大学物理 第十一章光的干涉课件.ppt

1、波波 动动 光光 学学光的干涉光的干涉光的衍射光的衍射光的偏振光的偏振 光学研究光学研究光的传播光的传播以及以及它和物质相互作用。它和物质相互作用。通常分为以下三个部分：通常分为以下三个部分：几何光学：几何光学：以光的直线传播规律为基础，以光的直线传播规律为基础，波动光学：波动光学：研究光的电磁性质和传播规律，研究光的电磁性质和传播规律，量子光学：量子光学：以光的量子理论为基础，以光的量子理论为基础，研究各种成象光学仪器的理论。研究各种成象光学仪器的理论。是干涉、衍射、偏振的理论和应用。是干涉、衍射、偏振的理论和应用。物质相互作用的规律。物质相互作用的规律。主要主要研究光与研究光与特别特别 波

2、动光学和量子光学，统称为物理光学。波动光学和量子光学，统称为物理光学。光程、光程差光程、光程差真空中通过距离真空中通过距离d d需要时间需要时间:dab媒质中通过距离媒质中通过距离d d需要时间需要时间:abndn n媒质媒质t=d/cn)vc(cnd)nc(dvdtn第第11章章 几何光学的基本概念几何光学的基本概念定义定义光程光程 :L L =ndndn1n2nmd1d2dm 光程光程 L L=(n ni i d di i )这说明这说明:光在光在媒质中通过距离媒质中通过距离d d需要的时间需要的时间,等于等于光在光在真空中通过距离真空中通过距离ndnd需要的时间需要的时间.为了便于为了便

3、于比较比较,把媒质中传播的距离把媒质中传播的距离d d折合到真空中为折合到真空中为ndnd光程差光程差 ：=L L2 2-L-L1 1费马原理费马原理在一条光线上的两点之间，光沿在一条光线上的两点之间，光沿着光学长度最短的路径传播。着光学长度最短的路径传播。光沿需要时间最短的路径传播。光沿需要时间最短的路径传播。光传播的实际路径是使光程取极值的路径。光传播的实际路径是使光程取极值的路径。FABo透镜不引起附加的光程差透镜不引起附加的光程差FAB焦平面焦平面 真空中波长为真空中波长为 的单色光，在折射率的单色光，在折射率 n 的透的透明介质中从明介质中从 A 传播到传播到 B，两处相位差为，两处

4、相位差为 3 ，则沿此路径则沿此路径 AB 间的光程差为间的光程差为相位差相位差为为 3 的两点几何距离为的两点几何距离为1.5 介介，介A B n分析：分析：例题例题（A）1.5 （B）1.5n （C）3 （D）1.5/n（A）1.5（A）1.5 光程差为光程差为1.5 介介n=1.5 光是一种电磁波光是一种电磁波 光矢量光矢量 用用 矢量表示光矢量矢量表示光矢量,它在引起人眼视它在引起人眼视觉和底片感光上起主要作用觉和底片感光上起主要作用.E)(cos0urtEE)(cos0urtHH平面电磁波方程平面电磁波方程电场强度的平方对观测时间取平均电场强度的平方对观测时间取平均2EI 光强：光强

5、：12.1 干涉现象与干涉现象与 相干条件相干条件一、光源一、光源光源发光，是大量原子、光源发光，是大量原子、分子的微观过程。分子的微观过程。=(E2-E1)/hE1E2能级跃迁辐射能级跃迁辐射波列波列波列长波列长 L=c 能级、跃迁、辐射、波列能级、跃迁、辐射、波列持续时间持续时间 108s1、普通光源：、普通光源：自发辐射自发辐射独立独立（同一原子先后发的光）同一原子先后发的光）独立独立（不同原子发的光）（不同原子发的光）结论：结论：普通光源发光具有普通光源发光具有独立性独立性、随机性随机性、间歇性间歇性(1)一个分子一个分子(或原子或原子)在一段时间内发出一列光波在一段时间内发出一列光波

