光的干涉1.ppt

光的波動性 干涉現(xiàn)象衍射現(xiàn)象 光波的特點 波長短3900 7800 速度高光源在原子內(nèi)部 波動光學 以光的波動性為基礎 研究光的傳播及其規(guī)律 第3章光的干涉豐富多彩的干涉現(xiàn)象 水膜在白光下 白光下的肥皂膜 蟬翅在陽光下 蜻蜓翅膀在陽光下 白光下的油膜 肥皂泡玩過嗎 等傾條紋 牛頓環(huán) 等厚條紋 測油膜厚度 平晶間空氣隙干涉條紋 第3章光的干涉 1光的相干性 2分波面法雙光束干涉 3光程和光程差 4分振幅法雙光束干涉 5干涉儀 6 影響條紋對比度的幾個因素 基本要求 一 了解普通光源發(fā)光的特點 理解獲得相干光的方法 二 掌握光程的概念以及光程差和相位差的關系 三 掌握楊氏雙縫干涉的基本裝置及干涉條紋位置的計算 四 掌握薄膜等厚干涉的基本裝置 平面平行膜 劈尖 牛頓環(huán)等 了解產(chǎn)生 半波損失 的條件 能分析確定干涉條紋的位置 五 了解麥克爾遜干涉儀的工作原理及應用 1光的相干性 一 光源 能發(fā)射光波的物體 光源的最基本發(fā)光單元是分子 原子 E2 E1 h E1 E2 能級躍遷輻射 波列長L c 可見光的頻率范圍 7 5 1014 3 9 1014Hz 真空中的波長范圍 400 760nm 相應光色 紫 藍 綠 黃 橙 紅 單色光 具有單一頻率的光 復色光 由各種頻率組成的光 光波是電磁波 E稱為光矢量 E矢量的振動稱為光振動 光波中與物質(zhì)相互作用 感光作用 生理作用 的是E矢量 平面簡諧電磁波 光強 平均能流密度 用I表示 波動光學中主要討論的是相對光強 因此在同一介質(zhì)中直接把光強定義為 1 普通光源 自發(fā)輻射 發(fā)光的隨機性 發(fā)光的間歇性 熱光源 結(jié)論 兩個獨立的光源不可能成為一對相干光源 一個光源的不同部分也不是相干光源 原因 原子發(fā)光是隨機的 間歇性的 兩列光波的振動方向不可能一致 相位差不可能恒定 2 特殊光源 激光光源普通光源發(fā)光 自發(fā)輻射 隨機 間歇 激光光源發(fā)光 受激輻射 光放大發(fā)出光的頻率相位振動方向全相同 激光的相干性比普通光源要好得多 同一塊面積上的點源相干 相干面積 E2 E1 h 2 相干條件 1 頻率相同 2 振動方向相同 3 相位差恒定 二 光的相干性 1 光的干涉現(xiàn)象 將光源上一個發(fā)光點的光分成兩束 各經(jīng)歷不同的路徑再會合迭加 可滿足相干條件產(chǎn)生干涉 3 相干光源 滿足相干條件的光源 補充條件 1 振幅相差不懸殊 2 光程差不能太大 1 分波陣面方法 三 相干光的獲得 同一波陣面上的不同部分產(chǎn)生次級波相干 利用光的反射和折射將同一光束分割成振幅較小的兩束相干光 2 分振幅的方法 3 激光光源 受激輻射 頻率 相位 振動方向完全一樣 激光可做相干光源 2分波面法雙光束干涉 一 楊氏雙縫二 其他類似裝置 干涉主要包含以下幾個主要問題實驗裝置確定相干光束求出相位差 光程差 分析干涉花樣給出強度分布應用及其它 楊 T Young 在1801年首先發(fā)現(xiàn)光的干涉現(xiàn)象 并首次測量了光波的波長 ThomasYoung 1773 1829 英國物理學家 考古學家 醫(yī)生 光的波動說奠基人之一 分波陣面法產(chǎn)生的干涉 1 實驗裝置 一 楊氏雙縫實驗 觀察屏 確定相干光束計算相位差 光程差 根據(jù)相長相消條件確定坐標 2 楊氏雙縫干涉條紋 波程差 相應明紋位置 干涉加強 干涉減弱 相應暗紋位置 V3 21 2 21 4 21 6 21 7 3 條紋特點 2 明 暗相間的條紋對稱分布于中央明紋兩側(cè) 3 相鄰明 或暗 條紋等間距 與干涉級次k無關 1 干涉條紋是平行于狹縫方向的明暗相間的條紋 相鄰兩明 或暗 條紋間的距離稱為條紋間距 3 相鄰明 或暗 條紋等間距 與干涉級次k無關 明紋位置 暗紋位置 21 8 4 條紋位置 其余情況不變時 條紋向中央聚攏 變得密集 條紋向兩邊分散 變得稀疏 明紋位置 暗紋位置 條紋間距 條紋間距 便于觀察 其余情況不變時 即屏越遠越易于觀察 V3 V3 其余情況不變時 紅光條紋間距最大 紫光條紋間距最小 