光学第一章-课件.ppt

1、主主 要要 内内 容容1.0 光的电磁理论光的电磁理论1.1 波动的叠加性和相干性波动的叠加性和相干性1.2 由单色波叠加所形成的干涉图样由单色波叠加所形成的干涉图样1.3 分波面双光束干涉分波面双光束干涉1.4 干涉条纹的可见度干涉条纹的可见度 光波的时间相干光波的时间相干性和空间相干性性和空间相干性第第1章章 光的干涉光的干涉(Interference of Light)光学光学 1PPT课件 1.5 菲涅耳公式菲涅耳公式 1.6 分振幅薄膜干涉（一）分振幅薄膜干涉（一）等倾干涉等倾干涉 1.7 分振幅薄膜干涉（二）分振幅薄膜干涉（二）等厚干涉等厚干涉 1.8 迈克耳孙干涉仪迈克耳孙干涉仪

2、 1.9 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪 多光束干涉多光束干涉 1.10 干涉现象的一些应用干涉现象的一些应用 牛顿环牛顿环 第1章 光的干涉 光学光学 2PPT课件3 本章重点：本章重点：1 1干涉的基本理论和处理方法干涉的基本理论和处理方法 2 2杨氏干涉杨氏干涉 3 3等倾干涉和等厚干涉等倾干涉和等厚干涉 4 4迈克尔逊干涉仪的原理迈克尔逊干涉仪的原理 5 5牛顿环及其应用牛顿环及其应用 第1章 光的干涉 光学光学 3PPT课件4 一、光的本质一、光的本质 1 1光的本质光的本质 是电磁波，在真空中的传播的速度与电是电磁波，在真空中的传播的速度与电磁波的传播速度是一样的，即为磁波的传

3、播速度是一样的，即为 c 2 2光在介质中的传播速度光在介质中的传播速度001crrcv0：真空中的介电常数 0：真空中的磁导率r：介质的相对介电常数 r：介质的相对磁导率1.0 光的电磁理论 光学光学 4PPT课件 3 3光在透明介质中的折射率：光在透明介质中的折射率：光在真空的传播速度光在真空的传播速度c 和在和在介质中的传播速度介质中的传播速度v 之比之比。即vcn rrn 上式把光学和电磁学这两个不同的领域上式把光学和电磁学这两个不同的领域中的物中的物理量的联系起来了理量的联系起来了.对于透明介质对于透明介质，在光频波段有：在光频波段有：1r因此因此rn 光波的频率仅由光源频率决定而与

4、光波的频率仅由光源频率决定而与传播介质无传播介质无关，光在介质中的波长为关，光在介质中的波长为:n1.0 光的电磁理论 光学光学 5 5PPT课件6 EH v方向：是EH 的方向 E H v 1.0 光的电磁理论 光学光学 4 4光波是横波（电磁波是横波）光波是横波（电磁波是横波）电场强度、磁场强度及光的传播方向三者符合右手螺旋法则。由维纳实验的理论分析可以证明，对人的眼睛或感光仪器起作用的是电场强度。因此，我们所说的光波中的振动矢量通常指的是电场度 .E6PPT课件7 二、光波段、光强度二、光波段、光强度1 1可见光波段可见光波段：390nm 760nm 真空中波长 7.51014 4.11

5、014 Hz 光的颜色由光的频率决定光的颜色由光的频率决定 2 2人眼最敏感的色光波长人眼最敏感的色光波长：555nm附近附近 敏感波长555nm 760 622 597 577 492 450 435 390nm 38 25 20 85 42 15 45 nm 红 橙 黄 绿 青 蓝 紫1.0 光的电磁理论 光学光学 7PPT课件8 3 3光强度光强度 通俗地讲，人眼感受或光检测仪观测到光的强度都是通俗地讲，人眼感受或光检测仪观测到光的强度都是平均能流密度平均能流密度。能流密度能流密度，是指单位时间内通过与波的传播方向垂直，是指单位时间内通过与波的传播方向垂直的单位面积的能量，也即通过单位面

6、积的功率。的单位面积的能量，也即通过单位面积的功率。1.0 光的电磁理论 光学光学 我们检测光波的存在和强弱，是通过光和物质的相互我们检测光波的存在和强弱，是通过光和物质的相互作用但是，任何检测器件都有一定的响应时间，都不能作用但是，任何检测器件都有一定的响应时间，都不能检测电磁波能流密度的瞬时值，只能检测其在响应时间内检测电磁波能流密度的瞬时值，只能检测其在响应时间内的平均值的平均值可见光振动周期可见光振动周期T10-14秒，人眼响应时间秒，人眼响应时间10-1秒，灵敏秒，灵敏的光检测器响应时间的光检测器响应时间10-9秒秒 8PPT课件定义：定义：光强度光强度是是平均能流密度平均能流密度，

