光的相干性1课件.ppt
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- 相干性 课件
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1、第第1717章章 光的干涉光的干涉大学大学物理物理光的干涉第第1717章章 光的干涉光的干涉大学大学物理物理 可见光是一种可被人眼所感觉的电磁波(波长光是一种可被人眼所感觉的电磁波(波长390nm-760nm390nm-760nm),是人类以及各种生物生存不可缺少),是人类以及各种生物生存不可缺少的最普通的要素,但对它的规律和本性的认识经历了的最普通的要素,但对它的规律和本性的认识经历了漫长的过程。漫长的过程。牛顿根据日常生活中光的直线特点,提出了光牛顿根据日常生活中光的直线特点,提出了光是一种粒子的观点;但是,在一百来年后的是一种粒子的观点;但是,在一百来年后的18011801年,年,英国的
2、托马斯杨等人通过实验发现了光具有波的特英国的托马斯杨等人通过实验发现了光具有波的特点点能产生干涉、衍射等现象。于是,人们又慢慢能产生干涉、衍射等现象。于是,人们又慢慢接收了光是一种波的观点。接收了光是一种波的观点。光学的发展光学的发展第第1717章章 光的干涉光的干涉大学大学物理物理 到了到了19001900年,德国的普朗克、爱因斯坦分别在年,德国的普朗克、爱因斯坦分别在解释黑体幅射、光电效应等实验时发现,光同时具解释黑体幅射、光电效应等实验时发现,光同时具有波动性与粒子性有波动性与粒子性波粒二象性。这是我们目前波粒二象性。这是我们目前对光的本质的认识。对光的本质的认识。本篇关于光的波动规律的
3、讲解,基本上还是近本篇关于光的波动规律的讲解,基本上还是近200200年前托马斯年前托马斯杨和菲涅耳的理论,当然还有许多杨和菲涅耳的理论,当然还有许多应用实例是现代化的。现代的许多高新技术中的精应用实例是现代化的。现代的许多高新技术中的精密测量与控制就应用了光的干涉和衍射的原理,激密测量与控制就应用了光的干涉和衍射的原理,激光的发明更使光的发明更使“古老的古老的”光学焕发了青春。光学焕发了青春。第第1717章章 光的干涉光的干涉大学大学物理物理17-1 17-1 相干光相干光一、光的相干性一、光的相干性:Hz1069.7Hz1095.31414 颜色:颜色:红红 紫紫A3900A7600 广义
4、:电磁波广义:电磁波狭义:狭义:可见光,电磁波中的狭窄波段可见光,电磁波中的狭窄波段1.1.光光 第第1717章章 光的干涉光的干涉大学大学物理物理常用的单色光源及波长常用的单色光源及波长氦氖激光氦氖激光钠钠 灯灯汞汞 灯灯氢氢 灯灯第第1717章章 光的干涉光的干涉大学大学物理物理光矢量:光矢量:引引起起视视觉觉和和感感光光作作用用:E光振动:光振动:周周期期性性变变化化大大小小、方方向向随随 t(t)E:)cos(0 tEE光强:光强:20EI 相对光强:相对光强:20EI 光波:光波:交变电磁场在空间传播交变电磁场在空间传播第第1717章章 光的干涉光的干涉大学大学物理物理2.2.光波与
5、机械波相干性比较光波与机械波相干性比较相同:相同:(2)(2)光强分布:光强分布:cos22121IIIII干涉项干涉项 12122rr (1)(1)相干条件相干条件振动方向相同振动方向相同频率相同频率相同相位差恒定相位差恒定21 若若 21rr k2)12(k相长相长相消相消相长相长相消相消2,1,0k k 2)12(k(3)(3)2,1,0k 第第1717章章 光的干涉光的干涉大学大学物理物理不同:不同:机械波源与光波波源特征不同机械波源与光波波源特征不同容易满足相干条件容易满足相干条件难以满足相干条件难以满足相干条件一般光源的发光机制:一般光源的发光机制:被激发到较高能级的原子跃迁被激发
6、到较高能级的原子跃迁到低能级时,辐射出能量。到低能级时,辐射出能量。例:例:氢原子光谱巴耳末系(可见光)氢原子光谱巴耳末系(可见光)一个原子,一次跃迁,发出一个原子,一次跃迁,发出一个光波波列一个光波波列21nEE eV6.131 E3 35 54 42 2 hchE 频率一定频率一定 hE hE 振动方向一定振动方向一定初相一定初相一定第第1717章章 光的干涉光的干涉大学大学物理物理持续时间有限持续时间有限:波列长度有限波列长度有限:s810 ttcl 断续、脉冲式断续、脉冲式非严格单色波非严格单色波不同原子发出的波列不同原子发出的波列单色光的波列单色光的波列波列的叠加波列的叠加单色光波单
