 和5mm ,2λ谱线的干涉环系中第二环和第五环的半径分别为3.2mm 和5.1mm ,两谱线的平均波长为550nm ,试决定两谱线的波长差。
解:设对1λ谱线的干涉环系中心的干涉级数为0m ,则有:102λδm h =+ (1) 其中δ表示光束在板面金属膜上反射时的附加光程差:1λπ
φ
δ=,φ为在金属膜上反射的相变。若0m 非整数,则写为:010ε+=m m
1m 表示靠中心第一个亮环的干涉级数,由中心向外,第N 个亮环的干涉级数为
)]1([1--N m ,而它的角半径由下式求出: λδθ)]1([cos 21--=+N m h N
与(1)式相减,得:11)1()cos 1(2λεθ-+=-N h N ∵N θ一般很小,故有:2
cos 12N
N θθ=
-
∴)1(11
2
-+=
N h
N ελθ
∴第五环和第二环的半径平方之比为:11
112225141215εεεε++=
-+-+=r r ∴786.03553442
22
2222525221=--?=--=r r r r ε
同理,2λ谱线干涉环系中心的干涉级数的小数部分:
948.0)2.3()1.5()1.5()2.3(442
22
2222525222=--?=--=r r r r ε
由(1)式,2
2
1211
2
11222)
(2)2(
)2(
)()(λ
λ
λλλλπ
φλπ
φ
λεε?=
-=
+-+=+-+h h h
h
m m
∴nm h 2
329122
109.4)786.0948.0(10
5.02)10550()(2---?=-????=-=?εελλ
5-26 已知汞绿线的超精细结构为546.0753nm ,546.0745nm ,546.0734nm ,546.0728nm 。问用F -P 标准具分析这一结构时应如何选取标准具的间距?(设标准具面的反射率R =0.9) 解:用F -P 标准具分析这一结构时,应选取标准具的间距使标准具的自由光谱范围大于
超精细结构的最大波长差,并且使标准具的分辨极限小于超精细结构的最小波长差。 由题意:nm 074.5464
0728
.5460734.5460745.5460753.546=+++=
λ
超精细结构的最大波长差为:nm 0025.00728.5460753.546)(max =-=?λ 要使标准具的自由光谱范围大于超精细结构的最大波长差,则: max 2
)(2)(λλλ?>=
?h
f
∴mm nm nm h 64.591064.590025
.02)074.546()(262max 2=?=?=?<λλ
标准具的分辨本领为:
R
R
h R R m m -=-=?1297
.0197.0)(πλπλλ ∴标准具的分辨极限:R
R
h m πλλ-?=
?1297.0)(2
超精细结构的最小波长差为:nm 0006.00728.5460734.546)(min =-=?λ 要使min )()(λλ?
m i n
2
)(1297.0λπλ?<-?R
R
h ∴mm nm nm nm R R
h h 6.8106.89
.014.39.010006.0297.0)074.546(1297.0622
=?=?-???=-?>πλ
∴标准具的间距应满足:mm h mm 64.596.8<<
5-27 激光器的谐振腔可看作是一F -P 标准具,若激光器腔长0.6m ,两反射镜的反射率R =0.99,气体折射率为1,输出谱线的中心波长为633nm ,试求输出激光的频率间隔和谱线宽度。
解:输出激光的频率间隔为:2506
.01210328
=???==
?nl c νMHz 谱线633nm 的宽度是:
nm R R nl 62922
1
1006.199
.014.399.016.02)10633(12--?=?-???=-?=?πλλ
5-28 在杨氏干涉实验中,准单色光的波长宽度为0.06nm ,平均波长为540nm ,。问在小孔S 1处贴上多厚的玻璃片可使干涉中心P 0点附近的条纹消失?设玻璃的折射率为1.5。 解:在小孔S 1处贴上厚度为h 的玻璃片后,P 0点对应的光程差为: h n )1(-=?