7、用，用 I 来表示。来表示。1.0 光的电磁理论 光学光学 同一种介质中两光波强度相比较，同一种介质中两光波强度相比较，,20EI 由于许多场合下，我们只讨论光强的相对分布，因此令由于许多场合下，我们只讨论光强的相对分布，因此令光强等于振幅的平方，即光强等于振幅的平方，即.20EI 上式定义的光强称为上式定义的光强称为相对光强相对光强 或或2AI 任何波动传递的任何波动传递的平均能流密度平均能流密度与与振幅的平方振幅的平方成成正比正比。9PPT课件一、机械波的独立性和叠加性一、机械波的独立性和叠加性 1 1波的独立性波的独立性：从几个振源发出的波相遇于同一区域：从几个振源发出的波相遇于同一区域

8、时，各自保持自己的特性（频率、振幅和振动方向等），时，各自保持自己的特性（频率、振幅和振动方向等），按照自己原来的传播方向继续传播前进，彼此不受影响。按照自己原来的传播方向继续传播前进，彼此不受影响。此即所谓的此即所谓的独立性原理独立性原理。2 2波的叠加性波的叠加性：两列波在相遇处的振动是按瞬时矢量：两列波在相遇处的振动是按瞬时矢量叠加的，即某一时刻的合位移是各分位移的矢量和。叠加的，即某一时刻的合位移是各分位移的矢量和。光学光学 1.1 1.1 波动的独立性、叠加性和相干波动的独立性、叠加性和相干性性 10PPT课件1.1 1.1 波动的独立性、叠加性和相干波动的独立性、叠加性和相干性性

9、光学光学 对光波的叠加就是光波中的电场矢量在空间某点的振动的合成。对光波的叠加就是光波中的电场矢量在空间某点的振动的合成。tptptpEEE.2.1.3 3干涉干涉：如果两波频率相同，在：如果两波频率相同，在观察时间内波动不中断，而且在相遇观察时间内波动不中断，而且在相遇处振动方向几乎沿着同一直线，那么处振动方向几乎沿着同一直线，那么它们叠加后产生的合振动可能在有些它们叠加后产生的合振动可能在有些地方加强，在有些地方减弱。这地方加强，在有些地方减弱。这 一一强强度按空间周期性变化度按空间周期性变化的现象称为的现象称为干涉干涉。4 4干涉图样干涉图样：叠加区域内振动强：叠加区域内振动强度的非均匀

10、分布就是度的非均匀分布就是干涉图样干涉图样（干涉（干涉花样，干涉图）。花样，干涉图）。11PPT课件二、干涉现象是波动的特性二、干涉现象是波动的特性 1 1波动的特征波动的特征：是能量以振动的形式在物质中依次：是能量以振动的形式在物质中依次转移，转移，物质本身并不随波移动物质本身并不随波移动。2 2干涉现象是光波动性的证明干涉现象是光波动性的证明：凡强弱按一分布的：凡强弱按一分布的干涉图样出现的现象，都可作为该现象具有波动本性的干涉图样出现的现象，都可作为该现象具有波动本性的最可靠、最有力的实验证据。最可靠、最有力的实验证据。1.1 波动的独立性、叠加性和相干性 光学光学 12PPT课件三、相

11、干与不相干三、相干与不相干 假定简谐振动，沿同一直线振动，同频率，不同位相。振动方程假定简谐振动，沿同一直线振动，同频率，不同位相。振动方程写为写为 )cos(21tAEEE)cos()cos(222111tAEtAE22112211122122212coscossinsin)cos(2AAAAtgAAAAA1.1 波动的独立性、叠加性和相干性 光学光学 叠加：即为代数和（因为沿同一直线振动）叠加：即为代数和（因为沿同一直线振动）其中其中 1 1两列波在相遇处的振动叠加两列波在相遇处的振动叠加13PPT课件 由于实际观察到的总是在较长时间内的平均强度，平均由于实际观察到的总是在较长时间内的平均

12、强度，平均强度的计算方法：强度的计算方法：1.1 波动的独立性、叠加性和相干性 光学光学 2 2相遇处的振动叠加后的平均强度相遇处的振动叠加后的平均强度2AI(是观察时间是观察时间)(1221222122cosAAAAAdtAAAAdtAAAA012212221012212221)cos(12)cos(21 因为振动的强度正比于振幅的平方，一般情况下两个因为振动的强度正比于振幅的平方，一般情况下两个振动叠加时，合振动的强度不等于分振动强度之和。振动叠加时，合振动的强度不等于分振动强度之和。021dtA14PPT课件)cos()cos(112012dt 若在任意时刻初位相差若在任意时刻初位相差

