光源、相干光及杨氏干涉ppt课件.ppt

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1、 波动光学波动光学 (Wave Optics)概述：人们对光的认识经历了一个否定之否定概述：人们对光的认识经历了一个否定之否定 过程过程1 1、光的机械微粒学说（、光的机械微粒学说（1717世纪世纪-18-18世纪末）世纪末）代表：牛顿代表：牛顿对立面：惠更斯对立面：惠更斯-波动说波动说分歧的焦点：光在水中的速度分歧的焦点：光在水中的速度空气水vv空气水vv1850年佛科（年佛科（Foucauld）测定）测定空气水vv微粒说开始瓦解微粒说开始瓦解2 2、光的机械波动说（、光的机械波动说（1919世纪初世纪初-后半世纪）后半世纪） 2 2、光的机械波动说（、光的机械波动说（1919世纪初世纪初-

2、 -后半世纪）后半世纪）英国人杨（英国人杨（T.uoung)和法国人菲涅尔和法国人菲涅尔(A.T.Fresnel)通过干涉、衍射、偏振等实验证明了光的波动性通过干涉、衍射、偏振等实验证明了光的波动性及光的横波性。及光的横波性。性质：弹性机械波，在机械以太中传播。性质：弹性机械波，在机械以太中传播。3 3、光的电磁说（、光的电磁说（1919世纪的后半期世纪的后半期-）19世纪后半期世纪后半期Maxwell建立电磁理论，提出了建立电磁理论，提出了光的电磁性，光的电磁性，1887年赫兹用实验证实。年赫兹用实验证实。性质：电磁波在电磁以太中传播性质：电磁波在电磁以太中传播 4 4、光的量子说（、光的量

3、子说（2020世纪初世纪初-）电磁波动说在解释电磁波动说在解释“热辐射实验热辐射实验”及及“光电效应光电效应”等等实验遇到困难。实验遇到困难。 1900年年普朗克普朗克提出了提出了“热辐射量子理论热辐射量子理论”爱因斯坦爱因斯坦提出了光子理论，将光看成一束粒子流。与电磁提出了光子理论，将光看成一束粒子流。与电磁波动说相抗衡。二者各自统治着自己的领域。波动说相抗衡。二者各自统治着自己的领域。 1924年法国人年法国人德布罗意德布罗意（De.Broglie)大胆地提大胆地提出了出了“物质波物质波”的概念，尔后薛定谔、海森伯等的概念，尔后薛定谔、海森伯等人创建了量子力学，又将二者统一起来。人创建了量

4、子力学，又将二者统一起来。 光是一个复杂性的客体，它的本性只能通过光是一个复杂性的客体，它的本性只能通过它所表现的性质来确定，它的某些方面象波而另它所表现的性质来确定，它的某些方面象波而另一方面象微粒（一方面象微粒（波粒二象性波粒二象性）。但它既不是波，）。但它既不是波，也不是微粒，也不是二者的混合体。也不是微粒，也不是二者的混合体。但但从从20 世纪世纪50年代起光学的发展仍是年代起光学的发展仍是“方兴未方兴未艾艾，前途无限，前途无限”付里叶光学付里叶光学更新经典光学。更新经典光学。 出现了出现了“相干光学相干光学”、“纤维光学纤维光学”、“全息光学与全息光学与全息技术全息技术”.它是既年轻

5、又古老的科学。也是现它是既年轻又古老的科学。也是现代技术的基础。代技术的基础。分类：分类：1、几何光学：研究光的直线传播及光学仪器的、几何光学：研究光的直线传播及光学仪器的 制造；制造；2、波动光学：研究光的波动性；、波动光学：研究光的波动性；3、量子光学：研究光与物质的相互作用。、量子光学：研究光与物质的相互作用。一、光矢量、光强度一、光矢量、光强度可见光波长：可见光波长：AA7500400021.1 光源、光波的叠加光源、光波的叠加（Light Source、 Superposition of Light）1)人眼对于颜色的感觉是由光波的频率决定的。人眼对于颜色的感觉是由光波的频率决定的。

