光的干涉 (2)课件讲稿.ppt
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1、关于光的干涉(2)第一页,讲稿共六十页哦 本篇的研究对象本篇的研究对象:光光。光是什么?近代物理认为,光既是一种波动光是什么?近代物理认为,光既是一种波动(电磁波电磁波),又,又是一种粒子是一种粒子(光子光子)。就是说,光是具有波粒二象性的统。就是说,光是具有波粒二象性的统一体。一体。光学通常分为几何光学、波动光学和量子光学三部分。光学通常分为几何光学、波动光学和量子光学三部分。本篇仅讨论波动光学。波动光学是当代激光光学、信息本篇仅讨论波动光学。波动光学是当代激光光学、信息光学、非线性光学和很多应用光学的重要基础。波动最重光学、非线性光学和很多应用光学的重要基础。波动最重要的特征是具有干涉、衍
2、射和偏振现象。要的特征是具有干涉、衍射和偏振现象。u 引引 言言第二页,讲稿共六十页哦13.1 光波的相干叠加光波的相干叠加光波光波光源光源光波叠加光波叠加 相干光的获得相干光的获得 第三页,讲稿共六十页哦引起眼睛视觉效应的主要是光波中的电场矢量引起眼睛视觉效应的主要是光波中的电场矢量 。可可见见光光:频频率率:3.910147.71014Hz;相相应应真真空空中中的的波波长长:77003900。不同频率的光,颜色也不同。不同频率的光,颜色也不同。红红 光光 77006200 3.91014 4.8 1014Hz 橙橙 光光 62005900 4.81014 5.1 1014Hz 黄黄 光光
3、59005600 5.11014 5.4 1014Hz 绿绿 光光 56005000 5.41014 6.0 1014Hz 青青 光光 50004800 6.01014 6.3 1014Hz 蓝蓝 光光 48004500 6.31014 6.7 1014Hz 紫紫 光光 4500 3900 6.71014 7.7 1014Hz 表表13-1 可见光的范围可见光的范围一一.可见光波可见光波称为称为光矢量(或光振动)光矢量(或光振动)光波是光波是电磁波电磁波。第四页,讲稿共六十页哦u 光强:光强:由于光波中的光矢量由于光波中的光矢量 与能流密度与能流密度 以极快以极快的频率(约的频率(约10101
4、414HzHz)振荡,现有接收器能接收到的)振荡,现有接收器能接收到的是观察仪器在响应时间内的平均能流密度。在光学是观察仪器在响应时间内的平均能流密度。在光学中,称之为光强中,称之为光强I I。通常我们所关心的是同一种介质中不同位置光强的相通常我们所关心的是同一种介质中不同位置光强的相对大小,因此光强也可以定义为:对大小,因此光强也可以定义为:第五页,讲稿共六十页哦发光本质:发光本质:光是光源中的原子或分子从高能级向低能级光是光源中的原子或分子从高能级向低能级跃迁时发出的。跃迁时发出的。波列波列 v=(E2-E1)/h 波列长波列长 x=c能级跃迁辐射能级跃迁辐射E1E2波列:波列:原子发光过
5、程所经历时间原子发光过程所经历时间很短,原子发射的光波是很短,原子发射的光波是一段频率一定、振动方向一定、长度有限的光波,通常称为一段频率一定、振动方向一定、长度有限的光波,通常称为波列。波列。二二.光光 源源光源定义:光源定义:能发射光波的物体称为光源。能发射光波的物体称为光源。第六页,讲稿共六十页哦(2)激光光源激光光源:受激辐射受激辐射 (将在近代物理中讨论将在近代物理中讨论)(3)同步辐射光源:接近光速的变速电子的一种电磁辐射。同步辐射光源:接近光速的变速电子的一种电磁辐射。(1)(1)普通光源:普通光源:自发辐射自发辐射(随机随机、独立独立)不相干不相干(不同原子发的光不同原子发的光
6、)不相干不相干(同一原子先后发的光同一原子先后发的光)u 光源类型光源类型第七页,讲稿共六十页哦二二.光波叠加光波叠加当几列光波在同一介质中相遇时,其合成光振动是各列当几列光波在同一介质中相遇时,其合成光振动是各列光波单独在该点所产生的光振动的矢量和。光波单独在该点所产生的光振动的矢量和。u 光波叠加原理:光波叠加原理:u 光波叠加光波叠加P12r1r2第八页,讲稿共六十页哦在观测时间在观测时间内,内,P点的平均强度为点的平均强度为对普通光源来说,由于原子发光是间歇的、随机的、独立对普通光源来说,由于原子发光是间歇的、随机的、独立的,在观察的,在观察时间时间 内,相位差内,相位差 将随机变化,