13、，则上式末项，则上式末项积分值为积分值为恒定值12合成振动的平均强度为合成振动的平均强度为)()(1221211221222122cosIIIIcosAAAAI1.1 波动的独立性、叠加性和相干性 光学光学 3 3相干叠加相干叠加22121122)()(AAIAAAjmax,振幅最大当221min2112)(,)(,)12(AAIAAAj振幅最小当干涉相长干涉相长干涉相消干涉相消(0,1,2,3.)j 15PPT课件如果相位差为其他值，合振动的强度介于如果相位差为其他值，合振动的强度介于I Imaxmax和和I Iminmin之间。之间。1.1 波动的独立性、叠加性和相干性 光学光学 若若A

14、A1 1A A2 2，则，则)()(2412122212121cosAcosA12144IAImax0minI 根据前后的分析，可以得到两列或两列以上根据前后的分析，可以得到两列或两列以上的波在空的波在空间一点相遇能产生间一点相遇能产生干涉干涉(或或相干叠加相干叠加)的的条件条件为：为：（1）频率相同；频率相同；（3）振动方向相同振动方向相同.（2）两振动的相位差保持不变；两振动的相位差保持不变；)(122122212cosAAAAI16PPT课件 若在观察时间内，振动时断时续，以致它们的初相位各若在观察时间内，振动时断时续，以致它们的初相位各自独立地做不规则的改变，在自独立地做不规则的改变，

15、在02之间取一切值且概率之间取一切值且概率均等，则有均等，则有 22212AAAI平均强度为平均强度为0)cos(1012dt1.1 波动的独立性、叠加性和相干性 光学光学 4 4不相干叠加不相干叠加结果：在观察时间内强度没有空间强弱分布，此即结果：在观察时间内强度没有空间强弱分布，此即非相干叠加非相干叠加。合振动的平均强度等于合振动的平均强度等于分振动强度之和分振动强度之和。设有设有n个振动振幅都等于个振动振幅都等于A1，则合成的平均强度，则合成的平均强度21nAI 5 5多个振动的不相干叠加多个振动的不相干叠加17PPT课件1.2 由单色波叠加所形成的干涉图样由单色波叠加所形成的干涉图样

16、光学光学 托马斯托马斯杨杨实验结果：等间距的明暗交替的条纹。实验结果：等间距的明暗交替的条纹。18PPT课件19 一、波的方程与光程一、波的方程与光程1 1波的方程波的方程 SPr 波源波源S：)cos(000tAE波源波源S的振动传播到的振动传播到P点，点，P点也引起振动，振动方程为：点也引起振动，振动方程为：)(00rtcosA)rt(cosAEPPPP点振动的初相点振动的初相1.2 由单色波叠加所形成的干涉图样由单色波叠加所形成的干涉图样 光学光学 19PPT课件1.2 由单色波叠加所形成的干涉图样由单色波叠加所形成的干涉图样 光学光学 20 2 2光程光程0000222nrrcrrPP

17、点振动的初相点振动的初相光程定义为：光程定义为：cnr SPr 介质折射率与光的几何路程之积介质折射率与光的几何路程之积物理意义物理意义：将将光在介质中通过的几何路程折算到真空中的光在介质中通过的几何路程折算到真空中的 路程路程,便于统一用真空中的波长便于统一用真空中的波长来表示相位差来表示相位差.20PPT课件2008-4-1 21 有了光程有了光程 ，P点振动写为点振动写为cnr)(002nrtcosAvrtcosAEPPP1.2 由单色波叠加所形成的干涉图样由单色波叠加所形成的干涉图样 光学光学 SPr 21PPT课件22 二、相位差与光程差二、相位差与光程差s1 s2 r0 dPP0

18、r1 r2 y02222201111122rntcosAErntcosAE两个振源在两个振源在P点各自引起的振动用光程写为：点各自引起的振动用光程写为：1.2 由单色波叠加所形成的干涉图样由单色波叠加所形成的干涉图样 光学光学 光源光源S1:)cos(01011tAE光源光源S2:)cos(02022tAE22PPT课件23)()(010222110111022212222rnrnrntrnt两个振源在两个振源在P点各自引起的振动的位相差写为：点各自引起的振动的位相差写为：若在观察时间内若在观察时间内 保持不变，则两个振源保持不变，则两个振源是相干的。特别地，若是相干的。特别地，若 ，则位相差

19、取，则位相差取决于光程差。有决于光程差。有)(01020)(0102)(22112rnrn1.2 由单色波叠加所形成的干涉图样由单色波叠加所形成的干涉图样 光学光学 光程差光程差:2211rnrn223PPT课件三、干涉图的形成三、干涉图的形成),2,1,0(,)12(,212jjj干涉相消干涉相长在在P点，按照两个振动的合成，有点，按照两个振动的合成，有),2,1,0(,2)12(,21jjjrr干涉相消干涉相长也即光程差满足：也即光程差满足：1.2 由单色波叠加所形成的干涉图样由单色波叠加所形成的干涉图样 光学光学 设两相干光源满足设两相干光源满足0201，n2=n1=n=1cosIIII

