第19章 光的干涉PPT讲稿.ppt
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1、第19章 光的干涉第1页,共72页,编辑于2022年,星期一 几何光学认为,可将光波按波线划分为细束即光线,光波几何光学认为,可将光波按波线划分为细束即光线,光波可看成是一系列光线的组合,每条光线独立地遵循几何光学的可看成是一系列光线的组合,每条光线独立地遵循几何光学的基本定律基本定律.1.光的直线传播定律;光的直线传播定律;3.光路的可逆性原理:在光线的方向逆返时,光将沿同一光路的可逆性原理:在光线的方向逆返时,光将沿同一路径向相反方向传播路径向相反方向传播.4.费马原理:两点间光线的实际路径,取费马原理:两点间光线的实际路径,取最短时间经过的那些路径或光程为极值的最短时间经过的那些路径或光
2、程为极值的那些路径那些路径.2.光光的反射定律、的反射定律、折射定律、用几何的方法来讨论光学具有简洁明快的优点,但它没有用几何的方法来讨论光学具有简洁明快的优点,但它没有涉及光的波动性,因此也具有很大的局限性涉及光的波动性,因此也具有很大的局限性.*几何光学简介几何光学简介 几何光学的方法几何光学的方法QQQ、Q是是一对理想共轭点一对理想共轭点第2页,共72页,编辑于2022年,星期一*1864年,麦克斯韦提出光是电磁波年,麦克斯韦提出光是电磁波.*十九世纪初杨氏干涉实验十九世纪初杨氏干涉实验证明了证明了光的波动说光的波动说.SS1S2xEH第3页,共72页,编辑于2022年,星期一光:光:一
3、种一种电磁波电磁波,服从波的叠加原理,产生干,服从波的叠加原理,产生干涉和衍射。涉和衍射。可以用平面简谐波函数可以用平面简谐波函数来表示,它代表了一系列无限延续的平面来表示,它代表了一系列无限延续的平面色光波。色光波。光的干涉:光的干涉:满足一定条件的两束光叠加时,在叠加区满足一定条件的两束光叠加时,在叠加区域光的强度或明或暗,有一稳定分布。这域光的强度或明或暗,有一稳定分布。这种现象称为光的干涉,它是波动的特征。种现象称为光的干涉,它是波动的特征。第4页,共72页,编辑于2022年,星期一19.1 杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉一一.杨氏双缝实验杨氏双缝实验 托马斯托马斯 杨杨 S1S2S*第5页
4、,共72页,编辑于2022年,星期一pr1 r2 xx0 xIxxDdod,D d (d 10-4m,D m)光路原理图:光路原理图:1.1.1.1.杨氏双缝实验杨氏双缝实验杨氏双缝实验杨氏双缝实验的干涉原理的干涉原理的干涉原理的干涉原理第6页,共72页,编辑于2022年,星期一明纹中心明纹中心暗纹中心暗纹中心 两相邻明纹(或暗纹)间距两相邻明纹(或暗纹)间距干涉相长,明纹干涉相长,明纹干涉相消,暗纹干涉相消,暗纹2.2.干涉明暗条纹的位置干涉明暗条纹的位置第7页,共72页,编辑于2022年,星期一(1)明暗相间的条纹对称分布于中心明暗相间的条纹对称分布于中心O点两侧。点两侧。干涉条纹特点干涉
5、条纹特点:(2)相邻条纹等间距,与入射光的波长成正比。相邻条纹等间距,与入射光的波长成正比。若用复色光若用复色光源,除源,除k=o外干外干涉条纹是彩色涉条纹是彩色的的第8页,共72页,编辑于2022年,星期一选题目的:讨论影响双缝干涉条纹分布的因素。选题目的:讨论影响双缝干涉条纹分布的因素。若若D、d 已定,只有已定,只有,条纹间距,条纹间距 变宽。变宽。若若 已定,只有已定,只有D、d(仍然满足(仍然满足d ),条纹间距,条纹间距 变宽。变宽。两相邻明纹(或暗纹)间距两相邻明纹(或暗纹)间距()()如何使屏上的干涉条纹间距变宽?如何使屏上的干涉条纹间距变宽?第9页,共72页,编辑于2022年
6、,星期一 两条缝的宽度不等,使两光束的强度不等;虽然干涉条纹两条缝的宽度不等,使两光束的强度不等;虽然干涉条纹中心距不变,但原极小处的强度不再为零,条纹的可见度变中心距不变,但原极小处的强度不再为零,条纹的可见度变差。差。Io 2-2 4-4 4I1现:可见度差现:可见度差原:可见度好原:可见度好振幅比振幅比 决定可见度的因素:决定可见度的因素:光源的宽度光源的宽度光源的单色性光源的单色性IImaxImino 2-2 4-4()()若若S1、S2两条缝的宽度不等,条纹有何变化?两条缝的宽度不等,条纹有何变化?P247例题例题19.1第10页,共72页,编辑于2022年,星期一例:例:杨氏双缝的
