(35)相干光和雙縫干涉ppt課件

1、波動光學(xué)波動光學(xué)（3535）相干光和雙縫干涉）相干光和雙縫干涉1一、光源、光的疊加、相干光一、光源、光的疊加、相干光利用化學(xué)能、電能或光能激發(fā)的稱為利用化學(xué)能、電能或光能激發(fā)的稱為冷光源，例如：磷光、輝光等冷光源，例如：磷光、輝光等光源光源普通光源普通光源熱光源熱光源利用熱能激發(fā)的光源稱為熱光源。例利用熱能激發(fā)的光源稱為熱光源。例如：火、太陽、白熾燈等；如：火、太陽、白熾燈等；激光光源激光光源1、光源的發(fā)光機理光源的發(fā)光機理不同光源的激發(fā)方式不同，其發(fā)光機理也不相同。不同光源的激發(fā)方式不同，其發(fā)光機理也不相同。波動光學(xué)波動光學(xué)（3535）相干光和雙縫干涉）相干光和雙縫干涉2hE 原子能級及發(fā)光

2、躍遷原子能級及發(fā)光躍遷基態(tài)基態(tài)激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)nE躍遷躍遷自發(fā)輻射自發(fā)輻射熱光源熱光源，大量的低能級原子、分子大量的低能級原子、分子（或離子）在熱能的激發(fā)下躍遷至（或離子）在熱能的激發(fā)下躍遷至高能級激發(fā)態(tài)。高能級激發(fā)態(tài)。 激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，原子在激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，原子在激發(fā)態(tài)上的平均壽命只有大約激發(fā)態(tài)上的平均壽命只有大約 10-10 s ，因此原子會自發(fā)地向低能級，因此原子會自發(fā)地向低能級或者是基態(tài)能級躍遷。或者是基態(tài)能級躍遷。 在躍遷過程中，每個原子將多余的能量以電磁波形式向外輻射，如果輻射頻率處在躍遷過程中，每個原子將多余的能量以電磁波形式向外輻射，如果輻射頻率處在可見光波段，就稱之為在可見光

3、波段，就稱之為“發(fā)光發(fā)光”。波動光學(xué)波動光學(xué)（3535）相干光和雙縫干涉）相干光和雙縫干涉3波動光學(xué)波動光學(xué)（3535）相干光和雙縫干涉）相干光和雙縫干涉4s1010:1082、普通光源發(fā)光特點、普通光源發(fā)光特點 原子發(fā)光的時間極短。因此每一束電原子發(fā)光的時間極短。因此每一束電磁波持續(xù)時間很短，在空間上形成有限磁波持續(xù)時間很短，在空間上形成有限長度的波列。長度的波列。波列波列波列長波列長L = c秒秒810 光源的最基本發(fā)光單元是分子、原子或離光源的最基本發(fā)光單元是分子、原子或離子，子，彼此獨立的，互不相關(guān)。各自相互獨立彼此獨立的，互不相關(guān)。各自相互獨立地發(fā)出一個個波列，它們的發(fā)射是偶然的，地

4、發(fā)出一個個波列，它們的發(fā)射是偶然的，彼此間沒有任何聯(lián)系。彼此間沒有任何聯(lián)系。 在同一時刻，各原子或分子所發(fā)出的在同一時刻，各原子或分子所發(fā)出的光，即使波長、頻率相同，相位和振動光，即使波長、頻率相同，相位和振動方向也不一定相同。方向也不一定相同。 發(fā)光具有隨機性發(fā)光具有隨機性4321n頻率不同頻率不同波動光學(xué)波動光學(xué)（3535）相干光和雙縫干涉）相干光和雙縫干涉5 發(fā)光具有間隙性發(fā)光具有間隙性 由于原子或分子的發(fā)光是間歇的，當(dāng)它們發(fā)出一個波列后，要間隔若干時間才由于原子或分子的發(fā)光是間歇的，當(dāng)它們發(fā)出一個波列后，要間隔若干時間才能再發(fā)出第二個波列。能再發(fā)出第二個波列。 所以，即使是同一個原子，