20、cosAAAAI21212122212224PPT课件 1.干涉图样的形成：干涉图样的形成：（1）干涉相长：）干涉相长：2,1,0,22:222:1212jjrrthenjrrjif则212221max2AAAAI221max)(AAI即即即：光程差等于半波长偶数倍的那些即：光程差等于半波长偶数倍的那些P点，两波叠加后点，两波叠加后的强度为最大值。的强度为最大值。1.2 由单色波叠加所形成的干涉图样由单色波叠加所形成的干涉图样 光学光学 25PPT课件1.2 由单色波叠加所形成的干涉图样由单色波叠加所形成的干涉图样 光学光学（2）干涉相消：2,1,0,212:12212:1212jjrrthe

21、njrrjif则即：光程差等于半波长奇数倍的那些即：光程差等于半波长奇数倍的那些P点，两波叠加后点，两波叠加后的强度为最小值。的强度为最小值。212221min2AAAAI221min)(AAI即即j称为干涉级次，注意称为干涉级次，注意j从零从零取起取起26PPT课件常数12rr1.2 由单色波叠加所形成的干涉图样由单色波叠加所形成的干涉图样 光学光学 而满足而满足常量21rr的轨迹是以的轨迹是以S1和和S2连线为回转对称轴的连线为回转对称轴的双叶旋转双曲面双叶旋转双曲面。这些。这些双曲面是一系列等强度面，平行于双曲面是一系列等强度面，平行于S1和和S2连线的平面和双曲面连线的平面和双曲面的交

22、线是一系列等强度的双曲线。这就是所谓的干涉图，或称的交线是一系列等强度的双曲线。这就是所谓的干涉图，或称干涉花样。干涉花样。若两波向一切方向传播，则强度相同的空间各点的几何若两波向一切方向传播，则强度相同的空间各点的几何位置，满足如下条件位置，满足如下条件27PPT课件空间轨迹空间轨迹平面投影平面投影1.2 由单色波叠加所形成的干涉图样由单色波叠加所形成的干涉图样 光学光学 28PPT课件不同位置的干涉图不同位置的干涉图（1 1）横向位置）横向位置 （2 2）纵向位置）纵向位置 （3 3）倾斜位置）倾斜位置S1 S2（横向）（横向）（倾斜）（倾斜）纵向纵向29PPT课件四、横向近似直线干涉条纹

23、的位置及间隔四、横向近似直线干涉条纹的位置及间隔1.2 由单色波叠加所形成的干涉图样由单色波叠加所形成的干涉图样 光学光学 S1S2PP0r1r2r0CydEr0 d 很小很小d 10-4m，r0 100 m30PPT课件S1S2PP0r1r2r0CydE1.2 由单色波叠加所形成的干涉图样由单色波叠加所形成的干涉图样 光学光学 两光波在两光波在P P点的光程差为：点的光程差为：12rr 故：故：212sinrrS Cd作作S1C S2P，又因为，又因为r0 d 0tanyddr相位差：相位差：2 31PPT课件明暗条纹的条件明暗条纹的条件相长条件相长条件220kryd(k=0,1,2,.)2

24、120)(kryd相消条件相消条件 (k=1,2,3.)光程差为半波长偶数倍时，光程差为半波长偶数倍时，P P点处干涉加强，点处干涉加强，亮纹亮纹 光程差为半波长奇数倍时，光程差为半波长奇数倍时，P P点处干涉减弱，点处干涉减弱，暗纹暗纹 明暗纹位置：明暗纹位置：明条纹中心位置明条纹中心位置：)(210,k drkyk0)(21,k dr kxk2120)(暗条纹中心位置暗条纹中心位置：k 称为条纹级数，式中的称为条纹级数，式中的号表明干涉条纹在点号表明干涉条纹在点P0的两边对的两边对称分布，称分布，k=0,谓之中央明纹。谓之中央明纹。两相邻明（暗）纹间距：两相邻明（暗）纹间距：dryyykk

25、0132PPT课件（4）白光照明，除中央亮纹外，其余各级亮纹带有颜色，白光照明，除中央亮纹外，其余各级亮纹带有颜色，且内紫外红。且内紫外红。k=-1k=2k=1k=0k=3五、干涉图样的五大特征：五、干涉图样的五大特征：dryyyjj01 d10ry 0ry 另外，如果另外，如果 0102，干涉图样的形状，干涉图样的形状和规律将保持不变，只不过在光屏上和规律将保持不变，只不过在光屏上条纹将整体向上或向下有一些移动。条纹将整体向上或向下有一些移动。)()(2020112rr33PPT课件1.3 分波面双光束干涉分波面双光束干涉 光学光学 一、光源的发光机制一、光源的发光机制 通常情况下，当两个光

