光的干涉課件

1、第一章 光的干涉第1頁(yè)，共34頁(yè)。光的本性是什么？ 波動(dòng)性：光有干涉、衍射和偏振現(xiàn)象。 粒子性：光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)。第2頁(yè)，共34頁(yè)。 什么是電磁波？ 什么是機(jī)械波？第3頁(yè)，共34頁(yè)。 1.1 光的電磁理論一、光與電磁波的比較：1. 在真空中，傳播速度均為2. 都有橫波的性質(zhì)，即有干涉、衍射、 偏振等現(xiàn)象。3. 頻段：電磁波在無(wú)線(xiàn)電波到射線(xiàn)之間可見(jiàn)光在結(jié)論：光是某一波段的電磁波。第4頁(yè)，共34頁(yè)。光在真空中的傳播速度光在介質(zhì)中的傳播速度二、透明介質(zhì)的折射率電磁波在真空中的傳播速度第5頁(yè)，共34頁(yè)。三、光是一種橫波（光的傳播方向）（磁場(chǎng)分量）（電場(chǎng)分量）第6頁(yè)，共34頁(yè)。 電磁波的E和H與傳播

2、方向垂直，但對(duì)人眼或感光儀器起作用的是E。第7頁(yè)，共34頁(yè)。四、可見(jiàn)光譜 波長(zhǎng)390nm760nm 頻率7.51014Hz4.11014Hz紅 760nm630nm橙 630nm590nm黃 590nm570nm綠 570nm500nm青 500nm460nm藍(lán) 460nm430nm紫 430nm400nm第8頁(yè)，共34頁(yè)。五、光強(qiáng) 光強(qiáng)(能流密度)：在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)與波的傳播方向垂直的單位面積的能量或單位面積的光功率。 平均光強(qiáng)度相對(duì)光強(qiáng)度第9頁(yè)，共34頁(yè)。1-2 波動(dòng)的獨(dú)立性、疊加性和相干性1、機(jī)械波的獨(dú)立性 波在相遇的區(qū)域內(nèi)，只要振動(dòng)不十分強(qiáng)烈，就能保持自己的特性（頻率、振幅和振動(dòng)方向）

3、按自己原來(lái)的傳播方向前進(jìn)，彼此不相互影響。第10頁(yè)，共34頁(yè)。2、機(jī)械波的疊加性 波在相遇的區(qū)域內(nèi)，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的合位移為各波分別單獨(dú)傳播時(shí)在該點(diǎn)引起的位移的矢量和。返回退出第11頁(yè)，共34頁(yè)。3 波動(dòng)的相干性（即波動(dòng)的干涉） 兩列獨(dú)立傳播的波，若在相遇區(qū)域內(nèi)疊加的結(jié)果是合振動(dòng)在一些地方加強(qiáng)、一些地方減弱，則這一強(qiáng)度按空間周期性變化的現(xiàn)象稱(chēng)為波的干涉。干涉的充要條件： 頻率相等 相位差恒定 振動(dòng)在一條直線(xiàn)上。說(shuō)明： 干涉的結(jié)果：產(chǎn)生振動(dòng)強(qiáng)度的非均勻分布，即出現(xiàn)干涉花樣。 干涉是波動(dòng)的一大特征：凡出現(xiàn)干涉花樣的物理過(guò)程，一定是波動(dòng)。 波動(dòng)能量的傳遞：以振動(dòng)形式在物質(zhì)中傳播，物質(zhì)本身并不隨波移動(dòng)。 光

4、具有干涉現(xiàn)象，說(shuō)明光是一種波動(dòng)。第12頁(yè)，共34頁(yè)。4、相干疊加與非相干疊加（一）、相干光源與非相干光源 若兩光源所發(fā)出的兩束光波疊加能產(chǎn)生干涉，則這兩個(gè)光源稱(chēng)為相干光源；否則，稱(chēng)為非相干光源。能產(chǎn)生干涉花樣的疊加稱(chēng)為相干疊加；否則，稱(chēng)為非相干疊加。（二）、相干疊加與非相干疊加設(shè)有兩列頻率相等、沿同一直線(xiàn)振動(dòng)、相位不同的簡(jiǎn)諧波：由疊加原理，設(shè)合振動(dòng)為E，合振幅為A，合成后初相位為則：第13頁(yè)，共34頁(yè)。討論：1、由于振動(dòng)強(qiáng)度 IA2，所以，合振動(dòng)強(qiáng)度并不簡(jiǎn)單地等于兩分振動(dòng)強(qiáng)度和； 2、如同照相一樣，觀(guān)察和記錄的并非某一時(shí)刻的強(qiáng)度瞬時(shí)值，而是在一定時(shí)間間隔內(nèi)的時(shí)間平均值：第14頁(yè)，共34頁(yè)。 若