5、它先后所發(fā)出的波列的相位和振動方向也很難相所以，即使是同一個原子，它先后所發(fā)出的波列的相位和振動方向也很難相同。同。獨立獨立(不同原子發(fā)的光不同原子發(fā)的光)獨立獨立(同一原子先后發(fā)的光同一原子先后發(fā)的光) 我們通常所見到的光波，就是大量的電磁波列彼此迭加之后的結(jié)果。由此可我們通常所見到的光波，就是大量的電磁波列彼此迭加之后的結(jié)果。由此可見，普通光源所發(fā)出的光一般是復(fù)合光，具有不同的頻率成份。另外，光矢量沒見，普通光源所發(fā)出的光一般是復(fù)合光，具有不同的頻率成份。另外，光矢量沒有確定的振動方向和確定的相位關(guān)系。有確定的振動方向和確定的相位關(guān)系。 波動光學(xué)波動光學(xué)（3535）相干光和雙縫干涉）相干光

6、和雙縫干涉6如圖，有兩盞鈉光燈，發(fā)出波長相同如圖，有兩盞鈉光燈，發(fā)出波長相同的光，照射到點的光，照射到點P，問能否產(chǎn)生干涉？，問能否產(chǎn)生干涉？為什么？為什么？2S1SPPBA思思 考考如果只用一盞鈉光燈，并用墨紙蓋住鈉如果只用一盞鈉光燈，并用墨紙蓋住鈉光燈的中部，使光燈的中部，使A、B兩部分的光同時照兩部分的光同時照射到點射到點P，問能否產(chǎn)生干涉？為什么？，問能否產(chǎn)生干涉？為什么？【答答】都不能產(chǎn)生干涉。都不能產(chǎn)生干涉。P21波動光學(xué)波動光學(xué)（3535）相干光和雙縫干涉）相干光和雙縫干涉73、光波的疊加光波的疊加頻率相同頻率相同光矢量方向相同光矢量方向相同兩束光兩束光在在 p 點相遇點相遇 對

7、于機械波，兩列振動方向相同的同頻率的簡諧波一定相干，但是用兩個獨對于機械波，兩列振動方向相同的同頻率的簡諧波一定相干，但是用兩個獨立的同頻率的單光源卻不一定能獲得光的干涉圖樣。立的同頻率的單光源卻不一定能獲得光的干涉圖樣。 1S2Sp1E2E1r2r考慮這兩個同頻率單色光在空間考慮這兩個同頻率單色光在空間 p 點的光矢量點的光矢量大小分別為大小分別為 11101cos ()rEEtu 22202cos ()rEEtu 222102010202cosEEEE E 則合成后則合成后 波動光學(xué)波動光學(xué)（3535）相干光和雙縫干涉）相干光和雙縫干涉8222102010202cosEEEE E 2121

8、2()rr cos22121IIIII合光強合光強注意：原子發(fā)光時間極短，人眼和感光儀器感受到的光強應(yīng)該是較長時注意：原子發(fā)光時間極短，人眼和感光儀器感受到的光強應(yīng)該是較長時間內(nèi)的平均值，即：間內(nèi)的平均值，即：121201(2cos)IIII Idt 1212012cosIII Idt 1、相干光相干光：初相差恒定，該項為恒量：初相差恒定，該項為恒量2、非相干光非相干光：初相差：初相差“瞬息萬變瞬息萬變”，該項為，該項為0波動光學(xué)波動光學(xué)（3535）相干光和雙縫干涉）相干光和雙縫干涉9cos22121IIIII相干光相干光1、相干光相干光：該項為恒量：該項為恒量2、非相干光非相干光：該項為：該

