物理光学-3光的干涉30课件1.ppt
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- 物理光学 干涉 30 课件
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1、第三章光的干涉和干涉仪光的干涉现象光的干涉现象:在两个或多个光波叠加的区域,某些点的:在两个或多个光波叠加的区域,某些点的振动始终加强,另一些点的振动始终减弱,形成在该区域振动始终加强,另一些点的振动始终减弱,形成在该区域内稳定的光强强弱分布的现象称为光的干涉现象。内稳定的光强强弱分布的现象称为光的干涉现象。(肥皂(肥皂泡、水面上的油膜呈现的美丽色彩等)泡、水面上的油膜呈现的美丽色彩等)第一节第一节 光波干涉的条件和实现方法光波干涉的条件和实现方法一、光波干涉的条件一、光波干涉的条件两支蜡烛、两盏灯放在一起,同时照在墙壁上。两支蜡烛、两盏灯放在一起,同时照在墙壁上。无光强度明暗变化的干涉现象无
2、光强度明暗变化的干涉现象 两个频率相同的钠光灯不能产生干涉现象,即使是同一两个频率相同的钠光灯不能产生干涉现象,即使是同一个单色光源的两部分发出的光,也不能产生干涉。个单色光源的两部分发出的光,也不能产生干涉。无干涉现象无干涉现象 两个完全独立的没有关联的光波无论如何不会产生干涉,两个完全独立的没有关联的光波无论如何不会产生干涉,而只有当两个光波有紧密关联或当两个光波是由同一光波分离而只有当两个光波有紧密关联或当两个光波是由同一光波分离出来时,才会发生干涉。(出来时,才会发生干涉。(从光源本身的发光特性来解释从光源本身的发光特性来解释)光源中单个原子发光是光源中单个原子发光是间歇的,持续时间约
3、间歇的,持续时间约1010-9-9秒秒。前后。前后光波是光波是完全独立的,初相位没有固定关系完全独立的,初相位没有固定关系。不同原子发出的波。不同原子发出的波列也如此。列也如此。两个波列形成的干涉图样只能在两个波列形成的干涉图样只能在1010-9-9秒内存在,另一时刻秒内存在,另一时刻对应于另一位相差的干涉图样,只能记录到对应于另一位相差的干涉图样,只能记录到强度强度I I的某一时间平的某一时间平均值均值。普通光源:普通光源:自发辐射自发辐射独立独立(不同不同原子发的光原子发的光)独立独立(同一原子先后发的光同一原子先后发的光)考察两光波叠加区域内的某一点考察两光波叠加区域内的某一点P P的强
4、度的强度 22121212122cosIIIIaaa a)()()(212121trkk1.1.非相干叠加非相干叠加 对普通光源来说,由于原子发光是间歇的、随机的、对普通光源来说,由于原子发光是间歇的、随机的、独立的,在观察时间独立的,在观察时间 内,相位差不能保持恒定内,相位差不能保持恒定,变化次数变化次数极多极多,可取可取0 022间的一切可能值间的一切可能值,且机会均等。且机会均等。22121200112cosIIdaaa ad 于是非相干叠加时的光强为于是非相干叠加时的光强为 I=II=I1 1+I+I2 2可见,可见,在非相干叠加时,总光强等于两光源单独发出的在非相干叠加时,总光强等
5、于两光源单独发出的光波在该处产生的光强之和,且光强是均匀分布的。光波在该处产生的光强之和,且光强是均匀分布的。2.2.相干叠加相干叠加如果在观察时间如果在观察时间 内,相位差保持恒定内,相位差保持恒定,则合成光强则合成光强在空间形在空间形成强弱相间的稳定分布。这是相干叠加的重要特征。成强弱相间的稳定分布。这是相干叠加的重要特征。)()()(212121trkk(1 1)振动方向相同)振动方向相同 干涉项干涉项I1212与与a1、a2的标量积有关。的标量积有关。(2 2)频率相同)频率相同 否则两光波频率差引起随时间迅速变化的位相差的变化否则两光波频率差引起随时间迅速变化的位相差的变化(3 3)
