第18章 光的干涉.ppt
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1、第第18章章 光的干涉光的干涉光学是研究光学是研究光的传播光的传播以及以及它和物质相互作用它和物质相互作用问题的学科。问题的学科。光学通常分为以下三个部分:光学通常分为以下三个部分:几何光学:几何光学:以光的直线传播规律为基础,以光的直线传播规律为基础,主要主要研究研究各种成象光学仪器的理论。各种成象光学仪器的理论。波动光学:波动光学:研究光的电磁性质和传播规律,研究光的电磁性质和传播规律,特别是特别是干涉、衍射、偏振的理论和应用。干涉、衍射、偏振的理论和应用。量子光学:量子光学:以以光光的的量量子子理理论论为为基基础础,研研究究光光与与物物质质相互作用的规律。相互作用的规律。光光 学学光是一
2、种电磁波光是一种电磁波平面简谐波波动方程:平面简谐波波动方程:(x轴轴正向正向传播传播)相距相距两质点的两质点的相位差相位差:波动复习波动复习光从波疏介质光从波疏介质波密介质时,波密介质时,入射波在界面处反射时位相发生突变的现象。入射波在界面处反射时位相发生突变的现象。半波损失:半波损失:当两相干波源为当两相干波源为同相波源同相波源时时1=2,上述条件写为:,上述条件写为:干涉加强干涉加强干涉加强干涉加强干涉减弱干涉减弱干涉减弱干涉减弱干涉加强干涉加强干涉减弱干涉减弱称称 为为波波程程差差干涉加强、减弱的条件:干涉加强、减弱的条件:波的干涉波的干涉:真空中的光速真空中的光速可见光的范围可见光的
3、范围相应光色:相应光色:相应光色:相应光色:紫紫紫紫、蓝蓝蓝蓝、青青青青、绿绿绿绿、黄黄黄黄、橙橙橙橙、红、红、红、红单色光单色光单色光单色光 具有单一频率的光具有单一频率的光复色光复色光复色光复色光 由各种频率组成的光由各种频率组成的光 波动光学中,在同一介质中光强为:波动光学中,在同一介质中光强为:第第第第1818章章章章 光光光光 的的的的 干干干干 涉涉涉涉 一一.光源光源-能发射光波的物体能发射光波的物体普通光源的发光机制普通光源的发光机制原子能级及发光跃迁原子能级及发光跃迁基态基态激激发发态态跃迁跃迁自发辐射自发辐射(不同原子发的光不同原子发的光)独立独立独立独立(同一原子先后发的
4、光同一原子先后发的光)原子发光是断续的,每次原子发光是断续的,每次发光形成一长度有限的波列发光形成一长度有限的波列,各原子各次发光相互独立,各原子各次发光相互独立,各波列互不相干各波列互不相干.18-1 光源光源 相干光相干光 光程光程1.不同原子发的光不是相干光不同原子发的光不是相干光 2.同一原子先后发的光不是相干光同一原子先后发的光不是相干光结论结论:分波阵面方法分波阵面方法分振幅的方法分振幅的方法二、获得相干光的途径(方法)二、获得相干光的途径(方法)pS*分波面法分波面法分振幅法分振幅法p薄膜薄膜S S*从同一波阵面上的不同部分产生相干波从同一波阵面上的不同部分产生相干波.利用光的反
5、射和折射将同一光束分利用光的反射和折射将同一光束分割成振幅较小的两束相干光割成振幅较小的两束相干光.三三.光程、光程差光程、光程差rababnrn n介质介质 n媒质中波长媒质中波长光程光程:L=nr 真空中波长真空中波长介质中介质中传播路程传播路程 r 引起的相位差引起的相位差光光在在介介质质中中传传播播路路程程 r和和在在真真空空中中传传播播路路程程 nr 引引起的相位差相同。起的相位差相同。真空中真空中n1n2nmr1r2rm 光程差光程差:=n2r2 n1r1求求P点处两列光波的相位差。点处两列光波的相位差。S1S2r1r2dnp解解:相位差和光程差的关系:相位差和光程差的关系:光程光