26、源同时照明同一区域时，观通常情况下，当两个光源同时照明同一区域时，观察不到干涉图样，说明通常两个独立的普通光源之间的察不到干涉图样，说明通常两个独立的普通光源之间的叠加是叠加是非相干叠加非相干叠加，即它们是，即它们是非相干光源非相干光源。为什么普通。为什么普通的独立光源是非相干光源呢？这是由它们的发光机制决的独立光源是非相干光源呢？这是由它们的发光机制决定的。定的。34PPT课件1.3 分波面双光束干涉分波面双光束干涉 光学光学 凡能发光的物体称为光源。光源的最基本发光单元是分子、原子凡能发光的物体称为光源。光源的最基本发光单元是分子、原子光源的发光机理光源的发光机理:原子能级及发光跃迁原子能

27、级及发光跃迁基态基态激发激发态态nE =E/h 原子从高能量的激发态，原子从高能量的激发态，返回到较低能量状态时，就把返回到较低能量状态时，就把多余的能量以光波的形式辐射多余的能量以光波的形式辐射出来。出来。能级跃迁辐射能级跃迁辐射波列波列L波列长波列长L=c 称为相干时间称为相干时间35PPT课件1.3 分波面双光束干涉分波面双光束干涉 光学光学 1）普通光源）普通光源:自发辐射自发辐射不同原子同一时刻发出的光波列独立不同原子同一时刻发出的光波列独立同一原子不同时刻发出的光波列也独立同一原子不同时刻发出的光波列也独立 这些分子或原子，间歇地向外发光，发光时间极短，仅持这些分子或原子，间歇地向

28、外发光，发光时间极短，仅持续大约续大约10108 8 s s，因而它们发出的光波是在时间上很短、在空间，因而它们发出的光波是在时间上很短、在空间中为有限长的一串串波列中为有限长的一串串波列(如图如图).).36PPT课件1.3 分波面双光束干涉分波面双光束干涉 光学光学 E1E2 =(E2-E1)/h 可以实现光放大可以实现光放大;单色性好单色性好;相干性好。相干性好。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2）激光光源：）激光光源：受激辐射受激辐射受激辐射的两光子频率、位相、振动方向、传播方向受激辐射的两光子频率、位相、振

29、动方向、传播方向完全相同完全相同37PPT课件二、光源和机械波源的区别二、光源和机械波源的区别 机械波：源容易实现干涉机械波：源容易实现干涉 表面上表面上 光源：难于观察到干涉现象光源：难于观察到干涉现象 光波辐射时，光波辐射时，原子或分子之间的初位相是不彼此无关原子或分子之间的初位相是不彼此无关的。的。辐射的持续时间一般为辐射的持续时间一般为10-8 秒，而眼睛的响应时间秒，而眼睛的响应时间约为约为 0.1秒。秒。机械波源：振动是连续的，是位移的振动机械波源：振动是连续的，是位移的振动 本质上本质上 光源：物质原子或分子辐射引起，辐射不连续光源：物质原子或分子辐射引起，辐射不连续的1.3 分

30、波面双光束干涉分波面双光束干涉 光学光学 38PPT课件三、获得稳定干涉图样的条件和方法三、获得稳定干涉图样的条件和方法 1.3 分波面双光束干涉分波面双光束干涉 光学光学 分波阵面法分波阵面法*光光源源1s2s相干光的产生：相干光的产生：分振幅法分振幅法 原则：将原则：将同一光源同一点发出的光波列同一光源同一点发出的光波列，即某个原子某次即某个原子某次发出的光波列分成两束，使其经历不同的路径之后相遇叠加。发出的光波列分成两束，使其经历不同的路径之后相遇叠加。方法：方法：杨氏双缝干涉，菲涅耳双棱镜，洛埃镜。杨氏双缝干涉，菲涅耳双棱镜，洛埃镜。薄膜干涉（劈尖干涉，牛顿环）薄膜干涉（劈尖干涉，牛顿

31、环）39PPT课件四、分波面干涉的特殊装置和典型实验四、分波面干涉的特殊装置和典型实验1.3 分波面双光束干涉分波面双光束干涉 光学光学 1.杨氏干涉实验杨氏干涉实验 18011801年，英国人托马斯年，英国人托马斯 杨首次从实验获得了两列相干杨首次从实验获得了两列相干的光波，观察到了光的干涉现象。的光波，观察到了光的干涉现象。装置与现象：装置与现象：这两列波这两列波在空间发生在空间发生重叠而产生重叠而产生干涉，干涉，在屏在屏幕上出现明幕上出现明暗相间的条暗相间的条纹纹(平行于平行于缝缝s s1 1和和s s2 2)。40PPT课件装置的尺度：装置的尺度：S S1 1 和和 S S2 2 面积

32、相等，面积相等，d d：1010-4-4米量级米量级,孔直径：孔直径：10 10-5-5 10 10-4-4 米量级，米量级，整个装置对称整个装置对称.r r0 0 ：米量级，：米量级，1.3 分波面双光束干涉分波面双光束干涉 光学光学 S1s2sdyr01r2ry041PPT课件1.3 分波面双光束干涉分波面双光束干涉 光学光学 两光波在两光波在P P点的光程差为：点的光程差为：12rr 0ydr相位差：相位差：2 屏幕上光强分布规律屏幕上光强分布规律:.cos22121IIIIIcos2200III,021III若光强若光强.2cos420 II因此光强分布公式为因此光强分布公式为：dry