若这一光程差大于准单色光的相干长度,则P 0点处观察不到条纹。
相干长度为: λλ?=?2
c
∴λ
λ?≥-2
)1(h n
∴mm m n h 72.91072.910
06.05.0)10540()1(39
2
92
=?=???=?-≥---λλ
5-29 在杨氏干涉实验中,照射两小孔的光源是一个直径为3mm 的圆形光源。光源发射光的波长为0.5μm ,它到小孔的距离为2m 。问小孔能够发生干涉的最大距离是多少? 解:扩展光源对两小孔S 1S 2中点的张角为:
331075.02
2/1032--?=?=θ
tg ∴rad 33
105.110
75.02--?=??≈θ
圆形光源的横向相干宽度为:mm d t 41.010
5.1105.022.122.13
6
=???==
--θ
λ
∴小孔能够发生干涉的最大距离是mm 41.0
5-30 太阳直径对地球表面的张角θ约为32′。在暗室中若直接用太阳光作光源进行双缝干涉实验(不用限制光源尺寸的单缝),则双缝间距不能超过多大?(设太阳光的平均波长为m μλ55.0=,日盘上各点的亮度差可以忽略。) 解: rad 0093.023='=θ
因为将入射的太阳光看作不用限制光源尺寸的单缝,因此其横向相干宽度为:
m d t μθλ14.590093
.01055.06
=?=
=- ∴双缝间距不能超过m μ14.59
光学教程答案(第五章)
1. 试确定下面两列光波 E 1=A 0[e x cos (wt-kz )+e y cos (wt-kz-π/2)] E 2=A 0[e x sin (wt-kz )+e y sin (wt-kz-π/2)] 的偏振态。 解 :E 1 =A 0[e x cos(wt-kz)+e y cos(wt-kz-π/2)] =A 0[e x cos(wt-kz)+e y sin(wt-kz)] 为左旋圆偏振光 E 2 =A 0[e x sin(wt-kz)+e y sin(wt-kz-π/2)] =A 0[e x sin(wt-kz)+e y cos(wt-kz)] 为右旋圆偏振光 2. 为了比较两个被自然光照射的表面的亮度,对其中一个表面直接进行观察,另一个表面 通过两块偏振片来观察。两偏振片透振方向的夹角为60° 。若观察到两表面的亮度相同,则两表面的亮度比是多少已知光通过每一块偏振片后损失入射光能量的10%。 解∶∵亮度比 = 光强比 设直接观察的光的光强为I 0, 入射到偏振片上的光强为I ,则通过偏振片系统的光强为I': I'=(1/2)I (1-10%)cos 2 600 ?(1-10%) 因此: ∴ I 0/ I = ×(1-10%)cos 2 600 ?(1-10%) = %. 3. 两个尼科耳N 1和N 2的夹角为60° ,在他们之间放置另一个尼科耳N 3,让平行的自然光通过这个系统。假设各尼科耳对非常光均无吸收,试问N 3和N 1 的偏振方向的夹角为何值时,通过系统的光强最大设入射光强为I 0,求此时所能通过的最大光强。 解: 20 1 I I = Θ
光学教程习题解答
《光学教程》(姚启钧)习题解答 第一章 光的干涉 1、波长为500nm 的绿光投射在间距d 为0.022cm 的双缝上,在距离180cm 处的光屏上形成干涉条纹,求两个亮条纹之间的距离。若改用波长为700nm 的红光投射到此双缝上,两个亮纹之间的距离为多少?算出这两种光第2级亮纹位置的距离。 解:1500nm λ= 改用2700nm λ= 两种光第二级亮纹位置的距离为: 2、在杨氏实验装置中,光源波长为640nm ,两狭缝间距为0.4mm ,光屏离狭缝的距离为50cm ,试求:⑴光屏上第1亮条纹和中央亮纹之间的距离;⑵若P 点离中央亮纹为0.1mm 问两束光在P 点的相位差是多少?