6、122）引起眼睛视觉效应和光）引起眼睛视觉效应和光 化学效应的是光波场中化学效应的是光波场中 的电场。的电场。uZXYEH定义：光矢量定义：光矢量 ：光振动中的电矢量：光振动中的电矢量E光振动：电矢量周期性的变化。光振动：电矢量周期性的变化。)cos(0tEE 3）人眼及物理仪器检测光的强度是由光的能流）人眼及物理仪器检测光的强度是由光的能流 密度决定的。密度决定的。2AI能流密度定义：光强度定义：光强度202EAI二、光源、热光源发光的特点二、光源、热光源发光的特点1、光源：发光的物体、光源：发光的物体2、分类：、分类：A）普通光源）普通光源-由自发辐射发出的光。由自发辐射发出的光。E2E1

7、E3L1L2hEE12冷光源：冷光源：A）普通）普通 光源光源电致发光电致发光-电场激发；电场激发；光致发光光致发光-由由X射线、放射线、射线、放射线、 、可见光激发；、可见光激发；化学发光化学发光-由化学能激发（萤火虫）由化学能激发（萤火虫）热光源热光源-由热能激发由热能激发B）激光光源）激光光源激光器激光器Laser由受激辐射产生的光由受激辐射产生的光E2E13、普通光源发光的特点、普通光源发光的特点在同一时间有大批原子发光；（不是全部）在同一时间有大批原子发光；（不是全部）就单个原子而言，每个原子都是断断续续发就单个原子而言，每个原子都是断断续续发 光，每次发光时间极短（光，每次发光时间

8、极短（10-8s）且一次只能）且一次只能 发出一个有限长具有偏振性的的波列。发出一个有限长具有偏振性的的波列。同一原子先后发出的光及同一瞬间不同原子同一原子先后发出的光及同一瞬间不同原子 发出的光的频率、振动方向、初相位、发光发出的光的频率、振动方向、初相位、发光 的时间均是随机的。的时间均是随机的。 Ett结论：一般而言热光源及普通光源发出的光为非结论：一般而言热光源及普通光源发出的光为非 相干光。且同一光源上不同点发出的光也相干光。且同一光源上不同点发出的光也 是非相干光。若要产生干涉须将非相干光是非相干光。若要产生干涉须将非相干光 变为相干光。激光光源为相干光源。变为相干光。激光光源为相

9、干光源。将非相干光变为相干光的原则是：将非相干光变为相干光的原则是：“同出一源，分之为二同出一源，分之为二” 三、光波的叠加三、光波的叠加讨论同方向、同频率的光的叠加讨论同方向、同频率的光的叠加S1S2)(cos1111crtEe)(cos2222crtEeP)2cos(21212212221rrEEEEE设：设：P点的光强度：点的光强度：P点的合振幅点的合振幅2EI 1r2rS1S2P)2cos(21212212221rrEEEEEP点的光强度：点的光强度：P点的合振幅点的合振幅2EI )2cos(21212212221rrEEEE因原子每次发光时间只有因原子每次发光时间只有10-8秒，每对

10、光波列叠秒，每对光波列叠加的时间极短，而人眼的加的时间极短，而人眼的“响应时间响应时间”s2 . 0人只能观察到其光强度的平均值人只能观察到其光强度的平均值 I。2EI s2 . 0S1S2PP点的光强度：点的光强度：2EI )2cos(21212212221rrEEEE人只能观察到其光强度的平均值人只能观察到其光强度的平均值 I。2EI dtrrEEEE)2cos(2112122122021dtrrEEEE)2(cos12121202122212EI dtrrEEEE)2(cos12121202122211、非相干叠加、非相干叠加12不能保持恒定的光波的叠加不能保持恒定的光波的叠加0)2(c