6、,发光时间持续约发光时间持续约1081010s.(间歇性间歇性)(2)同一分子在不同时刻所发光的频率、振动方同一分子在不同时刻所发光的频率、振动方向不一定相同。（随机性、独立性）向不一定相同。（随机性、独立性）(3)各分子在同一时刻所发光的频率、振动方各分子在同一时刻所发光的频率、振动方向、相位也不一定相同向、相位也不一定相同.(独立性、随机性独立性、随机性)2、激光光源：、激光光源：受激辐射受激辐射 =(E2-E1)/hE1 完全一样完全一样E2（传播方向，（传播方向，频率，频率，位相，位相，振动方向）振动方向）激光光源能发出频率激光光源能发出频率,相位相位,振动方向振动方向,传播方向相同的

7、光传播方向相同的光3.3.光的单色性光的单色性单色光单色光具有具有单一频率单一频率的光称为的光称为单色光单色光.各种频率复合的光称为各种频率复合的光称为复色光复色光普通光源普通光源所发光为复色光所发光为复色光,单色光源单色光源发光为单色发光为单色光光.激光为最好的单色光源激光为最好的单色光源.色散现象色散现象把复色光中各种不同频率的光分开把复色光中各种不同频率的光分开,形成形成光谱称为光的色散光谱称为光的色散.产生单色光的方法产生单色光的方法(1)利用色散利用色散;(2)利用滤波片利用滤波片;(3)利用单色光源利用单色光源;(4)激光。激光。二、波的独立性原理和叠加原理二、波的独立性原理和叠加

8、原理111uE 222uE 21EEE S2S1相遇区域中任意一点的振动，是每一列波相遇区域中任意一点的振动，是每一列波各自单独存在时所引起该点振动的合成。各自单独存在时所引起该点振动的合成。叠加原理：叠加原理：三、光的相干性三、光的相干性1.干涉现象干涉现象两列光波相遇时两列光波相遇时,出现稳定的出现稳定的明暗相间花样明暗相间花样称为光的干涉现象称为光的干涉现象.2.相干光相干光能产生干涉现象的光叫相干光能产生干涉现象的光叫相干光,它满足它满足:(1)频率相同频率相同;(3)相位差恒定相位差恒定.(2)振动方向相同振动方向相同;一般两独立普通光源发出的光不是相干光一般两独立普通光源发出的光不

9、是相干光(激光除激光除外外),只有只有同一光源同一光源,同一发光区域同一发光区域,同一时刻同一时刻发出的发出的光光(即同一原子即同一原子,同一时刻同一时刻)才满足相干条件才满足相干条件.3、两列光波的叠加、两列光波的叠加P12r1r2)cos(1101 tEE)cos(2202 tEE)cos(021 tEEEE cos2201022021020EEEEE12 ,2202210120EIEIEI ，又又 1 2 E0E10E2012令 cos 22121 IIIII干涉项干涉项E：光矢量：光矢量光强分布：光强分布：P 非相干光：非相干光：0cos I=I1+I2 非相干叠加非相干叠加 完全完全

10、相干光：相干光：coscosl相长干涉相长干涉（明）（明）2，k 2121max2IIIIII （k=0,1,2）l相消干涉相消干涉（暗）（暗）)12(，k 2121min2IIIIII (k=0,1,2)4.普通独立光源产生干涉现象的方法普通独立光源产生干涉现象的方法使一光源上同一点发出的光使一光源上同一点发出的光,沿两条不同沿两条不同的路径传播的路径传播,然后再使它们相遇然后再使它们相遇.PS*分振幅法：分振幅法：P薄膜薄膜S*两束相干两束相干光在光在 P 点点相干叠加相干叠加分波面法：分波面法：11.2 杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉 cos 22121 IIIIIp1s2ssxooB实实 验

11、验 装装 置置d1r2rdd dxd一一 杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验 drsin12drr光程差光程差sintandx2)12(k 减弱减弱kdxd加强加强,2,1,0k2l相长干涉相长干涉（明）（明）2，k （k=0,1,2）(21)2dkd暗纹暗纹ddkx明纹明纹,2,1,0k1,2,k p1s2ssxooB实实 验验 装装 置置d1r2rdddr明暗明暗条纹的位置条纹的位置白光白光照射时，出现照射时，出现彩色彩色条纹条纹(21)2dkd暗纹暗纹ddkx明纹明纹,2,1,0k1,2,k 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

