波动光学第1讲——光的干涉-杨氏双缝干涉课件.ppt

波动光学第波动光学第1 1讲讲 光的干涉光的干涉 杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉主要内容主要内容1 1 光源、单色光与相干光、光程光源、单色光与相干光、光程2 2 杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验几何光学几何光学：以光的直线传播规律为基础研究以光的直线传播规律为基础研究 反射、折射、散射及研究各种光反射、折射、散射及研究各种光 学仪器的理论。学仪器的理论。波动光学：波动光学：以光的波动性为基础研究光的传播规律以光的波动性为基础研究光的传播规律 特别是光的干涉、衍射及偏振的规律。特别是光的干涉、衍射及偏振的规律。量子光学：量子光学：以光的粒子性及近代量子理论以光的粒子性及近代量子理论 为基础研究光与物质相互作用的规律。为基础研究光与物质相互作用的规律。波动光学波动光学1 1 光源、单色光与相干光光源、单色光与相干光一可见光与光源一可见光与光源 1 1、可见光、可见光频率范围频率范围:3.9103.91014 14 Hz8.610Hz8.61014 14 HzHz波长范围波长范围 :400nm400nm760nm760nm赤赤橙黄绿青蓝紫橙黄绿青蓝紫2 2、光源、光源 自身能发光的物体自身能发光的物体普通光源普通光源属于自发辐射，非相干光源属于自发辐射，非相干光源激激 光光 器器 属于受激辐射，相干光源属于受激辐射，相干光源二二.光的单色性光的单色性1 1、单色光与复色光、单色光与复色光只含有一种频率的光只含有一种频率的光单色光单色光含有多种频率的光含有多种频率的光复色光复色光准单色光：准单色光：频率很接近的复色光频率很接近的复色光如如钠灯发出的光：钠灯发出的光：波长范围在波长范围在 589.0nm589.0nm589.6nm589.6nm2 2、获得单色光的方法、获得单色光的方法三棱镜三棱镜滤光片滤光片激光器件激光器件三三.光的相干性光的相干性光的干涉现象：光的干涉现象：当当两两列列相相干干光光相相遇遇时时,在在相相遇遇空空间间出出现现明明暗暗稳稳定定分布的现象分布的现象1 1、原子的发光机理、原子的发光机理 一一个个原原子子每每一一次次发发光光就就只只能能发发出出一一段段长长度度有有限限，频频率率一一定定和和振振动动方方向向一一定定的的光光波波这这样样一一段段光光波波称称作作一个一个波列波列波列波列波波列列长长L L=c c普普通通光光源源各各个个原原子子各各次次发发光光，发发光光频频率率、振振动动方方向向、彼彼此此位位相相差差是是不不确确定定的的，出出现现干干涉现象的概率非常小。涉现象的概率非常小。独立独立(不同原子发的光不同原子发的光)同同一一原原子子不不同同次次发发光光，也也不不能能保保证证这这些些波波列列的的频频率率，振振动动方方向向都都相相同同，而而且且位位相相差差也也不不可可能能保保持持恒恒定定，因因此此，也也就就不不可可能能产生干涉现象。产生干涉现象。2 2、相干光的获得、相干光的获得 利利用用普普通通光光源源获获得得相相干干光光的的方方法法的的基基本本原原理理是是把把由由光光源源同同一一点点发发出出的的光光设设法法分分成成两两部部分分，然然后后再再使使这这两两部部分分叠叠加起来。加起来。分波阵面法分波阵面法分振幅法分振幅法在在同同一一波波面面上上两两固固定定点点光光源源，发发出出的的光光产产生生干干涉涉的的方方法法为为分分波波面面法法。如如杨杨氏氏双双缝干涉实验（图缝干涉实验（图1 1）一一束束光光线线经经过过介介质质薄薄膜膜的的反反射射与与折折射射，形形成成的的两两束束光光线线产产生生干干涉涉的的方方法法为为分分振振幅法。如薄膜干涉（图幅法。如薄膜干涉（图2 2）。）。P PS SS S1 1S S2 2S S S S1 12 2P P图图1 1图图2 2四、光程四、光程光在介质中传播的距离折算成真空中的长度。光在介质中传播的距离折算成真空中的长度。在介质中传播的波长，折算成真空中波长在介质中传播的波长，折算成真空中波长两光程之差叫做光程差两光程之差叫做光程差相位差：相位差：2 2、光程差、光程差1 1、光程的引入和光程的概念、光程的引入和光程的概念当用透镜观测干涉时，不会带来附加的光程差。当用透镜观测干涉时，不会带来附加的光程差。3 3、透镜不引起附加的光程差、透镜不引起附加的光程差 杨氏在杨氏在1 1801年年首先用实验的方首先用实验的方法研究了光的干法研究了光的干涉现象，为光的涉现象，为光的波动理论确定了波动理论确定了实验基础实验基础。一一.杨氏双缝实验杨氏双缝实验2 2 杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验1 1、实验装置、实验装置S S1 1S S2 2S SE ES S1 1S S2 2S SE E2 2、实验现象、实验现象 当当光光源源照照射射狭狭缝缝 S S 时时，在在屏屏幕幕 E E 上上出出现现一一系系列列稳稳定定的的与与狭狭缝缝平平行行、条条纹纹间间距距彼彼此此相相等等的明暗相间的条纹。