⑶求P 点的光强度和中央点的强度之比。 解:⑴ 7050640100.080.04 r y cm d λ-?= =??= ⑵由光程差公式 ⑶中央点强度:2 04I A = P 点光强为:2 21cos 4I A π?? =+ ?? ? 3、把折射率为1.5的玻璃片插入杨氏实验的一束光路中,光屏上原来第5级亮条纹所在的位置变为中央亮条纹,试求插入的玻璃片的厚度。已知光波长为7610m -? 解: 1.5n =,设玻璃片的厚度为d 由玻璃片引起的附加光程差为:()1n d δ'=- 4、波长为500nm 的单色平行光射在间距为0.2mm 的双缝上。通过其中一个缝的能量为另一个的2倍,在离狭缝50cm 的光屏上形成干涉图样,求干涉条纹间距和条纹的
可见度。 解: 7050500100.1250.02 r y cm d λ-?= =??= 由干涉条纹可见度定义: 由题意,设22 122A A = ,即 1 2 A A = 5、波长为700nm 的光源与菲涅耳双镜的相交棱之间距离为20cm ,棱到光屏间的距离L 为180cm ,若所得干涉条纹中相邻亮条纹的间隔为1mm ,求双镜平面之间的夹角 θ。 解:700,20,180,1nm r cm L cm y mm λ===?= 由菲涅耳双镜干涉条纹间距公式 6、在题1.6 图所示的劳埃德镜实验中,光源S 到观察屏的距离为1.5m ,到劳埃德镜面的垂直距离为2mm 。劳埃德镜长40cm ,置于光源和屏之间的中央。⑴若光波波长500nm λ=,问条纹间距是多少?⑵确定屏上可以看见条纹的区域大小,此区域内共有几条条纹?(提示:产生干涉的区域P 1P 2可由图中的几何关系求得) 解:由图示可知:7 050050010,40.4, 1.5150nm cm d mm cm r m cm λ-==?==== ①70150500100.018750.190.4 r y cm mm d λ-?= =??== ②在观察屏上可以看见条纹的区域为P 1P 2间 即21 3.45 1.16 2.29P P mm =-=,离屏中央1.16mm 上方的2.29mm 范围内可看见条纹。 P 2 P 1 P 0 题1.6图
《光学教程》(姚启钧)课后习题1-5章解答
《光学教程》(姚启钧)1-5章习题解答 第一章 光的干涉 1、波长为500nm 的绿光投射在间距d 为0.022cm 的双缝上,在距离180cm 处的光屏上形成干涉条纹,求两个亮条纹之间的距离。若改用波长为700nm 的红光投射到此双缝上,两个亮纹之间的距离为多少?算出这两种光第2级亮纹位置的距离。 解:1500nm λ= 7011180 500100.4090.022 r y cm d λ-?= =??= 改用2700nm λ= 7022180700100.5730.022 r y cm d λ-?= =??= 两种光第二级亮纹位置的距离为: 21220.328y y y cm ?=?-?= 2、在杨氏实验装置中,光源波长为640nm ,两狭缝间距为0.4mm ,光屏离狭缝的距离为50cm ,试求:⑴光屏上第1亮条纹和中央亮纹之间的距离;⑵若P 点离中央亮纹为0.1mm 问两束光在P 点的相位差是多少?⑶求P 点的光强度和中央点的强度之比。 解:⑴ 7050640100.080.04 r y cm d λ-?= =??= ⑵由光程差公式 210 sin y r r d d r δθ=-== 0224 y d r π π π?δλ λ ?= = ?= ⑶中央点强度:2 04I A = P 点光强为:2 21cos 4I A π?? =+ ?? ?