6、相位差恒定)相位差恒定 相位差保持恒值,该点强度稳定分布相位差保持恒值,该点强度稳定分布22121212122cosIIIIaaa a1)1)振动方向相同振动方向相同2)2)振动频率相同振动频率相同3)3)相位差保持恒定相位差保持恒定二、相干光的获得二、相干光的获得原理:原理:将同一光源上同一点或极小区域发出的一束光分成两将同一光源上同一点或极小区域发出的一束光分成两束,让它们经过不同的传播路径后,再使它们相遇,束,让它们经过不同的传播路径后,再使它们相遇,它们是相干光。它们是相干光。方法:方法:分波阵面法:把光波的波阵面分为两部分分波阵面法:把光波的波阵面分为两部分分振幅法:利用两个界面产生
7、两束反射光或折射光分振幅法:利用两个界面产生两束反射光或折射光分波面法:杨氏干涉分波面法:杨氏干涉pS*分波面法分波面法分振幅法分振幅法p薄膜薄膜S*分振幅法:平行平板产分振幅法:平行平板产生的干涉生的干涉产生光波干涉的补充条件:产生光波干涉的补充条件:4.光程差不太大光程差不太大5.光强差不太大光强差不太大光程差不能太大,否则由同一波列分成的两个波列不能相遇光程差不能太大,否则由同一波列分成的两个波列不能相遇 相干光的获得相干光的获得分波阵面法分波阵面法分振幅法分振幅法薄膜干涉薄膜干涉杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉双棱(面)镜干涉双棱(面)镜干涉洛埃镜干涉洛埃镜干涉等倾干涉等倾干涉等厚干涉等厚干涉
8、迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪牛顿环牛顿环劈尖干涉劈尖干涉增透膜增透膜增反膜增反膜 第二节第二节 杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验英国物理学家、医生和考古学家,英国物理学家、医生和考古学家,光的波动说的奠基人之一光的波动说的奠基人之一波动光学:波动光学:杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验生理光学:生理光学:三原色原理三原色原理材料力学:材料力学:杨氏弹性模量杨氏弹性模量考古学:考古学:破译古埃及石碑上的文字破译古埃及石碑上的文字托马斯托马斯杨(杨(Thomas YoungThomas Young)杨氏双缝干涉实验装置杨氏双缝干涉实验装置 18011801年,杨氏巧妙地设计了一种把单个波阵面分解为两
9、个年,杨氏巧妙地设计了一种把单个波阵面分解为两个波阵面以锁定两个光源之间的相位差的方法来研究光的干涉现波阵面以锁定两个光源之间的相位差的方法来研究光的干涉现象。杨氏用象。杨氏用叠加原理叠加原理解释了干涉现象,在历史上第一次测定了解释了干涉现象,在历史上第一次测定了光的波长光的波长,为光的,为光的波动学说波动学说的确立奠定了基础。的确立奠定了基础。S S线光源,线光源,G G是一个遮光屏,其上有两条与是一个遮光屏,其上有两条与S S平行的狭缝平行的狭缝S S1 1、S S2 2,且与,且与S S等距离,因此等距离,因此S S1 1、S S2 2 是相干光源,且相位相同;是相干光源,且相位相同;S
10、 S1 1、S S2 2 之间的距离是之间的距离是d d,到屏的距离是,到屏的距离是D D。S1S2SdDxOP1r2r干涉条干涉条纹纹I I光强分布同方向、同频率同方向、同频率、有、有恒定初位相差恒定初位相差的两个的两个单色光源单色光源所所发出的两列光波的叠加。发出的两列光波的叠加。SG一、干涉图样的计算一、干涉图样的计算OxyzP(x,y,D)dS1r2r1S2SyxD1、P点的干涉条纹强度2cos4cos2200212121IIIIIIIIII则:设)(cos)(cos)(1220122012424rrIrrkIIkrrk则:光强 I 的强弱取决于光程差)(12rr 22、光程差的计算O