7、色光波:频率恒定的一列无限长正弦(或余弦)光波。:频率恒定的一列无限长正弦(或余弦)光波。第第1717章章 光的干涉光的干涉大学大学物理物理 所以原子发射的光,其波列长度是有限的,光谱所以原子发射的光,其波列长度是有限的,光谱线都有一定宽度,通常说的单色钠光灯发出的黄色光线都有一定宽度,通常说的单色钠光灯发出的黄色光不是严格的单色光。氦不是严格的单色光。氦-氖激光器发出的光也不是严格氖激光器发出的光也不是严格的单色光。的单色光。波列越长,谱线宽度越窄,光的单色性越好。波列越长,谱线宽度越窄,光的单色性越好。第第1717章章 光的干涉光的干涉大学大学物理物理不同原子发光、或同一原子各次发光不同原
8、子发光、或同一原子各次发光频率频率振动方向振动方向初相初相具有随机性具有随机性难以满足相干条件难以满足相干条件时间至少为仪器或人眼反应设观察时间为 0212121cos12IItIIIIId均匀分布,均匀分布,非相干叠加非相干叠加两普通光源或同一光源的不同部分是不相干的两普通光源或同一光源的不同部分是不相干的0第第1717章章 光的干涉光的干涉大学大学物理物理发展状况:发展状况:(1)(1)激光:激光:产生机理不同,具有相干性产生机理不同,具有相干性普通光源:普通光源:自发辐射自发辐射完完全全相相同同激光:激光:受激辐射受激辐射频率频率相位相位偏振态偏振态传播方向传播方向(2)(2)快速光电接
9、收器件快速光电接收器件 皮秒技术皮秒技术可以观察到十分短暂的干涉,甚至两个独立光源可以观察到十分短暂的干涉,甚至两个独立光源的干涉。的干涉。psns,s,s10 接受器时间反应常数由接受器时间反应常数由第第1717章章 光的干涉光的干涉大学大学物理物理3.3.从普通光源获得相干光从普通光源获得相干光思路:思路:将同一点光源、某一时刻发出的光分成两束,将同一点光源、某一时刻发出的光分成两束,再引导其相遇叠加再引导其相遇叠加(1)(1)分波阵面法分波阵面法将同一波面上两不同部将同一波面上两不同部分作为相干光源分作为相干光源(2)(2)分振幅法分振幅法(分振幅分振幅分能量分能量)将透明薄膜两个面的反
10、射将透明薄膜两个面的反射(透射)光作为相干光源(透射)光作为相干光源pp es 1n2n1nbdhfiac 第第1717章章 光的干涉光的干涉大学大学物理物理在分别讨论两种方法以前,先建立一个重要概念在分别讨论两种方法以前,先建立一个重要概念4.4.光程、光程差光程、光程差uu1r2r1O2OPuu1r2r1O2OPnd相干光源相干光源相干光源相干光源相干光在相遇点相干光在相遇点 P 叠加的合振动强度取决于两分振动的叠加的合振动强度取决于两分振动的相位差相位差)(2221 ddrr如何简化?如何简化?12122rr 时时当当12 212rr 第第1717章章 光的干涉光的干涉大学大学物理物理思
11、路:思路:设法将光在介质中传播的距离折合成光在真空中设法将光在介质中传播的距离折合成光在真空中的距离,的距离,计算。计算。统一使用统一使用真空真空折合原则:折合原则:在引起光波相位改变上等效。在引起光波相位改变上等效。结论:结论:光在折射率为光在折射率为 n 的介质中前进的介质中前进 x 距离引起的相位距离引起的相位改变与在真空中前进改变与在真空中前进 nx 距离引起的相位改变相同距离引起的相位改变相同.介质中介质中 x 距离内波数:距离内波数:真空中同样波数占据的距离真空中同样波数占据的距离nxucxucxx 介质折射率介质折射率 x真空真空介质介质u 2 2 4 4 x?c第第1717章章
12、 光的干涉光的干涉大学大学物理物理定义:定义:介介质质折折射射率率几几何何路路程程光光程程 等效真空程等效真空程S1S2r1r2n1n2P光程差:等效真空程之差光程差:等效真空程之差2211rnrn 光程差引起的相位差:光程差引起的相位差:真真空空真真空空 22)(222112211rnrnrr统一为:统一为:212光程差光程差真空中波长真空中波长当当 k2)12(k相长相长 明明相消相消 暗暗2,1,0 k第第1717章章 光的干涉光的干涉大学大学物理物理若若21 2当当 k2)12(k明明暗暗2,1,0 k常见情况:常见情况:(1)真空中加入厚真空中加入厚 d 的介质、增加(的介质、增加(
13、n-1)d 光程光程dndnd)1(nd(2)光由光疏介质射到光密介质界面上反射时附加光由光疏介质射到光密介质界面上反射时附加光光程程差差2 折射率折射率n较小较小n较大较大(半波损失)(半波损失)(3)薄透镜不引起附加光程(物点与象点间各光线等光程)薄透镜不引起附加光程(物点与象点间各光线等光程)SS 第第1717章章 光的干涉光的干涉大学大学物理物理Thomas YoungThomas Young1773-18291773-1829英国医生、科学家托马斯英国医生、科学家托马斯.杨杨18011801年年用双缝干涉实验证明了光的波动性,用双缝干涉实验证明了光的波动性,并首先测出太阳光的平均波长