6、程 L=(ni ri)*P*例:例:1、实验装置、实验装置k=+1k=-2k=+2k=0k=-1I一、杨氏双缝实验一、杨氏双缝实验*12SSS*18-2 杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉2、杨氏干涉条纹、杨氏干涉条纹(Dd)光程差:光程差:干涉加强、明纹位置干涉加强、明纹位置干涉减弱、暗纹位置干涉减弱、暗纹位置当当 时时相位差:相位差:干涉加强干涉加强干涉减弱干涉减弱则:则:明暗明暗条纹的位置条纹的位置暗纹暗纹明纹明纹3.干涉条纹特点干涉条纹特点:(1)明纹:明纹:k=0,x0=0 -零级明纹出现在屏中心零级明纹出现在屏中心;且只有一条。且只有一条。一级明纹有两条,一级明纹有两条,对称分布于屏中央两侧
7、对称分布于屏中央两侧(2)暗纹:暗纹:除零级明纹外,其余各级明纹都有两条,且对称分布。除零级明纹外,其余各级明纹都有两条,且对称分布。各级暗纹都有两条,且对称分布。各级暗纹都有两条,且对称分布。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点两侧点两侧方法一:方法一:方法二:方法二:(5)D,d一定时,由条纹间距可算出单色光的波长一定时,由条纹间距可算出单色光的波长相邻明条纹和相邻暗条纹等间距,与干涉级相邻明条纹和相邻暗条纹等间距,与干涉级 k 无关;无关;(4)若用复色光源,则干涉条纹是彩色的。若用复色光源,则干涉条纹是彩色的。(3)两两相邻明(或暗)条纹间的距离称为相邻明(或暗
8、)条纹间的距离称为条纹间距条纹间距。条纹间距条纹间距 D2)条纹间距条纹间距 与与 的关系如何?的关系如何?一定时,一定时,一定时,若一定时,若 变化,则变化,则 将怎样变化?将怎样变化?1)例例1 以单色光照射到相距为以单色光照射到相距为0.2mm的双缝上的双缝上,双缝与双缝与屏幕的垂直距离为屏幕的垂直距离为1m.(1)从第一级明从第一级明 纹纹 到同侧到同侧 的第四级明的第四级明 纹的距离为纹的距离为7.5mm,求单色光的波长求单色光的波长;(2)若入射光的波长为若入射光的波长为600nm,求相邻两明纹间的距离求相邻两明纹间的距离.解解 (1)(2)(1)原来的零级条纹向何处移?原来的零级
9、条纹向何处移?(2)若移至原来的第)若移至原来的第 k 级明条纹处,其厚度级明条纹处,其厚度 e 为多少?为多少?例例2.已知:已知:S1 缝上覆盖的介质厚缝上覆盖的介质厚度为度为 e,折射率为,折射率为 n,设入射光,设入射光的波长为的波长为。问:问:解:解:从从S1和和S2发出的相干光发出的相干光所对应的光程差所对应的光程差当光程差为零时,对应零当光程差为零时,对应零条纹的位置条纹的位置.所以零级明条纹上移所以零级明条纹上移原来原来 k 级明条纹位置满足:级明条纹位置满足:设有介质时零级明条纹移到设有介质时零级明条纹移到原来第原来第 k 级处,它必须同时级处,它必须同时满足:满足:则零条纹
10、的处应满足:则零条纹的处应满足:例例.在双缝干涉实验中,波长在双缝干涉实验中,波长=5500 的单色平行光垂的单色平行光垂直入射到缝间距直入射到缝间距a=210-4m 的双缝上,屏到双缝的距的双缝上,屏到双缝的距离离 D=2m 求:求:(1)中央明纹两侧的两条第中央明纹两侧的两条第 10 级明纹中心的间距级明纹中心的间距;(2)用一厚度为用一厚度为 e=6.6 10-6-6m、折射率为、折射率为 n=1.58 的玻的玻璃片覆盖一缝后璃片覆盖一缝后,零级明纹将移到原来的第几级明纹处零级明纹将移到原来的第几级明纹处?解解:(1)(2)覆盖玻璃后覆盖玻璃后,零级明纹应满足零级明纹应满足:设不盖玻璃片
11、时设不盖玻璃片时,此点为第此点为第k级明纹,则应有级明纹,则应有所以所以零级明纹移到原第零级明纹移到原第 7 级明纹处级明纹处.例例.在双缝干涉实验中,若单色光源在双缝干涉实验中,若单色光源 S 到两缝到两缝 S1S2 距离距离相等,则观察屏上中央明条纹位于图中相等,则观察屏上中央明条纹位于图中 O 处,现将光处,现将光源源 S 向下移动到示意图中的向下移动到示意图中的 S 位置,则:位置,则:(A)中央明条纹也向下移动,且条)中央明条纹也向下移动,且条纹间距不变纹间距不变;(B)中央明条纹向上移动,且条纹)中央明条纹向上移动,且条纹间距增大间距增大;(C)中央明条纹向下移动,且条纹)中央明条