9、項為0非相干光非相干光 21III時，當(dāng)2010EE1212012cosIIII Idt 初相差初相差“瞬息萬變瞬息萬變”初相差恒定初相差恒定2k (21)k 干涉相長干涉相長干涉相消干涉相消04II0I 01cos0dt 等與兩光束單獨照射時的光強之和等與兩光束單獨照射時的光強之和波動光學(xué)波動光學(xué)（3535）相干光和雙縫干涉）相干光和雙縫干涉10滿足相干條件的光稱為相干光。滿足相干條件的光稱為相干光。產(chǎn)生相干光的光源稱為相干光源。產(chǎn)生相干光的光源稱為相干光源。4、相干光的產(chǎn)生相干光的產(chǎn)生光的相干條件光的相干條件光矢量的振動方向相同，光矢量的振動方向相同，頻率相同，初相差恒定。頻率相同，初相差

10、恒定。 利用普通光源獲得相干光的方法的基本原理是把由光源上同一點發(fā)出的光設(shè)利用普通光源獲得相干光的方法的基本原理是把由光源上同一點發(fā)出的光設(shè)法分成兩部分，然后再使這兩部分疊加起來。由于這兩部分光實際上來自同一點法分成兩部分，然后再使這兩部分疊加起來。由于這兩部分光實際上來自同一點光源，所以它們滿足相干條件，因而是相干光。光源，所以它們滿足相干條件，因而是相干光。 從普通光源的發(fā)光機制可知，來自兩個獨立光源的光是非相干光，而來自同一從普通光源的發(fā)光機制可知，來自兩個獨立光源的光是非相干光，而來自同一光源的兩個不同部分的光也不是相干光。光源的兩個不同部分的光也不是相干光。波動光學(xué)波動光學(xué)（3535

11、）相干光和雙縫干涉）相干光和雙縫干涉11制造相干光：制造相干光：波陣面分割法波陣面分割法*光源光源1s2s振幅分割法振幅分割法波動光學(xué)波動光學(xué)（3535）相干光和雙縫干涉）相干光和雙縫干涉12p1s2ssxoB實實 驗驗 裝裝 置置d1r2r二、楊氏雙縫干涉實驗二、楊氏雙縫干涉實驗DdD 例：例：d 大約大約0.2（mm），）， D 約為約為1m以上。以上。由由S1和和S2構(gòu)成一對相干光源。構(gòu)成一對相干光源。（分割波陣面法）（分割波陣面法）波動光學(xué)波動光學(xué)（3535）相干光和雙縫干涉）相干光和雙縫干涉13楊氏干涉楊氏干涉試驗介紹試驗介紹楊氏（楊氏（Thomas Young）(1773-1829

12、) 所作的演示光的所作的演示光的干涉效應(yīng)的實驗，第一次把光的波動學(xué)說建立在堅實干涉效應(yīng)的實驗，第一次把光的波動學(xué)說建立在堅實的實驗基礎(chǔ)上，楊氏根據(jù)他的實驗推算出光的波長，的實驗基礎(chǔ)上，楊氏根據(jù)他的實驗推算出光的波長，第一次測定了這個重要的物理量。第一次測定了這個重要的物理量。 波動光學(xué)波動光學(xué)（3535）相干光和雙縫干涉）相干光和雙縫干涉14p1s2ssxooB實實 驗驗 裝裝 置置d1r2rdD D雙雙縫縫干干涉涉2k) 12(k加強加強減弱減弱已已知知目目標標暗紋明紋？?xrx？2r相位差相位差波動光學(xué)波動光學(xué)（3535）相干光和雙縫干涉）相干光和雙縫干涉15p1s2ssxooB實實 驗驗

13、 裝裝 置置d1r2rdD Dxd楊氏雙縫干涉條紋公式楊氏雙縫干涉條紋公式Drsin12drrr波程差波程差Dxtansin波動光學(xué)波動光學(xué)（3535）相干光和雙縫干涉）相干光和雙縫干涉162) 12(k 減弱減弱kDxdr加強加強,2, 1 ,0kdDk2) 12(暗紋暗紋dDkdDk22x明紋明紋,2, 1 ,0kp1s2ssxooBd1r2rDr波動光學(xué)波動光學(xué)（3535）相干光和雙縫干涉）相干光和雙縫干涉17dDxxxkk1條紋分布：對稱、等間隔條紋分布：對稱、等間隔條紋間距：條紋間距：討論討論雙峰干涉條紋的特征雙峰干涉條紋的特征2) 12(kdD暗紋暗紋dDkx明紋明紋,2, 1 ,