012 (1)0.8542I I =+= 3、把折射率为1.5的玻璃片插入杨氏实验的一束光路中,光屏上原来第5级亮条纹所在的位置变为中央亮条纹,试求插入的玻璃片的厚度。已知光波长为7610m -? 解: 1.5n =,设玻璃片的厚度为d 由玻璃片引起的附加光程差为:()1n d δ'=- ()15n d λ-= ()76455 61061061010.5 d m cm n λ---==??=?=?- 4、波长为500nm 的单色平行光射在间距为0.2mm 的双缝上。通过其中一个缝的能量为另一个的2倍,在离狭缝50cm 的光屏上形成干涉图样,求干涉条纹间距和条纹的可见度。 解: 7050500100.1250.02 r y cm d λ-?= =??= 由干涉条纹可见度定义: 12min 2min 1221Max Max A A I I V I I A A ?? ? -??= =+??+ ??? 由题意,设22 122A A = ,即 1 2 A A = 0.943 V == 5、波长为700nm 的光源与菲涅耳双镜的相交棱之间距离为20cm ,棱到光屏间的距离L 为180cm ,若所得干涉条纹中相邻亮条纹的间隔为1mm ,求双镜平面之间的夹角 θ。 解:700,20,180,1nm r cm L cm y mm λ===?=
光学教程答案(第五章)之欧阳数创编
1. 试确定下面两列光波 E1=A0[e x cos(wt-kz)+e y cos(wt-kz-π/2)] E2=A0[e x sin(wt-kz)+e y sin(wt-kz-π/2)] 的偏振态。 解:E1 =A0[e x cos(wt-kz)+e y cos(wt-kz-π/2)] =A0[e x cos(wt-kz)+e y sin(wt-kz)] 为左旋圆偏振光 E2 =A0[e x sin(wt-kz)+e y sin(wt-kz-π/2)] =A0[e x sin(wt-kz)+e y cos(wt-kz)] 为右旋圆偏振光 2. 为了比较两个被自然光照射的表面的亮度,对其中一个表面直接进行观察,另一个表面通过两块偏振片来观察。两偏振片透振方向的夹角为60°。若观察到两表面的亮度相同,则两表面的亮度比是多少?已知光通过每一块偏振片后损失入射光能量的10%。 解∶∵亮度比 = 光强比 设直接观察的光的光强为I0, 入射到偏振片上的光强为I,则通过偏振片系统的光强为I': I'=(1/2)I (1-10%)cos2600?(1-10%)
因此: ∴ I 0/ I = 0.5×(1-10%)cos 2600 ?(1-10%) = 10.125%. 3. 两个尼科耳N 1和N 2的夹角为60° ,在他们之间放置另一个尼科耳N 3,让平行的自然光通过这个系统。假设各尼科耳对非常光均无吸收,试问N 3和N 1的偏振方向的夹角为何值时,通过系统的光强最大?设入射光强为I 0,求此时所能通过的最大光强。 解:20 1 I I = 4. 在两个理想的偏振片之间有一个偏振片以匀角速度ω绕光的传播方向旋转(见题 5.4图),若入射的自然光强为I 0,试证明透射光强为 I =16π I 0(1-cos4ωt). 解: I = 1 2I 0 cos 2ωt cos 2(2π-ωt ) = 1 2 I 0cos 2ωtsin 2 ωt = 18 I 0 1-cos4t 2ω = I 0(1-cos4ωt) ` 射的光强占入射光强的百分比。 题
《光学教程》(姚启钧)课后习题解答
《光学教程》(姚启钧)习题解答 第一章 光的干涉 1、波长为500nm 的绿光投射在间距d 为0.022cm 的双缝上,在距离180cm 处的光屏上形成干涉条纹,求两个亮条纹之间的距离。若改用波长为700nm 的红光投射到此双缝上,两个亮纹之间的距离为多少?算出这两种光第2级亮纹位置的距离。 解:1500nm λ= 7011180500100.4090.022 r y cm d λ-?= =??= 改用2700nm λ= 7022180700100.5730.022 r y cm d λ-?= =??= 两种光第二级亮纹位置的距离为: 21220.328y y y cm ?=?-?= 2、在杨氏实验装置中,光源波长为640nm ,两狭缝间距为0.4mm ,光屏离狭缝的距离为50cm ,试求:⑴光屏上第1亮条纹和中央亮纹之间的距离;⑵若P 点离中央亮纹为0.1mm 问两束光在P 点的相位差是多少?⑶求P 点的光强度和中央点的强度之比。 解:⑴ 7050640100.080.04 r y cm d λ-?= =??= ⑵由光程差公式 210 sin y r r d d r δθ=-==
