大学物理光的干涉课件讲义资料讲解.ppt
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1、大学物理光的干涉课件讲义根据光的电磁理论,光是一定波段的电磁波。根据光的电磁理论,光是一定波段的电磁波。人眼能感受到的电磁波,人眼能感受到的电磁波,其波长其波长 约在约在 390 nm760 nm 之之间,间, (39007600 ,1 =1010 m)对应的频率为对应的频率为 ( 7.73.9 )1014 Hz。oAoAfcuT 广义而广义而言的光言的光波动光学:波动光学: 一、光的干涉一、光的干涉 二、光的衍射二、光的衍射 三、光的偏振三、光的偏振蝉翅在阳光下蝉翅在阳光下蜻蜓翅膀在阳光下蜻蜓翅膀在阳光下白光下的油膜白光下的油膜吹肥皂泡吹肥皂泡丰丰富富多多彩彩的的光光的的干干涉涉现现象象 1
2、 获得相干光的原则获得相干光的原则 2 分波面法双光束干涉分波面法双光束干涉 3 分振幅法产生的干涉分振幅法产生的干涉 4 干涉仪干涉仪 迈克耳逊干涉仪迈克耳逊干涉仪 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪 5 影响条纹对比度的几个因素影响条纹对比度的几个因素光源的最基本发光单元是分子、原子。光源的最基本发光单元是分子、原子。 1 相干光的获得相干光的获得一一. .光源光源发光的机制发光的机制: :(1) 热辐射热辐射 (2) 电致发光电致发光 (3) 光致发光光致发光 (4) 化学发光化学发光 自自发发辐辐射射(5) 同步辐射光源同步辐射光源 (6) 激光光源激光光源 受受激激辐辐射射光源发光,
3、是大量原子、分子的微观过程。光源发光,是大量原子、分子的微观过程。1、普通光源普通光源:自发辐射自发辐射(1)单个激发态原子的)单个激发态原子的发光是断续的(发光是断续的(间歇性间歇性),一一次发射的光波是一段频率一定、振动方向一定、有限次发射的光波是一段频率一定、振动方向一定、有限长的光波(通常称为光波列);长的光波(通常称为光波列);持续时间持续时间 108s(相干时间)(相干时间)(2)一个原子不同时间发光的频率不同、振动方向不)一个原子不同时间发光的频率不同、振动方向不同,在相位上没有固定关系;同,在相位上没有固定关系; = (E2-E1)/hE1E2能级跃迁辐射能级跃迁辐射波列波列波
4、列长波列长L = c(相干长度)(相干长度)非相干非相干光束光束(3)光源内所有原子发光的时间不同,不同原子发)光源内所有原子发光的时间不同,不同原子发光的频率、振动方向都是光的频率、振动方向都是随机随机的,在相位上更没有的,在相位上更没有固定关系。固定关系。 因此:这样的原子(分子)集体发射的光线,为因此:这样的原子(分子)集体发射的光线,为一束包含一束包含多成分多成分的光。是非相干光源。的光。是非相干光源。 普通光源:普通光源:自发辐射自发辐射 所发的光是非相干光所发的光是非相干光不同原子同时发的不同原子同时发的光光: :不相干不相干同一原子先后两次发同一原子先后两次发的光的光: :不相干
5、不相干同一原子的同一次发光同一原子的同一次发光2、激光光源激光光源: :受激辐射受激辐射E1E2 = (E2-E1)/h 例如例如:氦氖激光器氦氖激光器; 红宝石激光器红宝石激光器; 半导体激光器等等半导体激光器等等。完全一样完全一样(频率频率, 相位相位,振动方向振动方向,传播方向传播方向都相同)都相同) 激光光源:激光光源:受激辐射受激辐射 所发的光是相干光所发的光是相干光相干相干光束光束二、相干光的获得二、相干光的获得1.1.两列光波的叠加两列光波的叠加p12r1r2)cos(10101 tEE)cos(20202 tEE 10 20 0E0E10E20 cos2201022021020
