第一章光的干涉课件.ppt

1、第一章 光的干涉光的本性是什么？波动性：光有干涉、衍射和偏振现象。粒子性：光电效应和康普顿效应。什么是电磁波？什么是机械波？1.1 光的电磁理论光的电磁理论一、一、光与电磁波的比较：光与电磁波的比较：1.在真空中，传播速度均为在真空中，传播速度均为smc/10382.都有横波的性质，即有干涉、衍射、都有横波的性质，即有干涉、衍射、偏振等现象。偏振等现象。3.频段：频段：电磁波在电磁波在无线电波无线电波到到射线射线之间之间可见光在可见光在Hz1414106.7104结论：结论：光是某一波段的电磁波。光是某一波段的电磁波。001crrcv1rrvcn光在真空中的传播速度光在介质中的传播速度二、透明

2、介质的折射率电磁波在真空中的传播速度001c三、光是一种横波（光的传播方向）（磁场分量）（电场分量）EHv 电磁波的E和H与传播方向垂直，但对人眼或感光仪器起作用的是E。四、可见光谱 波长390nm760nm 频率7.51014Hz4.11014Hz红红 760nm630nm橙橙 630nm590nm黄黄 590nm570nm绿绿 570nm500nm青青 500nm460nm蓝蓝 460nm430nm紫紫 430nm400nm五、光强 光强(能流密度)：在单位时间内通过与波的传播方向垂直的单位面积的能量或单位面积的光功率。平均光强度相对光强度2AI 2AI 1-2 波动的独立性、叠加性和相干

3、性1、机械波的独立性 波在相遇的区域内，只要振动不十分强烈，就能保持自己的特性（频率、振幅和振动方向）按自己原来的传播方向前进，彼此不相互影响。2、机械波的叠加性 波在相遇的区域内，介质质点的合位移为各波分别单独传播时在该点引起的位移的矢量和。21EEEE2E1E返回退出3 波动的相干性（即波动的干涉）波动的相干性（即波动的干涉）两列独立传播的波，若在相遇区域内叠加的结果是合振动在一些地方加强、一些地方减弱，则这一强度按空间周期性变化的现象称为波的干涉。干涉的充要条件：频率相等 相位差恒定 振动在一条直线上。说明：干涉的结果：产生振动强度的非均匀分布，即出现干涉花样。干涉是波动的一大特征：凡出

4、现干涉花样的物理过程，一定是波动。波动能量的传递：以振动形式在物质中传播，物质本身并不随波移动。光具有干涉现象，说明光是一种波动。4、相干叠加与非相干叠加、相干叠加与非相干叠加（一）、相干光源与非相干光源 若两光源所发出的两束光波叠加能产生干涉，则这两个光源称为相干光源；否则，称为非相干光源。能产生干涉花样的叠加称为相干叠加；否则，称为非相干叠加。（二）、相干叠加与非相干叠加设有两列频率相等、沿同一直线振动、相位不同的简谐波：111costAE222costAE由叠加原理，设合振动为E，合振幅为A，合成后初相位为则：tAEEEcos21122122212cos2AAAAA22112211cos

5、cossinsinAAAAtg讨论：1、由于振动强度 IA2，所以，合振动强度并不简单地等于两分振动强度和；2、如同照相一样，观察和记录的并非某一时刻的强度瞬时值，而是在一定时间间隔内的时间平均值：0212dtAAI0122122211cos2dtAAAA0121212221cos2dtAAAA 若两振动不中断称为干涉项式中即则122112212221120121cos2cos2:coscos:AA，AAAAIdt2121221max124:321,02:AAAAAI，jja时则即位相相同若合振动平均强度达最大值干涉相长干涉相长0:321,012:21221min12时则即位相相反若AAAAI

6、，jjb合振动平均强度达最小值干涉相消干涉相消21maxmin:()cIII当为 任 一 其 它 值 时 若振动时断时续，两初位相独立地变化，即：consttf1222210121120cos20,:AAIdt，间的一切可能值内变化在几率均等地内在观察时间按概率统计理论则故：此时，合振动的平均强度为两分振动强度之和故：此时，合振动的平均强度为两分振动强度之和问题：一个普通光源发出的两问题：一个普通光源发出的两列光波是否是一对相干光源列光波是否是一对相干光源?光源的最基本发光单元是分子、原子等光源的最基本发光单元是分子、原子等原因：发光是随机的，间歇性的。原因：发光是随机的，间歇性的。两列光波相