0224 y d r π π π?δλ λ ?= = ?= ⑶中央点强度:2 04I A = P 点光强为:2 21cos 4I A π?? =+ ?? ? 012 (1)0.8542I I =+= 3、把折射率为1.5的玻璃片插入杨氏实验的一束光路中,光屏上原来第5级亮条纹所在的位置变为中央亮条纹,试求插入的玻璃片的厚度。已知光波长为7610m -? 解: 1.5n =,设玻璃片的厚度为d 由玻璃片引起的附加光程差为:()1n d δ'=- ()15n d λ-= ()76455 61061061010.5 d m cm n λ---==??=?=?- 4、波长为500nm 的单色平行光射在间距为0.2mm 的双缝上。通过其中一个缝的能量为另一个的2倍,在离狭缝50cm 的光屏上形成干涉图样,求干涉条纹间距和条纹的可见度。 解: 7050500100.1250.02 r y cm d λ-?= =??= 由干涉条纹可见度定义: 12min 2min 1221Max Max A A I I V I I A A ?? ? -??= =+??+ ??? 由题意,设22 122A A = ,即 1 2 A A =
光学教程第五章
第五章 光的干涉 5-1 波长为589.3nm 的钠光照射在一双缝上,在距双缝200cm 的观察屏上测量20个条纹共宽3cm ,试计算双缝之间的距离。 解:由题意,条纹间距为:cm e 15.020 3 == ∴双缝间距为:m e D d 39 1079.015 .0103.589200--?≈??==λ 5-2 在杨氏干涉实验中,两小孔的距离为1.5mm ,观察屏离小孔的垂直距离为1m ,若所用光源发出波长1λ=650nm 和2λ=532nm 的两种光波,试求两光波分别形成的条纹间距以及两组条纹的第8级亮纹之间的距离。 解:对于1λ=650nm 的光波,条纹间距为: m d D e 3 3 9111043.010 5.1106501---?≈???==λ 对于2λ=532nm 的光波,条纹间距为: m d D e 3 39221035.010 5.1105321---?≈???==λ ∴两组条纹的第8级条纹之间的距离为: m e e x 3211064.0)(8-?=-=? 5-3 一个长40mm 的充以空气的气室置于杨氏装置中的一个小孔前,在观察屏上观察到稳定的干涉条纹系,继后抽去气室中的空气,注入某种气体,发现条纹系移动了30个条纹。已知照射光波波长为656.28nm ,空气折射率为1.000276,试求注入气体的折射率n g 。 解:气室充入空气和充气体前后,光程的变化为: D n g )000276.1(-=?δ 而这一光程变化对应于30个波长: λδ30=? ∴λ30)1(=-D n g 000768.1000276.110 401028.656303 9 =+???=--g n 5-4 在菲涅耳双面镜干涉实验中,光波长为600nm ,光源和观察屏到双面镜交线的距离分 别为0.6m 和1.8m ,双面镜夹角为10- 3rad ,求:(1)观察屏上的条纹间距;(2)屏上最多
光学教程第四版姚启均 课后习题答案
1-1 解 : ∵ λd r y y y j j 0 1 = - =+? ∴ 409.010*******.0180 81≈??= ?-y cm 573 .010*******.018082≈??=?-y cm 又∵ λ d r j y 0= , 2=j ∴ 8 1 2 10 )50007000(022.01802)(-?-??=-=?λλd r j y ≈0.327 cm or: 328.0221 2 ≈?-?=?y y y cm 1-2 解: ∵ .0 ??? ? ?=?λd r y λd r j y 0 = j=0,1 ∴ (1) cm 08.0104.604 .050)01(5 =???-=?-y (2) 4104.650001.004.020225 π πλππ?= ????=?=?=?-r dy j (3) 2cos 4122 21 ? ?-=- A I 2 1 4A I =- 41 2 π ??= - 854.08cos 24cos 2 2 ≈==ππ I I p 1-3解:∵ d n d nd )1(-=-=δ ) 22(πδλ π ??==?j