V3 若用白光照射雙縫 屏上中央明紋仍為白色 兩側(cè)對稱分布各級紫內(nèi)紅外的彩色條紋 更高級次的彩色條紋可能會發(fā)生重疊 白光入射的楊氏雙縫干涉照片 紅光入射的楊氏雙縫干涉照片 您能判斷0級條紋在哪嗎 光的干涉條紋強度分布公式 楊氏干涉中 條紋最亮 0 條紋最暗 與前述一致 V3 4 光強分布 光強公式 若I1 I2 I0 則 光強曲線 洛埃鏡的干涉 M 或 二 其他類似裝置 勞埃鏡費涅耳雙面鏡費涅耳雙棱鏡 處理辦法 等效雙縫 思考 為什么光程差公式中出現(xiàn)了 洛埃鏡實驗 1實驗裝置 平板玻璃M下表面涂黑 光源S1向M掠入射 2分析 實驗結(jié)果的分析方法與前面相似 但是 觀察屏的下半部分沒有條紋 它驗證了光波由光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)時 在分界面上反射的光存在有半波損失這一事實 實驗內(nèi)容如下 當屏幕E移至處 即E與M邊緣接觸 則波程差為 滿足明紋條件 L處為明紋 但實驗結(jié)果是暗紋 表明反射光有 的位相突變 驗證了半波損失 V3 V3 光從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)界面時 在反射過程中產(chǎn)生 的位相躍變 即 半波損失 結(jié)論 因此對兩相干光中有一支存在半波損失的情形應有 M1 M2 S 雙面鏡的干涉 1實驗裝置 虛光源S1 S2 S1S2平行于WW 菲涅耳雙面鏡實驗 平面鏡M1 M2 夾角 很小 2計算公式 明條紋中心的位置 屏幕上O點在兩個虛光源連線的垂直平分線上 屏幕上明暗條紋中心對O點的偏離x為 暗條紋中心的位置 D d S 雙棱鏡 雙棱鏡的干涉 楊氏雙縫花樣雙棱鏡花樣 勞埃鏡花樣 干涉現(xiàn)象的條紋分布決定于兩束相干光的相位差 兩相干光處于同一介質(zhì) 兩相干光處于不同介質(zhì) 3光程和光程差 兩光之間的幾何路程差 為便于解決兩相干光經(jīng)不同介質(zhì)后相遇迭加的位相差 引入光程的概念 一 光程和光程差 1 光程 光在真空中的傳播速度c 光在介質(zhì)中的傳播速度u 光在介質(zhì)中的波長 結(jié)論 光在介質(zhì)中的波長是真空中波長的倍 21 10 光在介質(zhì)中傳播幾何路程r后相位的變化為 兩同相相干光源的光到達相遇點的相位差是 不能用幾何路程差而必須用光程差計算相位差 光在某一介質(zhì)中所傳播的幾何路程r和該介質(zhì)的折射率n的乘積nr 光程 2 光程的意義 光在介質(zhì)中的光程 相同時間內(nèi)光在真空中走的幾何路程 結(jié)論 決定干涉強弱的是相位差或光程差而不是幾何路程差 光程 兩個同相的相干光源發(fā)出的相干光的干涉條紋明暗條件 光程差 相位差 3 光程差干涉條件 明紋 暗紋 由光程差確定 21 11 1 光程折射率與幾何路程的乘積等效真空路程 光程差 21 11 已知r1 r2 n l 相干光S1 S2初相相同 求 相干光S1 S2到達P點的光程差 和相位差 例如 1 光程差 2 相位差 A B C的相位相同 在F點會聚 互相加強 A B C各點到F點的光程相等 結(jié)論 薄透鏡不會引起各相干光之間的附加光程差 二 透鏡的等光程性 裝置1 裝置2 兩個裝置的得到的相干光線的光程差相同都等于 觀察結(jié)果與裝置1相同 用白光照射楊氏雙縫 雙縫間距為d 縫與屏距為D 試求 能觀察到的清晰可見光譜的級次 例1 講義P594例21 1 解 由明紋公式得重疊條件 只有1級完整的光譜 例題2 用薄云母片 n 1 58 覆蓋在楊氏雙縫的其中一條縫上 這時屏上的零級明紋移到原來的第七級明紋處 如果入射光波長為5500 問云母片的厚度為多少 講義P607習題21 9 解 原七級明紋P點處 插入云母后 P點為零級明紋 V3 解 P點明紋 干涉加強 為第三級 由已知可有 求 1 該單色光波長 1 2 若另一波長 2照射 發(fā)現(xiàn)第四級明紋正好與 1的第五級明紋重合 求 2 課堂練習 1 已知 解 1 由雙縫干涉條紋間距公式得 2 由雙縫干涉明紋公式得 2 楊氏雙縫的間距為0 2mm 距離屏幕為1m 1 若第一到第四明紋距離