11、xyzP(x,y,D)dS1r2r1S2SyxD222222222122DydxrDydxr)()(xdrrrrrrrr2212212122122)(xDdDxdrrxdrr2221212光程差:xDdIxDkdII2020424coscos则:3、干涉条纹的意义xDdII204cos,其中:为暗条纹;有最小值:时当为亮条纹;有最大值:时当21002140mIdDmxIIdDmxMINMAX,)(,x04IIdDmxMAX,021MINIdDmx,)(OxyzP(x,y,D)S1r2r1S2Syx为暗条纹;时为亮条纹;时,)(,042112012MINMAXImrrIImrr用光程差表示:结论
12、:1、干涉条纹代表着光程差的等值线。2、相邻两个干涉条纹之间其光程差变化量为一个波长,位相差变化2。在同一条纹上的任意一点到两个光源的光程差是恒定的。22212100()()4cos4cos2rrrrIIkI4、干涉条纹的间隔dDdDmdDme)(1条纹间隔:定义:两条相干光线的夹角为相干光束的会聚角,用表示。eDd条纹的间隔:在杨氏实验中:涉系统。的公式,适合于任何干是一个具有普遍意义eOxyzP(x,y,D)dS1r2r1S2SyxD会聚角-4-20240.00.20.40.60.81.0eeImm-1m+2m+1Dxmd5、干涉条纹间隔与波长。条纹间隔1ee,x0白条纹白条纹白光条纹e条
13、纹的间隔:二、两个点源在空间形成的干涉场二、两个点源在空间形成的干涉场22222212)2()2(DydxDydxrr迹。对点光源等光程差的轨干涉条纹应是空间位置空间分布的;两点源形成的干涉场是1222222222mdzymxm;有:对于亮条纹,在三维空间中,干涉结果:等光程差面等光程差面等光程差面与屏幕的交线等光程差面是一组以m为参数的回转双曲面族局部位置条纹干涉条纹的特点干涉条纹的特点干涉条纹是干涉条纹是一组平行等间距的明、暗相间的直条纹。一组平行等间距的明、暗相间的直条纹。中央中央为零级明纹,上下对称,明暗相间,均匀排列。为零级明纹,上下对称,明暗相间,均匀排列。干涉条纹不仅出现在屏上,
14、凡是两光束重叠的区域都存在干涉条纹不仅出现在屏上,凡是两光束重叠的区域都存在干涉,故杨氏双缝干涉属于非定域干涉。干涉,故杨氏双缝干涉属于非定域干涉。当当D D、一定时,一定时,e e与与d d成反比,成反比,d d越小,条纹分辨越清。越小,条纹分辨越清。1 1与与2 2为整数比时,某些级次的条纹发生重叠。为整数比时,某些级次的条纹发生重叠。m m1 11 1=m=m2 22 2光源光源S S位置改变:位置改变:S S下移时,零级明纹上移,干涉条纹整体向上平移;下移时,零级明纹上移,干涉条纹整体向上平移;S S上移时,干涉条纹整体向下平移,条纹间距不变。上移时,干涉条纹整体向下平移,条纹间距不变
15、。e=D/d讨论讨论 (1)波长及装置结构变化时干涉条纹的移动和变化)波长及装置结构变化时干涉条纹的移动和变化双缝间距双缝间距d d改变:改变:当当d d增大时,增大时,e e减小,零级明纹中心位置不变,条纹变密。减小,零级明纹中心位置不变,条纹变密。当当d d 减小时,减小时,e e增大,条纹变稀疏。增大,条纹变稀疏。举例:举例:若屏幕距双缝的距离为若屏幕距双缝的距离为D=800mmD=800mm,人眼对钠光,人眼对钠光(=589.3nm=589.3nm)最敏感,能够分辨到)最敏感,能够分辨到e=0.065 mm e=0.065 mm,则,则dDe双缝与屏幕间距双缝与屏幕间距D D改变:改变
16、:当当D D 减小时,减小时,e e减小,零级明纹中心位置不变,条减小,零级明纹中心位置不变,条纹变密。纹变密。当当D D 增大时,增大时,e e增大,条纹变稀疏。增大,条纹变稀疏。入射光波长改变:入射光波长改变:当当增大时,增大时,xx增大,条纹变疏;增大,条纹变疏;当当减小时,减小时,xx减小,条纹变密。减小,条纹变密。dDe若用复色光源,则干涉条纹是彩色的。若用复色光源,则干涉条纹是彩色的。对于不同的光波,若满足对于不同的光波,若满足m11=m22,出现干涉条纹的重叠。出现干涉条纹的重叠。(2 2)介质对干涉条纹的影响)介质对干涉条纹的影响在在S S1 1后加透明介质薄膜,干涉条纹如何变
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