11、os12120dtrr212221IIEEI非相干叠加时的光强度等于叠加的两光波的强度非相干叠加时的光强度等于叠加的两光波的强度之和。之和。 2、相干叠加、相干叠加12保持恒定的光波的叠加保持恒定的光波的叠加 2、相干叠加、相干叠加12保持恒定的光波的叠加保持恒定的光波的叠加r1r2S1S2S纵截面图纵截面图r1r2S1S2S纵截面图纵截面图dtrrEEEEI)2(cos1212120212221)2cos(212122121rrIIIII2、相干叠加、相干叠加12保持恒定的光波的叠加保持恒定的光波的叠加讨论：讨论：若：若：21EE 12122rr 21II cos2211II)cos1 (2

12、1 I2cos421 Ir1r2S1S2S)2cos(212122121rrIIIIIXIcos22121IIIIIcos22121IIIIIcos2211II)cos1 (21II2cos421 II 光场中一点光场中一点r2-r1不同不同,有的地方光强变为原来的四倍（亮点）有的地方光强变为原来的四倍（亮点）,有的地方为零（暗点）有的地方为零（暗点）-光的干涉现象光的干涉现象.不同，则不同，则可见：可见：12122rr 21.2 光程和光程差光程和光程差1、介质中光的速度与波长、介质中光的速度与波长n真空真空媒质媒质irnvcrisinsinnCv 光在媒质中的速度：光在媒质中的速度：光在媒

13、质中的波长光在媒质中的波长)(1nCvn 光在媒质中传播时波光在媒质中传播时波长变短了，为真空中波长变短了，为真空中波长的长的n分之一。分之一。结论：结论：这将带来什么问题呢？这将带来什么问题呢？0Sabc246 设波源初相设波源初相0，则质点，则质点a、b、c的相位分别的相位分别落后：落后：一般而言：当波传播距离一般而言：当波传播距离r时，时，r处的质点相位处的质点相位落后落后r2与波长有关。与波长有关。 若光波分别在真若光波分别在真空和介质中传播空和介质中传播r1=r221SSS1S2 传到传到P点的光点的光振动的相位不一样振动的相位不一样了了S1S2r1r2P介质介质波长不一样！波长不一

14、样！真空真空真真空空2、光程、光程 若两相干光波在真若两相干光波在真空中传播空中传播21S1S2 传到传到P点的光振动的相位差：点的光振动的相位差：)2()2(2211rtrt)cos(111tEe)cos(222tEe)(212rr 这时要计算这时要计算 S1S2 传到传到P点的振动的相位差，不但要知点的振动的相位差，不但要知道光在真空中的波长，而且要知道光在介质中的波长。道光在真空中的波长，而且要知道光在介质中的波长。r1r2PS1S2介介质质介介质质S1S2r1r2P 若两相干光波分别在介质若两相干光波分别在介质“1”和介质和介质“2”中传播中传播21S1S2 传到传到P点的光点的光振动

15、的相位差：振动的相位差：12)2()2(222111rtrt)cos(111tEe)cos(222tEe112222rr)(21122rnrnn1n2只要将几何路程换为折只要将几何路程换为折射率乘几何路程即可！射率乘几何路程即可！)/(21122nrnr介介质质介介质质 光程光程=折射率折射率 几何路程几何路程 = n rS1S2r1r2P)(21122rnrn 定义：定义：1n2n3n当光在几种媒质中传播时当光在几种媒质中传播时iirn光程光程332211rnrnrn则前面所述情况：则前面所述情况：)(2光程差12ab1r2r3r4n6n5n1n2n3n2)(332211rnrnrn2)(2

16、光程差S1S2P1r2r3r4r5r6r 一般言之：一般言之：)(665544rnrnrn2111rn112rS1P1光程的意义：光程的意义：两相干光在不同介质中传播时，两相干光在不同介质中传播时，光程相同光程相同则：光则：光振动落后光源的相位相同；振动落后光源的相位相同；22rnS2P2P1点落后点落后S1的相位：的相位：112rnP2点点落后落后S2的的相位：相位：222r222rn2211rnrn若：若：P1、P2点落后点落后S1、S2的相位相同的相位相同1211rn111vrt S1P1若两相干光的光程相同时，则传播若两相干光的光程相同时，则传播的时间相同的时间相同。22rnS2P2n