33、yykk01条纹间距：条纹间距：42PPT课件光强分布曲线光强分布曲线0223221232-4 -3 -2 -0 2 3 4 I2cos420 I1.3 分波面双光束干涉分波面双光束干涉 光学光学 若将小孔改为狭缝，除了明条纹更加明亮外，条纹若将小孔改为狭缝，除了明条纹更加明亮外，条纹会在缝长方向上加长在会在缝长方向上加长在 、r r0 0、d d 不变的情况下，条不变的情况下，条纹的位置和宽度不变纹的位置和宽度不变 43PPT课件2.菲涅耳双面镜菲涅耳双面镜1.3 分波面双光束干涉分波面双光束干涉 光学光学 S屏幕屏幕rLrd2Lrr0AB1M 2S 1Sd 2M干涉区干涉区44PPT课件1

34、.3 分波面双光束干涉分波面双光束干涉 光学光学 条纹间距为条纹间距为:rLrrLry2)(sin2)(若以激光器作为光源，由于近于平行光，即相若以激光器作为光源，由于近于平行光，即相当于当于S位于无穷远，位于无穷远，r。则条纹间距为：。则条纹间距为：sin2y对于对于He-Ne激光，当激光，当时时 即每毫米内有即每毫米内有210条亮纹或暗纹。条亮纹或暗纹。my94.445PPT课件1.3 分波面双光束干涉分波面双光束干涉 光学光学 3.3.劳洛埃德（洛埃）镜实验劳洛埃德（洛埃）镜实验条纹间距为条纹间距为d/Dy洛埃洛埃(H.Lloyd)镜的装置如图所示，它是一个平面镜镜的装置如图所示，它是一

35、个平面镜.从狭缝从狭缝S1发发出的光，一部分直接射向屏出的光，一部分直接射向屏E，另一部分以近，另一部分以近90的入射角掠的入射角掠射到镜面射到镜面ML上，然后反射到屏幕上，然后反射到屏幕E上上.1sPM2sdDPL干涉区干涉区46PPT课件 这一变化必然是在反射过程中发生的。因为光在充满均这一变化必然是在反射过程中发生的。因为光在充满均匀物质或真空中前进时，不可中途无辜发生这种变化。反射匀物质或真空中前进时，不可中途无辜发生这种变化。反射仅在玻璃上表面发生。仅在玻璃上表面发生。因此，因此，L处的光强应该为最大值（明条纹），而且处的光强应该为最大值（明条纹），而且根据光程差的计算，应出现强度最

36、大值（明条纹）的地方，根据光程差的计算，应出现强度最大值（明条纹）的地方，实际观察到的都是暗条纹（最小值）。而应该出现最小值实际观察到的都是暗条纹（最小值）。而应该出现最小值的地方实际观察到的却是亮条纹。的地方实际观察到的却是亮条纹。因此光波的振动必然在这里突然改变了相位，这可以因此光波的振动必然在这里突然改变了相位，这可以认为是反射光的光程在介质表面反射时损失了半个波长。认为是反射光的光程在介质表面反射时损失了半个波长。这种现象称为这种现象称为半波损失半波损失。即光在介质表面上反射时，入射角接近即光在介质表面上反射时，入射角接近900（大角掠射）（大角掠射）将产生半波损失。将产生半波损失。或

37、者光从光疏介质到光密介质表面上或者光从光疏介质到光密介质表面上垂直反射时，也产生了半波损失。垂直反射时，也产生了半波损失。47PPT课件五五、干涉条纹的移动、干涉条纹的移动 在干涉装置中，人们不仅关心条纹的静态分在干涉装置中，人们不仅关心条纹的静态分布，而且关心布，而且关心它们的移动和变化，因为在光的干涉应用中都与条纹的变动有它们的移动和变化，因为在光的干涉应用中都与条纹的变动有关。造成条纹的变动的因素来自三个方面。关。造成条纹的变动的因素来自三个方面。（1 1）光源的移动）光源的移动；（2 2）装置结构的变动）装置结构的变动（3 3）光程中介质的变化）光程中介质的变化 探讨干涉条纹变化时，通

38、常采用两种分析方法：探讨干涉条纹变化时，通常采用两种分析方法：一是一是注视干涉场中某个特定点注视干涉场中某个特定点P，观察有多少条条纹移过此点；，观察有多少条条纹移过此点；另一个是另一个是跟踪干涉场中的某级条纹跟踪干涉场中的某级条纹，看他向什么方向移动，以及，看他向什么方向移动，以及移动了多少距离。只要把握了这一特定条纹的动向，就把握了干移动了多少距离。只要把握了这一特定条纹的动向，就把握了干涉条纹整体的变化情况。涉条纹整体的变化情况。1.3 分波面双光束干涉分波面双光束干涉 光学光学 48PPT课件 为了计算移动过某个固定场点为了计算移动过某个固定场点P干涉条纹的数目干涉条纹的数目N，必须知