6、EEEEE方向方向,频率相同频率相同 cos IIIII 21212 非相干光源非相干光源: :0cos -非相干叠加非相干叠加 21,III 完全完全相干光源相干光源 coscos-干涉相长干涉相长(明明) 2 k ,2,22121min2121maxIIIIIIIIIII-干涉相消干涉相消(暗暗) )12( k2.2.从普通光源中获得相干光的原则从普通光源中获得相干光的原则分波面法分波面法 从一次发光的从一次发光的同一波面上取出同一波面上取出几几部分,分开后再相遇部分,分开后再相遇p分束装置分束装置S21SS相相遇遇区区分波阵面分波阵面分振幅分振幅将一个原子一次发将一个原子一次发光中光中分
7、振幅法分振幅法 一支光线(一束光)中分出两部分再相遇一支光线(一束光)中分出两部分再相遇薄膜薄膜上表面上表面下表面下表面12分束分束pS * *等厚干涉等厚干涉等倾干涉等倾干涉杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉菲涅尔双棱镜干涉菲涅尔双棱镜干涉洛埃境干涉洛埃境干涉双光干涉双光干涉(波阵面分割波阵面分割)薄膜干涉薄膜干涉(振幅分割振幅分割)迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪平行平面薄膜干涉平行平面薄膜干涉劈尖干涉劈尖干涉牛顿环干涉牛顿环干涉迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪3.干涉分类干涉分类1. 1. 光程光程 真空中真空中dab 媒质中媒质中 n媒质中波长媒质中波长真空中几何路程真空中几何路程 d d 中所包含的波
8、数中所包含的波数= = 真空中波长真空中波长等于真空中的光程等于真空中的光程nd nd 中所包含的波数中所包含的波数 d nd 媒质中几何路程媒质中几何路程 d d 中所包含的波数中所包含的波数= = nddn 三、三、光程光程 光程差光程差abndn媒质媒质nncncun / 2dab 光在真空中经过光在真空中经过几何路程几何路程d 产生的相位差产生的相位差: 光在媒质中经过光在媒质中经过d 相当于在相当于在真空中经过真空中经过nd 产生的相位差产生的相位差:2nd2dnabdab引入:引入:L L = = ndnd物理意义:物理意义:光在介质中几何路程光在介质中几何路程 d,与在真空,与在
9、真空中几何路程中几何路程 nd 所经历的相位变化相同。所经历的相位变化相同。光程本质:光程本质:把介质中路程折合成真空中路程把介质中路程折合成真空中路程abndn媒质媒质 2 2.2.光程差光程差 2 光程差光程差相位差相位差 = = L2 -L1两条光线光程之差两条光线光程之差bac11rn22rn=n2 r2n1 r11n1l光线光线1在介质在介质1中走过的几何路程中走过的几何路程光线光线1经过的介质经过的介质1的折射率的折射率2n2l光线光线2经过的介质经过的介质2的折射率的折射率光线光线2在介质在介质2中走过的几何路程中走过的几何路程 :真空中的波长真空中的波长 相位差和光程差的关系:
10、相位差和光程差的关系: 研究光的研究光的主要在于主要在于光强的分布光强的分布,它主要取决,它主要取决于于两束相干光在相遇点的相位差:两束相干光在相遇点的相位差:)(2)(1212rr 对于对于如果两波到达场点如果两波到达场点P的过程中经过的介的过程中经过的介质不同质不同,则两相干光在则两相干光在P点的相位差点的相位差:,)(12 k,k2减弱减弱加强加强112222rr )rn-rn21122( ,相干相干加强加强干涉加强、减弱条件用干涉加强、减弱条件用表示为表示为= kk=0, 1, 2, 3 ,减弱减弱k) )( (21 rn1n2d1d2221121)(dndnddrL2211) 1()