17、1介质介质 中传播的时间：中传播的时间：crn112211rnrn若：若：1211/ ncrn2介质介质 中传播的时间：中传播的时间：222vrt 22/ ncrcrn2221tt即传播的时间相同。即传播的时间相同。结论：光程为一折合量，它是在周相改变相同或结论：光程为一折合量，它是在周相改变相同或 传播时间相同的条件下，把光在媒质中传传播时间相同的条件下，把光在媒质中传 播的路程折合成在真空中传播的路程。播的路程折合成在真空中传播的路程。4n6n5n1n2n3n 五、光干涉时加强与减弱的条件五、光干涉时加强与减弱的条件S1S2P1r2r3r4r5r6r由波的由波的干涉条件干涉条件：221i

18、ijjijn rn r光程差：k2) 12(k 加强（明纹）加强（明纹）其它值其它值 最强最弱之间最强最弱之间4, 3 ,2, 1 ,0k 减弱（暗纹）减弱（暗纹）由波的干涉由波的干涉条件：条件：k2) 12(k加强（明纹）加强（明纹）其它值其它值最强最弱之间最强最弱之间4 .3 .2 .1 .0k减弱（暗纹）减弱（暗纹）21若：若：为真空中的波长为真空中的波长4n6n5n1n2n3nS1S2P1r2r3r4r5r6rjjiirnrn 六、关于薄透镜的等光程性六、关于薄透镜的等光程性PQ一点光源一点光源P发出的光经薄透镜汇聚于发出的光经薄透镜汇聚于Q点点这事实说明：这事实说明： 在薄透镜的光路

19、中，由在薄透镜的光路中，由P点发出的光线经透点发出的光线经透镜聚焦于镜聚焦于Q点，则这些光线的光程是相等的。点，则这些光线的光程是相等的。（几何路径不相等）（几何路径不相等）PP”QPP” 当当P点移至无限远点移至无限远等光程等光程等光程等光程Q焦焦点点焦焦平平面面 七、相干光的获得七、相干光的获得剖面图剖面图杨氏干涉杨氏干涉原则：原则：同出一源，分之为二同出一源，分之为二1、分波阵面法、分波阵面法r1r2S1S2S纵截面图纵截面图屏屏双缝双缝单单缝缝 七、相干光的获得七、相干光的获得2、分振幅法、分振幅法等倾干涉等倾干涉 原则原则：同出一源，分之同出一源，分之为为二二1、分波阵面法、分波阵面

20、法SP薄膜薄膜SP透透镜镜剖面图剖面图透透镜镜 21.3 杨氏干涉（杨氏干涉（Youngs Interference）一、杨氏双缝干涉一、杨氏双缝干涉1、实验装置及现象、实验装置及现象单单缝缝双双缝缝屏屏若为白色光入射若为白色光入射XI剖面图剖面图r1r2双双缝缝单单缝缝屏屏2、定量分析、定量分析S1S2dD若：若：n11r2rrXOdD P 2、定量分析、定量分析Cmmd5 . 0作辅助线作辅助线S1C r2k21()n rrsinndndtg()dnxDx由光的干涉条件由光的干涉条件()dnxD2/) 12(k 明纹明纹 暗纹暗纹3 .2 .1 .0k.3 .2 .1 .0k1( )Dkn

21、d明暗纹位置：明暗纹位置：x1(21)( )2Dknd（明纹）（明纹）（暗纹）（暗纹）4 .3 .2 .1 .0kS1S2dD1r2rrXOdD PCx n12 .1 .0kXI-1级暗纹级暗纹2级暗纹级暗纹1级暗纹级暗纹-2级暗纹级暗纹1级明纹级明纹0级明纹级明纹-1级明纹级明纹2级明纹级明纹-2级明纹级明纹k()dnxD2/) 12(k明纹明纹暗纹暗纹2 . 1 . 0k. 3 . 2 . 1 . 0kS1S2dD1r2rrXOPCxXI-1级暗纹级暗纹2级暗纹级暗纹1级暗纹级暗纹-2级暗纹级暗纹1级明纹级明纹0级明纹级明纹-1级明纹级明纹2级明纹级明纹-2级明纹级明纹讨论：讨论：1）对应