39、道交于该点的两相干光之间的光程差如必须知道交于该点的两相干光之间的光程差如何变化。每增加（或减小）一个波长，便有一根干何变化。每增加（或减小）一个波长，便有一根干涉条纹移过涉条纹移过P点，故移过点，故移过P点条纹数目点条纹数目N与光程差的与光程差的改变量改变量 之间的关系为：之间的关系为：N式中式中 为真空中的波长。为真空中的波长。1.3 分波面双光束干涉分波面双光束干涉 光学光学 49PPT课件500nm)mm(105.035.7102.0yrd330例题例题 2 用云母片（用云母片（n=1.58）覆盖在杨氏双缝的一条缝上，）覆盖在杨氏双缝的一条缝上，这时屏上的零级明纹移到原来的第这时屏上的

40、零级明纹移到原来的第 7 级明纹处。若光波波长级明纹处。若光波波长为为 550 nm，求云母片的厚度。，求云母片的厚度。712 rr插入云母片后，插入云母片后，P 点为点为 0 级明纹级明纹。012nddrrdPo1r2r1s2s解：解：插入云母片前，插入云母片前，P 点为点为 7 级明纹级明纹。6.617nd m 50PPT课件1.4 干涉条纹的可见度干涉条纹的可见度 时间相干性和空间相干性时间相干性和空间相干性光学光学 一、干涉条纹的可见度一、干涉条纹的可见度 对于光波来说，干涉现象往往表现为明暗相间的对于光波来说，干涉现象往往表现为明暗相间的条纹。为了描述干涉图场中的强弱对比，引入条纹。

41、为了描述干涉图场中的强弱对比，引入可见度可见度（或（或对比度对比度，反衬度反衬度）的概念）的概念.Imax Imin minmaxminmaxIIIIV 可见度的物理意义：可见度的物理意义：若若 Imin=0，暗条纹是全黑，暗条纹是全黑，V=1，对比度最好，对比度最好 若若 Imin=Imax，明暗条纹强度一样，明暗条纹强度一样，V=0，对比度最，对比度最差差(没有条纹）没有条纹）其他情况下，其他情况下，V介于介于1和和0之间。之间。（一）可见度的定义（一）可见度的定义51PPT课件1.4 干涉条纹的可见度干涉条纹的可见度 时间相干性和空间相干性时间相干性和空间相干性光学光学 影响干涉条纹可见

42、度的因素很多，对于理想的相干点光影响干涉条纹可见度的因素很多，对于理想的相干点光源发出的光波，主要因素是两相干光的振幅比。源发出的光波，主要因素是两相干光的振幅比。（二）两列波相干叠加的干涉条纹对比度（二）两列波相干叠加的干涉条纹对比度 对于两列波相干叠加，强度随位相差分布（空间分对于两列波相干叠加，强度随位相差分布（空间分布），有布），有)cos(212212221AAAAI221min221max)(,)(AAIAAI22121222121minmaxminmax)/(1/2224AAAAAAAAIIIIV52PPT课件22121)/(1/2AAAAV之间和介于其他情况下可见度最差则或可见

43、度最好则01,0,00,1,2121VVAAVAA讨论：讨论：1.4 干涉条纹的可见度干涉条纹的可见度 时间相干性和空间相干性时间相干性和空间相干性光学光学 因此，能产生明显的干涉现象的补充条件为：因此，能产生明显的干涉现象的补充条件为：两光束的光强两光束的光强（或振幅）不能相差太大。（或振幅）不能相差太大。53PPT课件1.4 干涉条纹的可见度干涉条纹的可见度 时间相干性和空间相干性时间相干性和空间相干性光学光学 二、光源的非单色性对干涉条纹的影响二、光源的非单色性对干涉条纹的影响 实际的单色光源，他们所发出的光波都不是严格实际的单色光源，他们所发出的光波都不是严格的单一的单一频率（波长）的

44、光，它包含着一定的波长范围频率（波长）的光，它包含着一定的波长范围。由于由于 内内每一波长的光均形成各自一组干涉条每一波长的光均形成各自一组干涉条纹，而且各组条纹除零级以外，其它各级条纹互相间均有一纹，而且各组条纹除零级以外，其它各级条纹互相间均有一定位移，所以各组条纹非相干叠加的结果会使条纹的可见度定位移，所以各组条纹非相干叠加的结果会使条纹的可见度下降。下降。极大值位置的范围由极大值位置的范围由,drjy0决定决定,称为称为明条纹宽度明条纹宽度.在在 y y 以内，充满着同一干涉级波长在以内，充满着同一干涉级波长在 与与 之间的各之间的各种波长的明条纹。种波长的明条纹。随着干涉级次的提高，