12、涉照片讨论讨论)1(k条纹间距条纹间距 ddx1）条纹间距条纹间距 与与 的关系的关系 ;若若 变化变化 ，则，则 将怎样变化？将怎样变化？x dd、一定时，一定时，ddkx明纹明纹,2,1,0k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 一定时，若一定时，若 变化，则变化，则 将怎样变化？将怎样变化？dd、x1）2）条纹间距条纹间距 与与 的关系如何？的关系如何？xd 一定时，一定时，d、二二 双缝干涉光强分布双缝干涉光强分布)cos(2122010220210EEEEE)cos(2122121IIIII合光强合光强干涉项干涉项若若021III212其中其中kI,402)12(,0

13、k)(cos420II则则)(cos420IIkI,402)12(,0k2345234004II光光 强强 分分 布布 图图0dd2dd4dd2dd4x紫光紫光光强分布图光强分布图04II022dd24dd22dd24ddx波长不同条纹间距不同波长不同条纹间距不同04II红光红光光强分布图光强分布图012dd14dd12dd14ddx（1）一系列平行的明暗相间的条纹；）一系列平行的明暗相间的条纹；（3）中间级次低，两边级次高）中间级次低，两边级次高明纹：明纹：k，k=0,1,2（整数级）（整数级）暗纹：暗纹：(2k-1)/2 （半整数级）（半整数级）（4），x双缝干涉条纹的特点双缝干涉条纹的特

14、点（2）不太大时条纹等间距；不太大时条纹等间距；白光入射时，白光入射时，0级明纹中心为白色级明纹中心为白色（可用来定（可用来定0级位置），级位置），其余级明纹构成彩带，其余级明纹构成彩带，第第2级开始出现重叠。级开始出现重叠。级次：级次：k=12sinrrd 三三 洛埃镜洛埃镜 半波损失半波损失：光从光速较大的介质射向光速较小：光从光速较大的介质射向光速较小的介质时反射光的相位较之入射光的相位跃变了的介质时反射光的相位较之入射光的相位跃变了 ，相当于反射光与入射光之间附加了半个波长的波程相当于反射光与入射光之间附加了半个波长的波程差，称为半波损失差，称为半波损失.1sPM2sd dPLa2D

15、1r直射光光程直射光光程1nr？22 nr反射光光程反射光光程2r2)(12 rrn 暗暗）（明明212 kk思考思考：与杨氏双缝实验比与杨氏双缝实验比较干涉条纹有哪些较干涉条纹有哪些相同、不同之处？相同、不同之处？n解解:(1)由明纹条件由明纹条件2,1,0,kdDkx kkdDxxx)(141414)(1414kkxDd 以单色光照射到相距为以单色光照射到相距为0.2mm的双缝上的双缝上,双缝与双缝与屏幕的垂直距离为屏幕的垂直距离为1m.(1)从第一级明纹到同侧的第从第一级明纹到同侧的第四级明纹间的距离为四级明纹间的距离为7.5mm,求单色光的波长求单色光的波长;(2)若入若入射光的波长为射光的波长为600nm,求相邻两明纹间的距离求相邻两明纹间的距离.例例 题题1.1.nm500310005.72.0 (2)当当=600nm 时时,相邻两明纹间的距离为相邻两明纹间的距离为mm0.31062.010004 dDx条纹移动条纹移动 N=4例题例题2 杨氏双缝实验，杨氏双缝实验，=500nm，在一光路中插入，在一光路中插入玻璃片（玻璃片（n=1.5）后）后0点变为点变为4级明纹中心。级明纹中心。求：玻璃求：玻璃片厚度片厚度e。N 1 nNe 14 n nm4000 解：光程差改变解：光程差改变ene ),(nex01s2sP1M2MLCd2sd双双 镜镜1ss