11、 1(dndnrn1n2nmd1d2dm A A光程光程 L L = = ( ( n ni i d di i ) )B BA AB B例例1 1例例2 2例例3 3S1S2r1r2dnp在在P P点点: : 12LL2 122rnddr dnrr1212 3. 3.使用透镜不会产生附加光程差使用透镜不会产生附加光程差S acbS物点到象点各光线之间的光程差为零物点到象点各光线之间的光程差为零S1S2PQ4.反射光的相位突变和附加光程差反射光的相位突变和附加光程差 光疏光疏(n n较小)较小)光密光密(n较大)较大),反射光有反射光有半波损失半波损失. , 入入反反20 BA C2S1;321n
12、nn 光密光密光疏光疏,1、2间光程差间光程差无无 .1,2都没有都没有,321nnn 光疏光疏光密,光密, 1、2间光程差间光程差无无 .;321nnn 321nnn 光疏光疏光密光密,有有;光密光密光疏光疏, 没有没有. 光密光密光疏光疏,没有没有;光疏光疏光密光密, 有有.1、2间间有有 .1,2都有,都有,321nnn B2221、2间间有有 . 2一、杨氏双缝一、杨氏双缝二、其他类似装置二、其他类似装置 研究光的干涉主要包含以下几个主要问题研究光的干涉主要包含以下几个主要问题实验装置实验装置确定相干光束确定相干光束 求出光程差求出光程差( (相位差相位差) )分析干涉花样分析干涉花样
13、 给出强度分布给出强度分布应用及其它应用及其它 2 分波面法双光束干涉分波面法双光束干涉一、杨氏双缝一、杨氏双缝干涉干涉1 1. .实验装置实验装置英 国 医 生 兼 物 理 学 家 托 马 斯英 国 医 生 兼 物 理 学 家 托 马 斯 - - 杨杨(T.Yang) T.Yang) 于于18011801年年首先首先成功地进行成功地进行了光的干涉实验,看到了干涉条纹,了光的干涉实验,看到了干涉条纹,并并首次首次测量了光波的波长,使光的波测量了光波的波长,使光的波动理论得到了证实。动理论得到了证实。1.实验装置实验装置 ( (点源点源 分波面分波面 相遇相遇) )S21SS相遇区相遇区观察屏观
14、察屏P P1r2r2. 强度分布强度分布确定相干光束确定相干光束计算光程差计算光程差根据相长根据相长 相消条件确定条纹坐标相消条件确定条纹坐标步骤步骤 Dd,s1s2spr1r2dDOxDx= tgsin又又 xDDx当当= d明纹明纹暗纹暗纹, ,) )( (k21 k= 0, 1, 2, ,k 两相干光的光程差两相干光的光程差(d 10 -4 m, D 1m)= r2r1d sin 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,除中央明纹是白光外,其它各级条纹是彩色的,产生产生光谱光谱。, dDk明纹中
15、心明纹中心: x k=0, 1, 2 暗暗纹中心纹中心: x = k=0,1, 2, 3 条纹间距条纹间距x = dD条纹特点:条纹特点:dD)21(k 1) 干涉条纹明、暗相间,等间距,对称分布在中干涉条纹明、暗相间,等间距,对称分布在中央明纹两侧。(中间级次低)央明纹两侧。(中间级次低) 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。白光入射的杨氏双缝干涉照片白光入射的杨氏双缝干涉照片红光入射的杨氏双缝干涉照片红光入射的杨氏双缝干涉照片不同不同双缝双缝,d不同不同5) P5) P点光强:点光强: cos21II 4) 复色光入射时,复色