45、干涉条纹的宽度增大，干涉条随着干涉级次的提高，干涉条纹的宽度增大，干涉条纹的可见度便相应的降低纹的可见度便相应的降低.54PPT课件叠加后强度分布如图叠加后强度分布如图 +合成光强合成光强 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 0 I当波长（当波长（+）的光所对应的）的光所对应的 j级亮纹与波长级亮纹与波长 的光所对的光所对应的应的 j1级亮纹重合时，条纹就看不见了，此后条纹连级亮纹重合时，条纹就看不见了，此后条纹连成一片。成一片。1.4 干涉条纹的可见度干涉条纹的可见度 时间相干性和空间相干性时间相干性和空间相干性光学光学 55PPT课件即能产生干涉条纹的最大光程差为即能产生干涉条

46、纹的最大光程差为光程差光程差 max=)(j)1(j由此可得，能观察到的最大干涉级次为：由此可得，能观察到的最大干涉级次为：因而能产生干涉的最大光程差可以写为因而能产生干涉的最大光程差可以写为：jmaxL2maxj称为相干长度称为相干长度.1.4 干涉条纹的可见度干涉条纹的可见度 时间相干性和空间相干性时间相干性和空间相干性光学光学 56PPT课件三、时间相干性三、时间相干性1.5 干涉条纹的可见度干涉条纹的可见度 时间相干性和空间相干性时间相干性和空间相干性光学光学 波列长度波列长度 L 和发光持续时间和发光持续时间 t之间满足：之间满足：由于原子发光在时间上是断断续续的，实际上只能得由于原

47、子发光在时间上是断断续续的，实际上只能得到有限长的波列到有限长的波列L。原子持续发光的时间原子持续发光的时间 t，称为称为相干时间相干时间。cLt 57PPT课件1.4 干涉条纹的可见度干涉条纹的可见度 时间相干性和空间相干性时间相干性和空间相干性光学光学 如果光源如果光源S发射一列光波发射一列光波a，这一光波列被双缝分为两个波列，这一光波列被双缝分为两个波列a和和a,这两个波列沿不同路径这两个波列沿不同路径r1,r2传播后，又重新相遇。传播后，又重新相遇。由于这两列波是从同一列光波分割出来的，它们具有完全相由于这两列波是从同一列光波分割出来的，它们具有完全相同的频率和确定的相位关系。因此可以

48、发生干涉，并可观察同的频率和确定的相位关系。因此可以发生干涉，并可观察到干涉条纹。若两路的光程差太大，致使到干涉条纹。若两路的光程差太大，致使S1和和S2到观察点到观察点P的光程差大于波列的长度，使得当波列的光程差大于波列的长度，使得当波列a2刚到达刚到达P点时，波点时，波列列a1已经过去了，两列波不能相遇，当然无法发生干涉。已经过去了，两列波不能相遇，当然无法发生干涉。58PPT课件而另一时刻发出的波列而另一时刻发出的波列b经经S1分割后成为分割后成为b，波列，波列b和和a相相遇并叠加。但由于波列遇并叠加。但由于波列a和和b无固定的相位关系，因此在无固定的相位关系，因此在考察点考察点P无法发

49、生干涉。无法发生干涉。1.4 干涉条纹的可见度干涉条纹的可见度 时间相干性和空间相干性时间相干性和空间相干性光学光学 两光波在相遇点的光程差应小于波列的长度。两光波在相遇点的光程差应小于波列的长度。因此，产生干涉的另一必要条件是：因此，产生干涉的另一必要条件是：2maxLc t 由可以看出：光源的单色线度宽由可以看出：光源的单色线度宽越小越小，或发光时间，或发光时间 t越长越长，则，则波列波列长度长度越长越长。这说明在光程差比较大的地方。这说明在光程差比较大的地方还可观察到比较清晰的干涉条纹。说明光源的相干性好。还可观察到比较清晰的干涉条纹。说明光源的相干性好。这种由单色线宽所决定的光波的相干

50、性称为这种由单色线宽所决定的光波的相干性称为时间相干性时间相干性。59PPT课件四、光源的线度（扩展单色光源）四、光源的线度（扩展单色光源）对干涉条纹的可见度的影响对干涉条纹的可见度的影响1.4 干涉条纹的可见度干涉条纹的可见度 时间相干性和空间相干性时间相干性和空间相干性光学光学 60PPT课件61PPT课件这时这时s到到s1和和s2的光程差为的光程差为12rr220222202122)dd(r r,)dd(r r012 rdd r r)(当这一当这一光程差光程差等于等于半个波长半个波长时时，s在在P0点产生第点产生第一级暗条纹，一级暗条纹，而而s线光源在线光源在P0点产生第点产生第零级明条