7、间距为杨氏双缝的间距为0.2mm,距离屏幕为,距离屏幕为1m。(1)若第一到第四明纹距离为)若第一到第四明纹距离为7.5mm,求入射光波长。,求入射光波长。(2)若入射光的波长为)若入射光的波长为6000A,求相邻两明纹的间距。,求相邻两明纹的间距。第11页,共72页,编辑于2022年,星期一例例例例:用白光作双缝干涉实验时,能观察到几级清晰可辨用白光作双缝干涉实验时,能观察到几级清晰可辨的彩色光谱?的彩色光谱?解解:用白光照射时,除中央明纹为白光外,两侧形成内用白光照射时,除中央明纹为白光外,两侧形成内紫外红的对称彩色光谱紫外红的对称彩色光谱.当当k k级红色明纹位置级红色明纹位置x xk
8、k红红大于大于k+1k+1级紫级紫色明纹位置色明纹位置x x(k+1)(k+1)紫紫时,光谱就发生重叠。据前述内容有时,光谱就发生重叠。据前述内容有 将将 红红=7600,紫紫=4000代入得代入得 k1.1 因为因为 k只能取整数,所以应取只能取整数,所以应取 k=1在中央白色明纹两侧,只有第一级彩色光谱是可辨的。在中央白色明纹两侧,只有第一级彩色光谱是可辨的。第12页,共72页,编辑于2022年,星期一例:例:如图杨氏双缝干涉实验中,当如图杨氏双缝干涉实验中,当S离开中心轴线向下移时,离开中心轴线向下移时,纹移怎么变?(提示:看零级条纹怎么移)纹移怎么变?(提示:看零级条纹怎么移)解:解:
9、0D(若(若已知可求出零级亮纹的位置)已知可求出零级亮纹的位置)x(/d)第13页,共72页,编辑于2022年,星期一19.2 相干光相干光一、相干条件一、相干条件只有满足一定条件的两列波叠加才能发生干涉只有满足一定条件的两列波叠加才能发生干涉现象。现象。相干条件:相干条件:要要产产生生干干涉涉现现象象,两两列列波波必必须须是是振振动动方方向向相相同同,频频率率相相同同,相相位位差差恒恒定定。这这些些要要求求叫叫做做相相干条件。干条件。满足这些相干条件的波叫相干波。满足这些相干条件的波叫相干波。第14页,共72页,编辑于2022年,星期一普通光源发光的两个特点:普通光源发光的两个特点:每个原子
10、发光是断断续续的,平均发光时间每个原子发光是断断续续的,平均发光时间 t约约为为10-8秒,所发出的是一段长为秒,所发出的是一段长为 L=c t 的光波列。的光波列。间歇性:间歇性:各粒子每次发光彼此互不相关,所发出各波各粒子每次发光彼此互不相关,所发出各波列的振动方向和振动初位相都不相同。列的振动方向和振动初位相都不相同。随机性:随机性:结论结论:只有从同一光源的同一部分发出的光,通过某些装置只有从同一光源的同一部分发出的光,通过某些装置进行分束后,才能获得符合相干条件的相干光。进行分束后,才能获得符合相干条件的相干光。第15页,共72页,编辑于2022年,星期一*两个独立光源的光的叠加两个
11、独立光源的光的叠加s1s2=I1I2I+两束光两束光不相干不相干 非相干光源非相干光源 I=I 1 +I 2 非相干叠加非相干叠加 第16页,共72页,编辑于2022年,星期一二、获得相干光波的方法二、获得相干光波的方法分波阵面法:分波阵面法:分振幅法:分振幅法:分振动面法:分振动面法:杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉薄膜干涉薄膜干涉迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪激光:从激光束中任意两点引出的光都是相干的激光:从激光束中任意两点引出的光都是相干的pS*p薄膜薄膜S S*第17页,共72页,编辑于2022年,星期一光源的光源的相干长度相干长度可以用下述原子发光的机理来说明可以用下述原子发光的机理来说明。光
12、光程程差差小小于于波波列列长长度度,同一波列相干叠加同一波列相干叠加光程差大于波列长度,同一光程差大于波列长度,同一波列不能相遇波列不能相遇第18页,共72页,编辑于2022年,星期一ABCM1M2s点光源点光源三三三三.菲涅耳双面镜干涉实验菲涅耳双面镜干涉实验菲涅耳双面镜干涉实验菲涅耳双面镜干涉实验屏屏平面镜平面镜第19页,共72页,编辑于2022年,星期一ABCM1M2s点光源点光源屏屏s1s2虚光源平面镜平面镜三三三三.菲涅耳双面镜干涉实验菲涅耳双面镜干涉实验菲涅耳双面镜干涉实验菲涅耳双面镜干涉实验第20页,共72页,编辑于2022年,星期一ABCM1M2s点光源点光源11屏屏s1s2三