7、以相同概率将随机变化,以相同概率取取02间的一切可能值。因此间的一切可能值。因此u 非相干叠加非相干叠加(且各处光强均匀分布且各处光强均匀分布)第九页,讲稿共六十页哦如果在观察如果在观察时间时间 内,相位差内,相位差 保持恒定保持恒定,则合成光强为则合成光强为u 相干叠加相干叠加 称为干涉项。称为干涉项。由由于于两两束束光光间间的的相相位位差差 随随空空间间各各点点的的位位置置不不同同而而改改变变。合合成成光光强强也也将将随随空空间间各各点点位位置置不不同同而而不不同同,于于是是在在空空间间形形成成强强弱弱相相间间的的稳稳定定分分布布。这这是是相相干干叠叠加的重要特征。加的重要特征。第十页,讲
8、稿共六十页哦如果如果I1=I2:u 光的干涉光的干涉 明纹明纹(加强加强)暗纹暗纹(减弱减弱)相干条件相干条件则在空间相遇区域就会形成稳定的则在空间相遇区域就会形成稳定的明、暗相间的条纹分明、暗相间的条纹分布布,这种现象称为,这种现象称为光的干涉光的干涉。两束光两束光:(1)频率相同;频率相同;(2)光振动方向相同;光振动方向相同;(3)相差恒定;相差恒定;第十一页,讲稿共六十页哦四四.获得相干光的方法获得相干光的方法 普通光源发出的光是不相干的。普通光源发出的光是不相干的。利用普通光源获得相干光的基本方法是:利用普通光源获得相干光的基本方法是:将将一一个个光光源源的的微微小小部部分分(视视为
9、为点点光光源源或或线线光光源源)发发出出的光的光设法设法分成两束再分成两束再使其使其相聚相聚。获得相干光的方法获得相干光的方法1.分波阵面法分波阵面法(杨氏实验杨氏实验)2.分振幅法分振幅法(薄膜干涉薄膜干涉)第十二页,讲稿共六十页哦13.2 光程和光程差光程和光程差光程光程光程差光程差薄透镜的等光程性薄透镜的等光程性第十三页,讲稿共六十页哦光波每传过一个波长的距离,其相位改变光波每传过一个波长的距离,其相位改变2。但光。但光波在不同介波在不同介质质中中传传播播时时,其波,其波长长不同,不同,则传则传播相同距离播相同距离带带来的相位改来的相位改变变不同。不同。为为方便方便处处理光在不同介理光在
10、不同介质质中因波中因波长长不同不同对对相位改相位改变变的影响,引入光程的概念。的影响,引入光程的概念。光的频率光的频率v由光源确定。光速由媒质确定。由光源确定。光速由媒质确定。真空中,光速真空中,光速:c=f 媒质中媒质中,光速,光速:=f n=c/=/n 一一.光程光程u 引入光程的背景引入光程的背景第十四页,讲稿共六十页哦 可见,同一频率的光在折射率为可见,同一频率的光在折射率为n的介质中传播路程的介质中传播路程x时引起的位相落后和光在真空中传播路程时引起的位相落后和光在真空中传播路程nx时引起时引起的位相落后相同。的位相落后相同。=/n u 光程光程光振动的相位沿传播方向是逐点落后的。如
11、果光在折射光振动的相位沿传播方向是逐点落后的。如果光在折射率为率为n,波长为波长为 的介质中传播路程的介质中传播路程x,则光振动的位,则光振动的位相落后为:相落后为:光程定义:光程定义:介质折射率介质折射率n和传播路程和传播路程x 的乘积的乘积nx称为光程。称为光程。第十五页,讲稿共六十页哦 光程的物理意义光程的物理意义:光程等于在相同的时间内光在真光程等于在相同的时间内光在真空中通过的路程。空中通过的路程。设经时间设经时间t,光在折射率为,光在折射率为n媒质中通过的几何路程为媒质中通过的几何路程为x。显然,显然,光程光程 nx=n t=c t。n=c/=/n 引入引入光程的好处:光程的好处:
12、引入引入光程概念后,就能将光在媒光程概念后,就能将光在媒质中通过的几何路程折算为真空中的路程来研究。这质中通过的几何路程折算为真空中的路程来研究。这就避免了波长随媒质变化而带来的困难。就避免了波长随媒质变化而带来的困难。第十六页,讲稿共六十页哦二二.光程差光程差=s2s1r2r1pn1n2s2S1p=r1s1pe1e2n1n2S2p=r2n1r1-n2r2(r1-e1+n1e1)-(r2-e2+n2e2)定义:定义:两束光光程之差称为两束光光程之差称为光程差。光程差。第十七页,讲稿共六十页哦s2s1r2r1pn1n2 设相干光源设相干光源s1和和s2的的初相相同初相相同,到达到达p点时的相差:
13、点时的相差:=2k ,明纹明纹(加强加强)=(2k+1),暗纹暗纹(减弱减弱)即即 明纹明纹 暗纹暗纹=真空中的波长真空中的波长光程差光程差 两束光干涉的强弱取决于光程差,而不是几何路程之两束光干涉的强弱取决于光程差,而不是几何路程之差差第十八页,讲稿共六十页哦即即 明纹明纹 暗纹暗纹=即即 明纹明纹 暗纹暗纹=对对初相相同初相相同的两相干光源的两相干光源,研究点的光程差等于研究点的光程差等于半波长的偶数倍半波长的偶数倍,出现出现明条纹明条纹;研究点的光程差等于研究点的光程差等于半波长的奇数倍半波长的奇数倍,出现出现暗条纹暗条纹第十九页,讲稿共六十页哦三三.薄透镜的等光程性薄透镜的等光程性 从
14、实物发出的不同光线,以不同路径通过透镜后,可以从实物发出的不同光线,以不同路径通过透镜后,可以会聚成会聚成 个明亮的实像。个明亮的实像。从从S发出的光线发出的光线1、2到达到达S点光程相等。点光程相等。透镜可以改变光线的传播方向,但不附加光程差。透镜可以改变光线的传播方向,但不附加光程差。s12第二十页,讲稿共六十页哦三角形三角形SOPSOP,三角形三角形OOFFSP,凸透镜凸透镜第二十一页,讲稿共六十页哦F凸透镜凸透镜薄透镜不产生附加光程差薄透镜不产生附加光程差!?ABC光路可逆。光路可逆。u第二十二页,讲稿共六十页哦Fp薄透镜不产生附加光程差薄透镜不产生附加光程差DEG第二十三页,讲稿共六
15、十页哦13.3 双缝干涉试验双缝干涉试验 *空间相干性空间相干性 杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验类似双缝的干涉实验类似双缝的干涉实验*空间相干性空间相干性 第二十四页,讲稿共六十页哦一一.杨氏双缝实验杨氏双缝实验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获得相干光的方法获得相干光的方法1.分波阵面法分波阵面法(杨氏实验杨氏实验)2.分振幅法分振幅法(薄膜干涉薄膜干涉)u 实验现象实验现象第二十五页,讲稿共六十页哦=r2-r1=明纹明纹 暗纹暗纹s2s1poDds*r2r1K=0K=1K=1K=2K=2u 理论分析理论分析真空,真空,s在在s1s2的中垂线上,于是单色的中垂线
16、上,于是单色光源光源s1和和s2 的初相相的初相相同同,干涉的强弱取决于从,干涉的强弱取决于从s1和和s2发出的两光线的光程差:发出的两光线的光程差:第二十六页,讲稿共六十页哦于是明暗纹条件可写为于是明暗纹条件可写为s*s2s1poDdr2r1xxK=0K=-1K=1K=2K=-2 明纹明纹 暗纹暗纹第二十七页,讲稿共六十页哦k=0,1,2,分别称为第一级、第二级分别称为第一级、第二级暗纹暗纹等等。等等。k为干涉条纹的为干涉条纹的级级次。次。明纹明纹坐标为坐标为k=0,1,2,依次称为零级、第一级、第二级明纹等等。依次称为零级、第一级、第二级明纹等等。零级亮纹零级亮纹(中央亮纹中央亮纹)在在x
17、=0处。处。暗纹,暗纹,k=0,1,2,.明纹,明纹,k=0,1,2,.明纹明纹 暗纹暗纹第二十八页,讲稿共六十页哦(1)干涉条纹是平行双缝的直线条纹。中央为零级明纹,干涉条纹是平行双缝的直线条纹。中央为零级明纹,上下对称,明暗相间,均匀排列。上下对称,明暗相间,均匀排列。(2)相邻亮纹相邻亮纹(或暗纹或暗纹)间的距离为间的距离为s*s2s1poDdr2r1xxK=0K=-1K=1K=2K=-2u 条纹特征:条纹特征:第二十九页,讲稿共六十页哦k=0k=-1k=-2k=1k=2如如用用白白光光作作实实验验,则则除除了了中中央央亮亮纹纹仍仍是是白白色色的的外外,其其余余各各级级条条纹纹形形成成从
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