16、光入射时,k大大(k+1)小小 处,处,发生重级发生重级。明纹明纹 Imax= 4I0 I = = I1+ I2+ 2若若 I1=I2=I0, I A2暗纹暗纹 Imin= 02cos420II 则则振幅振幅 A2 =A12 +A22 +2A1A2cos 光强分布曲线光强分布曲线I0 2 -2 4 -4 4I02cos420II k12-1-2xx1x2x-2x-1sin /d- /d-2 /d2 /d000白光入射的杨氏双缝干涉照片白光入射的杨氏双缝干涉照片红光入射的杨氏双缝干涉照片红光入射的杨氏双缝干涉照片你能判断你能判断0级条纹在哪吗?级条纹在哪吗?因因任意两相邻条纹的光程差为任意两相邻
17、条纹的光程差为 !s1s2p (n1) d = N在在P点点: : r1r2dn12rr 12rnddr )( 插入介质后插入介质后: : 光程差的改变光程差的改变: : =(n1) d 若若p点原是第点原是第k级条纹,后来为第级条纹,后来为第k级,则级,则 Nkk)(得得N为条纹变化的条数为条纹变化的条数3.光程差改变时条纹的变化光程差改变时条纹的变化两相邻明纹或暗纹的间距都是两相邻明纹或暗纹的间距都是dDx思考与讨论:思考与讨论: 简单描述杨氏实验在下列情况下条纹的变化简单描述杨氏实验在下列情况下条纹的变化(1)使屏离双缝的间距)使屏离双缝的间距 增大增大(2)使光源波长)使光源波长 变大
18、变大(3)两缝的间距)两缝的间距 增加增加(4)用两个独立光源,使其分别通过各个缝)用两个独立光源,使其分别通过各个缝)(D)()(dx0 xI x pr1 r2 xxDdo讨论讨论 pr1 r2 xxDdo讨论讨论1 装置不对称对条纹影响装置不对称对条纹影响II讨论讨论2 狭缝遮盖对条纹影响狭缝遮盖对条纹影响x0 xI x pr1 r2 xxDdo pr1 r2 xxDdoI讨论讨论2 狭缝遮盖对条纹影响狭缝遮盖对条纹影响x0 xI x pr1 r2 xxDdo pr1 r2 xxDdoI讨论讨论3复色光入射条纹特点复色光入射条纹特点讨论讨论4非单色性光入射对条纹影响非单色性光入射对条纹影响
19、讨论讨论5狭缝宽度对条纹影响狭缝宽度对条纹影响讨论讨论6干涉装置置于水中对条纹影响干涉装置置于水中对条纹影响SS1S2双棱镜双棱镜Dd二、二、其他分波面法干涉实验其他分波面法干涉实验菲涅耳双棱镜菲涅耳双棱镜M1M2S1S2S 菲涅耳双面镜菲涅耳双面镜1sPM2sdDPL洛埃镜洛埃镜 1. 只在镜只在镜的一侧有的一侧有条纹;条纹;2. 镜边缘镜边缘处为暗纹处为暗纹2 sind2 xDd或或此处此处杨氏双缝花样杨氏双缝花样 双棱镜花样双棱镜花样劳埃镜花样劳埃镜花样例:例:光波长为光波长为 , 将一透明劈尖插入光线将一透明劈尖插入光线2中中, 则则当劈尖缓慢上移时当劈尖缓慢上移时(只遮住只遮住S2)
20、,屏上干涉条纹,屏上干涉条纹(A)间隔变大,向下移动间隔变大,向下移动.(B)间隔变小,向上移动间隔变小,向上移动.(C)间隔不变,向下移动间隔不变,向下移动.(D)间隔不变,向上移动间隔不变,向上移动.1 S1S22 (C)答:答: 条纹间距条纹间距x = dDod1S2S1n2nd2r1r例例. .在图示的双缝干涉实验中在图示的双缝干涉实验中, ,若用玻璃片折射若用玻璃片折射率率n n1 1 =1.4 =1.4 覆盖缝覆盖缝S S1 1 , ,用折射率用折射率n n2 21.71.7覆盖缝覆盖缝 S S2 2 , ,将使屏上原来未放玻璃时的将使屏上原来未放玻璃时的中央明条纹中央明条纹所所在