7、位差不可能恒定。两列光波相位差不可能恒定。两束光两束光不相干！不相干！钠钠光光灯灯怎样利用普通光源获得相干光？怎样利用普通光源获得相干光？把由光源上同一点同一次发的光设法分成两部分，然后再使这把由光源上同一点同一次发的光设法分成两部分，然后再使这两部分叠加起来。由于这两部分光实际上都来自两部分叠加起来。由于这两部分光实际上都来自同一发光原子的同同一发光原子的同一次发光一次发光，它们满足相干条件而成为相干光。分开之后所走的路程，它们满足相干条件而成为相干光。分开之后所走的路程不同，导致光波的相位不同，根据其差别分别产生干涉加强或者减不同，导致光波的相位不同，根据其差别分别产生干涉加强或者减弱。弱

8、。光学系统0光学系统1光学系统2PS13 13 单色光波叠加形成的干涉条纹单色光波叠加形成的干涉条纹020202010101coscostAEtAE 频率单一且恒定的光波称为单色光。首先，研究空间两单色点光源所发光波的干涉。一、位相差、光程和光程差一、位相差、光程和光程差如右图示：从空间两定点S1、S2发出的两列单色简谐波，同时到达空间另一点P设两点光源S1、S2的振动可表示为PdP0s1r1Nr2r0s2DySr当它们同时到达P点时，其振动方程为：022222011111coscosvrtAEvrtAE1、位相差：01021122vrvr代入上式有和将2211,22:nvcnvcc 0102

9、0102112222rnrn.0102有关和与位相差TcT1PdP0s1r1Nr2r0s2DySr2、光程、光程差定义：介质折射率与光波在该介质中所通过的路程的乘积，称为光程，用表示；1122rnrnnr光程差讨论：当光在真空中传播时，n=n1=n2=1此时12rrr在均匀介质中ctvrcrvcnr 即：介质中光程等于相同时间内光在真空通过的路程光程的物理意义 因此，利用光程的概念，可以将光在不同介质中的光程折算成在真空中传播的路程，从而加以比较。1202010102122121,(,),(1)222:s sconstnnrrk rrk 若为相干光源 即设且处在真空中则其中称为波数仅与几何路程

10、差有关不同光线通过透镜要改变传播方向，不同光线通过透镜要改变传播方向，会不会引起附加光程差？会不会引起附加光程差？ABCabcF?ABCabcFA、B、C 各点到各点到F焦焦点的光程都相等点的光程都相等。AaF比比BbF经过的几何路程长，但经过的几何路程长，但BbF在透镜中在透镜中经过的路程比经过的路程比AaF长，透镜折射率大于长，透镜折射率大于1，折算，折算成光程，成光程，AaF的光程与的光程与BbF的光程相等。的光程相等。解解释释使用透镜不会引起各相干光之间的附加光程差。使用透镜不会引起各相干光之间的附加光程差。二、干涉花样二、干涉花样1、干涉公式：由上节结论强度最小干涉相消强度最大干涉相

11、长122jj对真空中的S1、S2 发出的两列相干光波有：12rr221min221max21222AAIjAAIj干涉相消干涉相长)3,2,1,0(j j 称为干涉级，j 可取0，第m个条纹对应的干涉级j=m-1212122rrk rr0102()设2、干涉花样：形状：强度相同的空间点形成同一级条纹 r2-r1=同一常量的点构成同一级条纹。故：干涉花样是以S1S2为轴线、S1、S2为焦点的双叶旋转双曲面（见书P16）空间干涉花样；1S2SD2rpoSxd1r 为便于观察，常用一垂直于对称轴的光屏接收，则光屏上显示的是双叶旋转双曲面与光屏的交线：为一顶点均在直线DD上的 一组双曲线。见图13（b

12、）特点：0PyA、顶点（P）位置021200sin:),()(ryddtgdssrrdrrdr、PP条件下有远场较小在傍轴由干涉公式有0ryd干涉相消干涉相长21222jjy暗条纹亮条纹2122200drjdrj)3,2,1,0(jPdP0s1r1Nr2r0s2DySr0y3、条纹间距y明暗条纹均适用等间距无关与,01jdryyyjjPdP0s1r1Nr2r0s2DySr0y条纹角间距00002:sin:sin2222:1(),dtgrdrrdyrdyy 由且得代入间距公式有对一定的单色光波一定PdP0s1r1Nr2r0s2DySr用途:波长表征光波的空间周期性，不易观察，y表示光强分布的周期性，因此，可以通过干涉的方法，将光波的空间周期性转化、放大为条纹间距而直接观测。综上所述，干涉条纹具有如下特征：各级亮条纹强度相等，相邻条纹（明或暗）间距相等，且与干涉级 j 无关；当波长一定时，yr0，y1/d 当r0、d 一定时，y。历史上第一次测定光波波长就是通过测定y来实现的；当用白光（复色光）作光源时，除j=0的中央条纹仍为白色外，其余各级条纹均成 彩色且内紫外红