而: λδj = ∴ cm m n j d4 6 7 10 6 10 6 1 5.1 10 6 5 1 - - - ? = ? = - ? ? = - = λ 1-4 解: cm d r y125 .0 10 5000 02 .0 50 8 0= ? ? = = ?- λ 2 3 2 2 1 2 2 2 : 943 .0 2 3 2 2 1 2 2 1 2 2 2 2 1 2 1 2 2 1 2 1 min max min max 2 1 2 1 2 = + = + = ≈ = + = ? ? ? ? ? + ? ? ? ? ? = + - = = ∴ = = I I I I V or A A A A I I I I V A A I I A IΘ 1-5 解: λ θ sin 2r l r y + = ? Θ ()' 1 8 12 2.0 0035 .0 sin 0035 .0 10 7000 1.0 20 2 180 20 2 sin = ≈ = = ? ? ? ? + = ? + = ∴ - - o y r l r θ λ θ 1-6解:(1)
光学教程姚启钧课后习题解答
《光学教程》(姚启钧)习题解答 第一章光的干涉 1、波长为500nm 的绿光投射在间距d 为0.022cm 的双缝上,在距离180cm 处的光屏上形成干涉条纹,求两个亮条纹之间的距离。若改用波长为700nm 的红光投射到此双缝上,两个亮纹之间的距离为多少?算出这两种光第2级亮纹位置的距离。 解:1500nm λ= 7011180 500100.4090.022 r y cm d λ-?= =??= 改用2700nm λ= 7022180700100.5730.022 r y cm d λ-?= =??= 两种光第二级亮纹位置的距离为: 21220.328y y y cm ?=?-?= 2、在杨氏实验装置中,光源波长为640nm ,两狭缝间距为0.4mm ,光屏离狭缝的距离为50cm ,试求:⑴光屏上第1亮条纹和中央亮纹之间的距离;⑵若P 点离中央亮纹为0.1mm 问两束光在P 点的相位差是多少?⑶求P 点的光强度和中央点的强度之比。 解:⑴7050 640100.080.04 r y cm d λ-?= =??= ⑵由光程差公式 210 sin y r r d d r δθ=-== 0224 y d r π π π?δλ λ ?= = ?=
⑶中央点强度:2 04I A = P 点光强为:2 21cos 4I A π?? =+ ?? ? 012 (1)0.8542I I =+= 3、把折射率为1.5的玻璃片插入杨氏实验的一束光路中,光屏上原来第5级亮条纹所在的位置变为中央亮条纹,试求插入的玻璃片的厚度。已知光波长为7610m -? 解: 1.5n =,设玻璃片的厚度为d 由玻璃片引起的附加光程差为:()1n d δ'=- ()15n d λ-= ()7645561061061010.5 d m cm n λ---= =??=?=?- 4、波长为500nm 的单色平行光射在间距为0.2mm 的双缝上。通过其中一个缝的能量为另一个的2倍,在离狭缝50cm 的光屏上形成干涉图样,求干涉条纹间距和条纹的可见度。 解: 7050500100.1250.02 r y cm d λ-?= =??= 由干涉条纹可见度定义: 12min 2min 1221Max Max A A I I V I I A A ?? ? -??= =+??+ ??? 由题意,设22 122A A = ,即 1 2 A A = 0.943 V = =
光学教程姚启钧课后习题解答
光学教程姚启钧课后习题 解答 Newly compiled on November 23, 2020