12、纹向下移动,且条纹间距增大间距增大;(D)中央明条纹向上移动,且条纹)中央明条纹向上移动,且条纹间距不变间距不变。D P二、二、二、二、分波面干涉的其它一些实验分波面干涉的其它一些实验分波面干涉的其它一些实验分波面干涉的其它一些实验1.菲涅耳双面镜实验(双镜):菲涅耳双面镜实验(双镜):实验装置实验装置:PML2.2.劳埃镜实验劳埃镜实验劳埃镜实验劳埃镜实验当屏幕当屏幕 P 移至移至 P 处,从处,从 S1 和和 S2 到到 L 点的光程差为零,点的光程差为零,但是观察到暗条纹,但是观察到暗条纹,验证了反射时有半波损失存在。验证了反射时有半波损失存在。光从光疏介质射向光密介质界面时,在反射过程
13、中产光从光疏介质射向光密介质界面时,在反射过程中产生生“半波损失半波损失”。1、普通光源发光的特点、普通光源发光的特点2、相干光的条件、相干光的条件每个分子或原子的发光具有间歇性及随机性,每次每个分子或原子的发光具有间歇性及随机性,每次发出的波列有一定的长度,各个分子或原子的发光发出的波列有一定的长度,各个分子或原子的发光是各自独立的,各波列互不相干。是各自独立的,各波列互不相干。两束光的频率相同两束光的频率相同振动方向相同振动方向相同相位相同或相位差恒定相位相同或相位差恒定3 3、相干光的获得、相干光的获得、相干光的获得、相干光的获得分振幅法分振幅法分波阵面法分波阵面法小结复习小结复习5、杨
14、氏双缝干涉的基本公式、杨氏双缝干涉的基本公式光程差光程差 d sin 条纹宽度条纹宽度(条纹间距条纹间距)x=D/d4、光程与光程差、光程与光程差相位差和光程差的关系:相位差和光程差的关系:8.如如图图所所示示,用用波波长长 的的单单色色光光照照射射双双缝缝干干涉涉实实验验装装置置,若若将将一一折折射射率率为为n、劈劈角角为为 (很很小小)的的透透明明劈劈尖尖b插插入入光光线线2中中,设设缝缝光光源源S和和屏屏C上上的的O点点都都在在双双缝缝S1 和和S2的的中中垂垂线线上上。则则当当劈劈尖尖b缓缓慢慢地地向向上上移移动动时时(只只遮遮住住S2),屏屏 上上 的的 干干 涉涉 条条 纹纹 将将
15、(A)间隔变大,向下移动。间隔变大,向下移动。(B)间隔变小,向上移动。间隔变小,向上移动。(C)间隔不变,向下移动。间隔不变,向下移动。(D)间隔不变,向上移动。间隔不变,向上移动。选选(C)S1CSOS2b12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?问题问题A、B、C 的位相相同,在的位相相同,在F点会聚,互相加强点会聚,互相加强A、B、C 各点到各点到F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在透镜在透镜中经过的路程比中经过的路程比AaF长,透镜折射率大于长,透镜折射
16、率大于1,折算成光程,折算成光程,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。透镜不引起附加光程差透镜不引起附加光程差透镜不引起附加光程差透镜不引起附加光程差物物点点到到象象点点(亮亮点点)各各光光线线之之间间的光程差为零。的光程差为零。S acbSFacbABCF acbABCF在干涉和衍射装置中经常要用到透镜,在干涉和衍射装置中经常要用到透镜,光线经过透镜后并不附加光程差。光线经过透镜后并不附加光程差。AF,BF,CF,各各光线等光程。光线等光程。或或 AF,BF,CF PLDC34A1B2
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- 第18章 光的干涉 18 干涉
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