14、:并首先测出太阳光的平均波长:nm555nm570 现现代代杨杨氏氏 该实验对光的波动说的复苏起到关键该实验对光的波动说的复苏起到关键作用,在物理学史上占重要地位。作用,在物理学史上占重要地位。“尽管我仰慕牛顿的大名,但我并不因此非得认为他是尽管我仰慕牛顿的大名,但我并不因此非得认为他是百无一失的。我百无一失的。我遗憾地看到他也会弄错,而他的权遗憾地看到他也会弄错,而他的权威也许有时甚至阻碍了科学的进步。威也许有时甚至阻碍了科学的进步。”17.2 17.2 杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验第第1717章章 光的干涉光的干涉大学大学物理物理(1)(1)分波阵面法分波阵面法将同一波面上两不同部将同
15、一波面上两不同部分作为相干光源分作为相干光源(2)(2)分振幅法分振幅法(分振幅分振幅分能量分能量)将透明薄膜两个面的反射将透明薄膜两个面的反射(透射)光作为相干光源(透射)光作为相干光源pp es 1n2n1nbdhfiac 第第1717章章 光的干涉光的干涉大学大学物理物理当同一束光的两部分从不同的路径,精当同一束光的两部分从不同的路径,精确地或者非常接近地沿同一方向进入人确地或者非常接近地沿同一方向进入人眼,则在光线的路程差是某一长度的整眼,则在光线的路程差是某一长度的整数倍处,光将最强,而在干涉区之间的数倍处,光将最强,而在干涉区之间的中间带则最弱,这一长度对于不同颜色中间带则最弱,这
16、一长度对于不同颜色的光是不同的。的光是不同的。原稿中的插图和论述原稿中的插图和论述装置(原理图):装置(原理图):单单缝缝双缝双缝屏屏21 Dd tg sinDxddrr sin12第第1717章章 光的干涉光的干涉大学大学物理物理线光源线光源第第1717章章 光的干涉光的干涉大学大学物理物理k=2 1 0 1 光束实验结果实验结果(1 1)当平行光垂直照射双缝时,屏幕中央为明纹,)当平行光垂直照射双缝时,屏幕中央为明纹,向两侧分布明暗相间的条纹;向两侧分布明暗相间的条纹;(2 2)单色光条纹间距)单色光条纹间距 x x。(3 3)对于复色光,)对于复色光,明条纹有色散,内侧紫,外侧红明条纹有
17、色散,内侧紫,外侧红第第1717章章 光的干涉光的干涉大学大学物理物理明暗纹条件明暗纹条件屏屏单单缝缝双双缝缝21 d DPxx 1r2r k 2)12(k明明暗暗),2,1(k),2,1,0(k Dxddrr sin12,2,1,0 k x dkD 2)12(dDk明明暗暗,2,1 kk 取值与条纹取值与条纹级次一致级次一致第第1717章章 光的干涉光的干涉大学大学物理物理 条纹特点条纹特点*k=+1k=-2k=+2k=0k=-1k=+1k=-2k=+2k=-1Ixx x 14I因为人眼分辨本领有限。光强太小处暗。因为人眼分辨本领有限。光强太小处暗。思考:思考:为什么暗纹看上去也有宽度?为什
18、么暗纹看上去也有宽度?条纹宽度条纹宽度 :相邻两明(暗)纹中心间距。相邻两明(暗)纹中心间距。x 第第1717章章 光的干涉光的干涉大学大学物理物理条纹形态:条纹形态:平行于缝的等亮度、等间距、明暗相间条纹平行于缝的等亮度、等间距、明暗相间条纹1max4 II 0min I条纹亮度:条纹亮度:dDx 条纹宽度:条纹宽度:条纹变化:条纹变化:一一定定 Dxd 一一定定,dxD1 一定,一定,双缝间距越小,条纹越宽双缝间距越小,条纹越宽屏幕距双缝越远,条纹越宽屏幕距双缝越远,条纹越宽:一一定定、Dd x紫紫黄黄红红xxx 632.8nm的氦氖激光器的氦氖激光器产生的干涉条纹产生的干涉条纹589.3
19、nm的钠黄光的钠黄光产生的干涉条纹产生的干涉条纹x x 第第1717章章 光的干涉光的干涉大学大学物理物理S*白光照射双缝白光照射双缝:零级明纹:零级明纹:白色白色其余明纹:其余明纹:彩色光谱彩色光谱高级次重叠。高级次重叠。练习:练习:用白光光源进行双缝干涉实验,求清晰可辩光用白光光源进行双缝干涉实验,求清晰可辩光谱的级次谱的级次)A70004000:(o 最先重叠:最先重叠:相相同同某某级级红红光光和和高高一一级级紫紫光光 紫紫红红)(1 kk31400070004000 紫紫红红紫紫 k未重叠的清晰光谱只有一级。未重叠的清晰光谱只有一级。第第1717章章 光的干涉光的干涉大学大学物理物理
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