13、三三三.菲涅耳双面镜干涉实验菲涅耳双面镜干涉实验菲涅耳双面镜干涉实验菲涅耳双面镜干涉实验第21页,共72页,编辑于2022年,星期一ABCM1M2s点光源点光源22屏屏s1s2三三三三.菲涅耳双面镜干涉实验菲涅耳双面镜干涉实验菲涅耳双面镜干涉实验菲涅耳双面镜干涉实验第22页,共72页,编辑于2022年,星期一ABCM1M2s点光源点光源1122屏屏s1s2三三三三.菲涅耳双面镜干涉实验菲涅耳双面镜干涉实验菲涅耳双面镜干涉实验菲涅耳双面镜干涉实验第23页,共72页,编辑于2022年,星期一ABCM1M2s点光源点光源1122屏屏s1s2三三三三.菲涅耳双面镜干涉实验菲涅耳双面镜干涉实验菲涅耳双面
14、镜干涉实验菲涅耳双面镜干涉实验第24页,共72页,编辑于2022年,星期一ABCM1M2s点光源点光源1122屏屏s1s2rlD三三三三.菲涅耳双面镜干涉实验菲涅耳双面镜干涉实验菲涅耳双面镜干涉实验菲涅耳双面镜干涉实验第25页,共72页,编辑于2022年,星期一MAB屏屏P问题:问题:四四四四.洛埃德镜实验洛埃德镜实验洛埃德镜实验洛埃德镜实验.BAs1s2虚光源反射镜点光源 当屏移到当屏移到 位置时,在屏上的位置时,在屏上的P 点应该出点应该出现暗条纹还是明条纹?现暗条纹还是明条纹?第26页,共72页,编辑于2022年,星期一MABBA屏屏P.s1s2 四四四四.洛埃德镜实验洛埃德镜实验洛埃德
15、镜实验洛埃德镜实验当屏移到当屏移到 位置时,在屏上的位置时,在屏上的P 点出现暗条纹。点出现暗条纹。这一结论证实,光在镜子表面反射时有相位这一结论证实,光在镜子表面反射时有相位 突变。突变。第27页,共72页,编辑于2022年,星期一媒质媒质1 光疏媒质光疏媒质媒质媒质2 光密媒质光密媒质n1n2折射波折射波反射波反射波入射波入射波 光在垂直入射(光在垂直入射(i=0)或者掠入射()或者掠入射(i=90)的)的情况情况下,如果光是从光疏媒质传向光密媒质,在其分界面下,如果光是从光疏媒质传向光密媒质,在其分界面上反射时将发生半波损失。上反射时将发生半波损失。折射波无半波损失。折射波无半波损失。半
16、波损失半波损失若若 n1 n2第28页,共72页,编辑于2022年,星期一发生附加光程差的条件:发生附加光程差的条件:n3n1n212n1 n3 或或 n1 n2 n3反射光的相位突变和附加光程差反射光的相位突变和附加光程差反射光的相位突变和附加光程差反射光的相位突变和附加光程差 反射光有反射光有 相位突变,称相位突变,称半波损失,半波损失,它相当于一个附加光程差:它相当于一个附加光程差:第29页,共72页,编辑于2022年,星期一明暗*.在水中在水中xDSS12rr12dP 例题例题例题例题.已知已知 S2 缝上覆盖的介质厚度为缝上覆盖的介质厚度为 h,折,折射率为射率为 n,设入射光的波长
17、为,设入射光的波长为。问:原来问:原来的零级条纹移至何处?若移至原来的第的零级条纹移至何处?若移至原来的第 k 级级明条纹处,其厚度明条纹处,其厚度 h 为多少?为多少?h n n0=1第30页,共72页,编辑于2022年,星期一19.3 光程光程波长为波长为 的光在在折射率为的光在在折射率为n的介质中传播了的介质中传播了r 的路程,其相的路程,其相位变化:位变化:真空中光波长 一一.光光 程程介质中光波长 定义光传播的定义光传播的路程与所在介质路程与所在介质折射率的乘积为折射率的乘积为光程光程:第31页,共72页,编辑于2022年,星期一在多种介质中,一般地表示为:在多种介质中,一般地表示为
18、:n1r1n2r2nmrm 光程的意义:光程的意义:光程是光在媒质中通过的路程折合到同一光程是光在媒质中通过的路程折合到同一时间内在真空中通过的相应路程。时间内在真空中通过的相应路程。引入引入 光光程程可以简化复杂情况的定量讨论可以简化复杂情况的定量讨论第32页,共72页,编辑于2022年,星期一光程差光程差:相位差:相位差:二二.光程差光程差说明说明*两束光的起点必须是同相位的;两束光的起点必须是同相位的;*引入光程差的概念后讨引入光程差的概念后讨 论明论明暗纹条件更为暗纹条件更为直接:直接:*计算光程差还必须计算光程差还必须考虑考虑半波损失半波损失的因素的因素.明明暗暗考虑半波损失后:考虑
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