14、0k波動光學(xué)波動光學(xué)（3535）相干光和雙縫干涉）相干光和雙縫干涉18 例、在雙縫干涉實驗中兩縫間距為例、在雙縫干涉實驗中兩縫間距為0.30mm,用單色光垂直照射雙縫用單色光垂直照射雙縫,在離縫在離縫1.20m的屏的屏上測得中央明紋一側(cè)第上測得中央明紋一側(cè)第5條暗紋與另一側(cè)第條暗紋與另一側(cè)第5條暗紋間的距離為條暗紋間的距離為22.78mm,問所用光的波長問所用光的波長為多少為多少?是什么顏色的光是什么顏色的光?212kdDx暗紋410278.223kmx且）（又nm8 .632解得為紅光為紅光解：解：波動光學(xué)波動光學(xué)（3535）相干光和雙縫干涉）相干光和雙縫干涉19例、在楊氏雙縫干涉中，若作如

15、下變動，屏幕上干涉條紋將如何變化？例、在楊氏雙縫干涉中，若作如下變動，屏幕上干涉條紋將如何變化？1 1）將雙縫（）將雙縫（S1S1和和S2S2）的間距）的間距 d d 增大；增大；2 2）將鈉光換成波長為）將鈉光換成波長為632.8nm632.8nm的氦氖激光（相當(dāng)于將波長變長了）的氦氖激光（相當(dāng)于將波長變長了）3 3）若用白光照射時，出現(xiàn)什么情況？）若用白光照射時，出現(xiàn)什么情況？4 4）將屏幕向雙縫屏靠近；）將屏幕向雙縫屏靠近；5 5）將整個裝置浸入水中；）將整個裝置浸入水中；6 6）在雙縫之一的后面放一折射率為）在雙縫之一的后面放一折射率為n n的透明薄膜時，條紋如何變化？的透明薄膜時，條

16、紋如何變化？波動光學(xué)波動光學(xué)（3535）相干光和雙縫干涉）相干光和雙縫干涉201） 條紋間距條紋間距 與與 的關(guān)系如何？的關(guān)系如何？xd 一定時，一定時，D、d 越大，條紋間距越小，條紋越密集，條紋越窄越大，條紋間距越小，條紋越密集，條紋越窄波動光學(xué)波動光學(xué)（3535）相干光和雙縫干涉）相干光和雙縫干涉21 一定時，若一定時，若 變化，則變化，則 將怎樣變化？將怎樣變化？Dd、x2）波長越大，條紋間距越大，條紋越稀疏，條紋越寬波長越大，條紋間距越大，條紋越稀疏，條紋越寬波動光學(xué)波動光學(xué)（3535）相干光和雙縫干涉）相干光和雙縫干涉22 答：若用復(fù)色光源，則高級的干涉條紋是彩色的。在中心白色明紋的兩側(cè)附答：若用復(fù)色光源，則高級的干涉條紋是彩色的。在中心白色明紋的兩側(cè)附近可看到依稀的彩色干涉條紋。近可看到依稀的彩色干涉條紋。1k2k1k3k3k2k色散色散疊級疊級3）若用白光照射時，出現(xiàn)什么情況？）若用白光照射時，出現(xiàn)什么情況？ 波動光學(xué)波動光學(xué)（3535）相干光和雙縫干涉）相干光和雙縫干涉234）將屏幕向雙縫屏靠近；將屏幕向雙縫屏靠近；即縮小即縮小D，條紋間距變小，條紋間距變小相當(dāng)于波長變短故條紋間相當(dāng)于波長變短故條紋間距變小距變小n介質(zhì)中的波長介質(zhì)中的