的明暗相间的条纹。3 3、实验解释、实验解释 由由S S1 1和和S S2 2 射射出出的的光光束束来来自自同同一一光光波波波波阵阵面面的的不不同同部部分分，因因此此它它们们具具有有相相同同的的频频率率和和相相位位。这这种获得相干光的方法称作种获得相干光的方法称作分波阵面法分波阵面法。二二.明暗纹条件明暗纹条件 S S1 1 和和S S2 2 到到P P点的波程差点的波程差二二.明暗纹条件明暗纹条件设设 S S1 1 和和S S2 2 的的距离为距离为d d，中点为中点为 M M，PM PM 与与MOMO 的夹角为的夹角为，从，从 S S1 1做做 S S2 2P P 垂线垂线S S1 1C C 。通常情况下，通常情况下，D D d d，很小很小M M 到屏幕的距离为到屏幕的距离为 D D，垂足为垂足为o o ，以，以o o为坐标原点，为坐标原点，P P 点的坐标为点的坐标为 x x二二.明暗纹条件明暗纹条件通常情况下，通常情况下，D D d d，很小很小二二.明暗纹条件明暗纹条件干涉干涉明纹明纹的条件的条件条纹的中央为明纹，称为零级条纹的中央为明纹，称为零级(或中央或中央)明纹明纹干涉干涉暗纹暗纹的条件的条件IO0明明纹纹 暗纹暗纹明纹明纹干涉条纹图样干涉条纹图样632.8nm的氦氖激光器产生的干涉条纹的氦氖激光器产生的干涉条纹589.3nm的钠黄光产生的干涉条纹的钠黄光产生的干涉条纹 条纹间距条纹间距条纹图样条纹图样 当当单单色色光光照照射射时时，为为明明暗暗相相间间的的条条纹纹当当白白光照射时，为彩色条纹（中央为白色条纹）光照射时，为彩色条纹（中央为白色条纹）条纹明暗相间平行等距条纹明暗相间平行等距条纹移动条纹移动讨论讨论向两边移动向两边移动向两边移动向两边移动向中央移动向中央移动讨论讨论条纹特点条纹特点1 1、中央明纹、中央明纹2 2、明暗相间、明暗相间3 3、平行等距、平行等距4 4、对称分布、对称分布 以以中中央央明明条条纹纹为为中中心心、两两侧侧对对称称分分布布的的、平行等距的明暗相间的直条纹平行等距的明暗相间的直条纹线光源线光源S S的两个虚像相当于杨氏双缝实验中的双缝，的两个虚像相当于杨氏双缝实验中的双缝，杨氏实验中的有关结论在此成立。杨氏实验中的有关结论在此成立。S S2 2S SB BP PM M2 2M M1 1A AO OA A与屏距离与屏距离S S：线光源线光源B B：S S1 1P P：A A：M M1 1、M M2 2：障碍物障碍物屏屏平面镜平面镜镜交线镜交线镜面夹角镜面夹角S S与与A A距离距离注：注：S S 发光经两个镜面反射均有半波损失。发光经两个镜面反射均有半波损失。三菲涅耳双棱镜干涉三菲涅耳双棱镜干涉三菲涅耳双棱镜干涉三菲涅耳双棱镜干涉S SS S1 1S S2 2虚光源与屏间距。虚光源与屏间距。分析光程时，不考虑半波损失。分析光程时，不考虑半波损失。杨氏双缝干涉实验的分析结果仍成立。杨氏双缝干涉实验的分析结果仍成立。虚像间距。虚像间距。S SS S P PS S：线光源线光源M M：平面镜平面镜P P：屏屏M MS S 发光照射发光照射 M M 时为掠射，时为掠射，直射光与反射光相干直射光与反射光相干S S 与与 S S 间间距距S S 与屏距离与屏距离实验发现，屏靠近镜时，实验发现，屏靠近镜时，镜右端不明反暗，镜右端不明反暗，验证了电磁理论预言的半波损失验证了电磁理论预言的半波损失四四洛埃镜干涉实验洛埃镜干涉实验例例1：波长为波长为 632.8 nm 的激光，垂直照的激光，垂直照射在间距为射在间距为 1.2 mm 的双缝上，双缝到屏的双缝上，双缝到屏幕的距离为幕的距离为 500 mm，求两条第求两条第4级明纹的级明纹的距离。距离。解：解：44Io由明纹公式由明纹公式：两条两条 4 级明纹的距离为：级明纹的距离为：例例2：在双缝干涉实验中，用波长为在双缝干涉实验中，用波长为 632.8 nm 的激光照射一双缝，将一折的激光照射一双缝，将一折射率为射率为 n=1.4 的透明的介质薄片插入的透明的介质薄片插入一条光路，发现屏幕上中央明纹移动了一条光路，发现屏幕上中央明纹移动了 3.5个条纹，求介质薄片的厚度个条纹，求介质薄片的厚度 d。解：解：由于中央明纹移动了由于中央明纹移动了 3.5 个条纹，个条纹，则插入的介质薄片所增加的光程差为则插入的介质薄片所增加的光程差为 3.5 个波长，对应原屏幕中央个波长，对应原屏幕中央 o 点两条光线点两条光线的光程差也为的光程差也为 3.5。oD DS1S2Sar1r2Iood在原屏幕中央在原屏幕中央o点两光线的光程差为：点两光线的光程差为：对于对于o点：点：D DS1S2ar1r2od作作 业业 题：题：习题习题16.1216.12、16.1416.14、16.1516.15；预习内容：预习内容：16.4-16.516.4-16.5复习内容：复习内容：本讲本讲