《光学教程》(姚启钧)习题解答 第一章 光的干涉 1、波长为500nm 的绿光投射在间距d 为0.022cm 的双缝上,在距离180cm 处的光屏上形成干涉条纹,求两个亮条纹之间的距离。若改用波长为700nm 的红光投射到此双缝上,两个亮纹之间的距离为多少算出这两种光第2级亮纹位置的距离。 解:1500nm λ= 改用2700nm λ= 两种光第二级亮纹位置的距离为: 2、在杨氏实验装置中,光源波长为640nm ,两狭缝间距为0.4mm ,光屏离狭缝的距离为50cm ,试求:⑴光屏上第1亮条纹和中央亮纹之间的距离;⑵若P 点离中央亮纹为0.1mm 问两束光在P 点的相位差是多少⑶求P 点的光强度和中央点的强度之比。 解:⑴ 7050640100.080.04 r y cm d λ-?= =??= ⑵由光程差公式 ⑶中央点强度:204I A = P 点光强为:221cos 4I A π? ?=+ ?? ? 3、把折射率为1.5的玻璃片插入杨氏实验的一束光路中,光屏上原来第5级亮条纹所在的位置变为中央亮条纹,试求插入的玻璃片的厚度。已知光波长为7610m -? 解: 1.5n =,设玻璃片的厚度为d 由玻璃片引起的附加光程差为:()1n d δ'=-
4、波长为500nm 的单色平行光射在间距为0.2mm 的双缝上。通过其中一个缝的能量为另一个的2倍,在离狭缝50cm 的光屏上形成干涉图样,求干涉条纹间距和条纹的可见度。 解: 7050500100.1250.02 r y cm d λ-?= =??= 由干涉条纹可见度定义: 由题意,设22122A A = ,即1 2 A A = 5、波长为700nm 的光源与菲涅耳双镜的相交棱之间距离为20cm ,棱到光屏间的距离L 为180cm ,若所得干涉条纹中相邻亮条纹的间隔为1mm ,求双镜平面之间的夹角θ。 解:700,20,180,1nm r cm L cm y mm λ===?= 由菲涅耳双镜干涉条纹间距公式 6、在题 图所示的劳埃德镜实验中,光源S 到观察屏的距离为1.5m ,到劳埃德镜面的垂直距离为2mm 。劳埃德镜长40cm ,置于光源和屏之间的中央。⑴若光波波长 500nm λ=,问条纹间距是多少⑵确定屏上可以看见条纹的区域大小,此区域内共 有几条条纹(提示:产生干涉的区域P 1P 2可由图中的几何关系求得) P 2 P 1 P 0 题图
光学教程第1章_参考答案
1.1 波长为500nm 的绿光投射在间距d 为0.022cm 的双缝上,在距离 0r 为180cm 处的光屏上形成干涉条纹,求两个亮条纹之间的距离.若改用波长为700nm 的红光投射到此双缝上,两个亮条纹之间的距离又为多少?算出这两种光第2级亮纹位置的距离。 解:相邻两个亮条纹之间的距离为 m d r y y y i i 2922 0110409.01050010 022.010180----+?≈????==+=?λ 若改用700nm 的红光照射时,相邻两个亮条纹之间的距离为 m d r y y y i i 2922 0110573.01070010 022.010180----+?≈????==+=?λ 这两种光第2级亮条纹位置的距离为 m d r j y y y nm nm 392 2 120500270021027.3]10)500700[(10 022.0101802) (----==?≈?-????=-=-=?λλλλ 1.2 在杨氏实验装置中,光源波长为640nm ,两狭缝间距d 为0.4mm ,光屏离狭缝的距离 0r 为50cm.试求:(1)光屏上第1亮条纹和中央亮条纹之间的距离;(2)若P 点离中央亮条纹 0.1mm ,问两束光在P 点的相位差是多少?(3)求P 点的光强度和中央点的强度之比。 解: (1)因为λd r j y 0 =(j=0,1)。 所以第1亮条纹和中央亮条纹之间的距离为 m d r y y y 493 2 001100.810640104.01050)01(----?=????=-=+=?λ (2)因为0 21r yd r r -≈-,若P 点离中央亮纹为0.1mm ,则这两束光在P 点的相位差为 4 1050104.0101.01064022)(22339021π πλπλπ ?=??????-=-≈-=?----r yd r r (3)由双缝干涉中光强)](cos 1)[(A 2I(p)2 1p p ??+=,得P 点的光强为