22、不同的）对应不同的k值，将有一对明或暗纹出现在中值，将有一对明或暗纹出现在中 央明纹两侧，央明纹两侧，k称之为干涉级。称之为干涉级。k()dnxD2/) 12(k2）杨氏干涉的条纹是等间距的，且）杨氏干涉的条纹是等间距的，且S1、S2间距越间距越 大，条纹越密。大，条纹越密。1(1)kkDDxxxkkndndDnd=常数常数以明纹为例以明纹为例3）条纹间的间距与波长成正比，波长越小，干）条纹间的间距与波长成正比，波长越小，干 涉条纹越密，波长越长，间距越稀。涉条纹越密，波长越长，间距越稀。若为白光入射，条纹两侧出现彩色条纹，干涉级若为白光入射，条纹两侧出现彩色条纹，干涉级高的条纹重叠。高的条纹

23、重叠。1(1)kkDDxxxkkndndDndXI若为白光入射，条纹两侧若为白光入射，条纹两侧出现彩色条纹。出现彩色条纹。S1S2dDXOPx-1级暗纹级暗纹2级暗纹级暗纹1级暗纹级暗纹-2级暗纹级暗纹1级明纹级明纹0级明纹级明纹-1级明纹级明纹2级明纹级明纹-2级明纹级明纹C1r2rrS2S1 二、菲涅尔双面镜二、菲涅尔双面镜SM1M2rsin2 rd cosrLDL可以证明：可以证明：DxndM1 M2为夹角为为夹角为 平面反射镜平面反射镜S1S2dD1r2rrXOPCxXI-1级暗纹级暗纹2级暗纹级暗纹1级暗纹级暗纹-2级暗纹级暗纹1级明纹级明纹0级明纹级明纹-1级明纹级明纹2级明纹级明

24、纹-2级明纹级明纹 讨论：讨论：实际上，严格的单色光源是没实际上，严格的单色光源是没有的，总有一定的波长范围。有的，总有一定的波长范围。干涉级高的干涉级高的条纹重叠条纹重叠II0/2I01211谱线宽度谱线宽度DxndIX高高干干涉涉级级的的条条纹纹看看不不清清了了S1S2EF平面反射镜平面反射镜 三、洛埃镜实验三、洛埃镜实验S1S2ABEF平面反射镜平面反射镜此处总为暗纹，此处总为暗纹，说明反射光产生说明反射光产生了半波损失！了半波损失！k2Dxd2/) 12(k（明纹）（明纹）（暗纹）（暗纹） 什么条件下发生反射光半波损失什么条件下发生反射光半波损失?特例：光是正入射（特例：光是正入射（i

25、=0），）， 或掠入射（或掠入射（i=90o）n1 当光从光疏媒质进入光密媒质时（从折射当光从光疏媒质进入光密媒质时（从折射 率小的媒质进入折射率大的媒质），反射光有率小的媒质进入折射率大的媒质），反射光有 半波损失半波损失”。n2n1n2正入射正入射掠入射掠入射n1 n2n1 n2结论：结论： 当发生半波反射时，在反射点的振动有当发生半波反射时，在反射点的振动有 相位相位 的突变。的突变。 例：双缝干涉中，入射光波长为例：双缝干涉中，入射光波长为 ，双缝至屏，双缝至屏的距离的距离为为D D，在一个缝后放一厚为，在一个缝后放一厚为b b的透明薄膜，的透明薄膜，此时中央此时中央明纹处仍为一明纹，求该明纹的干涉级明纹处仍为一明纹，求该明纹的干涉级. .S1S2dDXOdDbndDbndDkx)1()()1()()1(nkbnb Px1r2rnbO解：解：bn)1(bn)1(k