21、处变为在处变为第五级明纹第五级明纹, ,设单色光波长设单色光波长 =480nm ,=480nm ,求玻璃片的厚度求玻璃片的厚度d(可认为光线垂直穿过玻璃片)可认为光线垂直穿过玻璃片)覆盖玻璃后,覆盖玻璃后,021 rr )()(ddnrddnr 1122 5dnn1 )(2125nnd 5 m6100 . 8 解:原中央明条中央明条处处装置放在空气中,光波长为装置放在空气中,光波长为 ,已知,已知P点处为第三级明纹,则点处为第三级明纹,则S1、S2到到P点点的光程差为的光程差为 ;若将装置放在某;若将装置放在某种液体中,此时种液体中,此时P点为第四级明纹,点为第四级明纹,则液体折射率则液体折射
22、率n= .解:解: L1=3 L2= n L1 n= 4/3 p S1S2例例=4 例例如图,在双缝实验中,如图,在双缝实验中,P点处是明纹。点处是明纹。若将缝若将缝S2盖住,并在盖住,并在S1S2连线的垂直连线的垂直平分面处放一反射镜平分面处放一反射镜M,则,则P点处的点处的条纹有何变化?条纹有何变化?答:答: 由明纹变为暗纹。由明纹变为暗纹。SS2P*S1MS1MP的几何路程与的几何路程与S2P相同,相同,但有半波损失但有半波损失 L改变改变 /2分析:分析:斜入射斜入射,则,则P点处两相干光的光程点处两相干光的光程差为差为 .解:解:r1 S1S2r2d P L= r2 -(dsin +
23、r1)= r2 - r1-dsin 干涉图样与正入射时相比干涉图样与正入射时相比, 有何异同有何异同? 例例x0 xI x pr1 r2 xxDdo讨论讨论 pr1 r2 xxDdo讨论讨论1 装置不对称对条纹影响装置不对称对条纹影响II例:例:双缝实验双缝实验, , =5893=5893 , , 相邻明纹的角距相邻明纹的角距离离 ( ( 即 相 邻 明 纹 对 双 缝 中 心 处 的 张 角即 相 邻 明 纹 对 双 缝 中 心 处 的 张 角 ) ) =0.20=0.20 . . 要使要使 增大增大10%, 10%, = =? 若将若将装置浸入水中装置浸入水中(n=1.33), (n=1.
24、33), = =?解解: dkk+1级k级 ) 1(1 kdk kddkksind/6482 ()/(浸入水中,则有浸入水中,则有kndk类似,可得类似,可得nd n15. 033. 120. 0 薄膜薄膜是指:油膜、肥皂膜、透明的电介质薄板、夹是指: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等。在两块玻璃板之间的空气薄层或其它流体薄层等。 3 分分振幅法产生的(双光束)干涉振幅法产生的(双光束)干涉 一、相干光束和光程差一、相干光束和光程差 二、等倾条纹二、等倾条纹 三、等厚条纹三、等厚条纹一、相干光束和光程差一、相干光束和光程差SeiAB12n2n1P1n1
25、n2n1M2MdLiDC21E2AB1介质薄膜介质薄膜2 = n2 (AB+BC) n1ADSeiABCD12P屏屏n2n1光束光束1,2的光程差:的光程差:使用透镜不引使用透镜不引起附加光程差起附加光程差,eBCABcos iACADsin iesintan2 2cossinsin2cos212 ienen得得要注意有没要注意有没有半波损失有半波损失21nn 2cos22 en两种特殊结果:两种特殊结果:2sin22122 inn= 2e sinsin21nin 得得又由又由或或2. 厚度很小的不均匀薄膜厚度很小的不均匀薄膜1. 厚度均匀的薄膜厚度均匀的薄膜等倾干涉等倾干涉等厚干涉等厚干涉,
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