5、兩振動(dòng)不中斷合振動(dòng)平均強(qiáng)度達(dá)最大值干涉相長(zhǎng)合振動(dòng)平均強(qiáng)度達(dá)最小值干涉相消第15頁(yè)，共34頁(yè)。 若振動(dòng)時(shí)斷時(shí)續(xù)，兩初位相獨(dú)立地變化，即：故：此時(shí)，合振動(dòng)的平均強(qiáng)度為兩分振動(dòng)強(qiáng)度之和第16頁(yè)，共34頁(yè)。問(wèn)題：一個(gè)普通光源發(fā)出的兩列光波是否是一對(duì)相干光源?第17頁(yè)，共34頁(yè)。光源的最基本發(fā)光單元是分子、原子等第18頁(yè)，共34頁(yè)。原因：發(fā)光是隨機(jī)的，間歇性的。 兩列光波相位差不可能恒定。兩束光不相干！鈉光燈第19頁(yè)，共34頁(yè)。怎樣利用普通光源獲得相干光？ 把由光源上同一點(diǎn)同一次發(fā)的光設(shè)法分成兩部分，然后再使這兩部分疊加起來(lái)。由于這兩部分光實(shí)際上都來(lái)自同一發(fā)光原子的同一次發(fā)光，它們滿(mǎn)足相干條件而成為相干

6、光。分開(kāi)之后所走的路程不同，導(dǎo)致光波的相位不同，根據(jù)其差別分別產(chǎn)生干涉加強(qiáng)或者減弱。光學(xué)系統(tǒng)0光學(xué)系統(tǒng)1光學(xué)系統(tǒng)2PS第20頁(yè)，共34頁(yè)。13 單色光波疊加形成的干涉條紋 頻率單一且恒定的光波稱(chēng)為單色光。首先，研究空間兩單色點(diǎn)光源所發(fā)光波的干涉。一、位相差、光程和光程差如右圖示：從空間兩定點(diǎn)S1、S2發(fā)出的兩列單色簡(jiǎn)諧波，同時(shí)到達(dá)空間另一點(diǎn)P設(shè)兩點(diǎn)光源S1、S2的振動(dòng)可表示為PdP0s1r1Nr2r0s2DySr第21頁(yè)，共34頁(yè)。當(dāng)它們同時(shí)到達(dá)P點(diǎn)時(shí)，其振動(dòng)方程為：1、位相差：PdP0s1r1Nr2r0s2DySr第22頁(yè)，共34頁(yè)。2、光程 、光程差定義：介質(zhì)折射率與光波在該介質(zhì)中所通過(guò)的

7、路程的乘積，稱(chēng)為光程，用表示；討論：當(dāng)光在真空中傳播時(shí)，n=n1=n2=1此時(shí)在均勻介質(zhì)中 即：介質(zhì)中光程等于相同時(shí)間內(nèi)光在真空通過(guò)的路程光程的物理意義 因此，利用光程的概念，可以將光在不同介質(zhì)中的光程折算成在真空中傳播的路程，從而加以比較。第23頁(yè)，共34頁(yè)。第24頁(yè)，共34頁(yè)。不同光線(xiàn)通過(guò)透鏡要改變傳播方向，會(huì)不會(huì)引起附加光程差？第25頁(yè)，共34頁(yè)。A、B、C 各點(diǎn)到F焦點(diǎn)的光程都相等。AaF比BbF經(jīng)過(guò)的幾何路程長(zhǎng)，但BbF在透鏡中經(jīng)過(guò)的路程比AaF長(zhǎng)，透鏡折射率大于1，折算成光程， AaF的光程與BbF的光程相等。解釋使用透鏡不會(huì)引起各相干光之間的附加光程差。第26頁(yè)，共34頁(yè)。二、干

8、涉花樣1、干涉公式：對(duì)真空中的S1、S2 發(fā)出的兩列相干光波有： j 稱(chēng)為干涉級(jí)， j 可取0， 第m個(gè)條紋對(duì)應(yīng)的干涉級(jí)j= m-1第27頁(yè)，共34頁(yè)。2、干涉花樣：形狀：強(qiáng)度相同的空間點(diǎn)形成同一級(jí)條紋 r2-r1=同一常量的點(diǎn)構(gòu)成同一級(jí)條紋。 故：干涉花樣是以S1S2為軸線(xiàn)、S1、S2為焦點(diǎn)的雙葉旋轉(zhuǎn)雙曲面（見(jiàn)書(shū)P16）空間干涉花樣；1S2SD2rpoSl1r第28頁(yè)，共34頁(yè)。 為便于觀(guān)察，常用一垂直于對(duì)稱(chēng)軸的光屏接收，則光屏上顯示的是雙葉旋轉(zhuǎn)雙曲面與光屏的交線(xiàn)：為一頂點(diǎn)均在直線(xiàn)DD上的 一組雙曲線(xiàn)。見(jiàn)圖13（b）第29頁(yè)，共34頁(yè)。特點(diǎn)：0PyA、頂點(diǎn)（P）位置由干涉公式有PdP0s1r1Nr2r0s2DySr第30頁(yè)，共34頁(yè)。0y3、條紋間距yPdP0s1r1Nr2r0s2DySr第31頁(yè)，共34頁(yè)。0y條紋角間距PdP0s1r1Nr2r0s2DySr第32頁(yè)，共34頁(yè)。用途: 波長(zhǎng)表征光波的空間周期性，不易觀(guān)察，y表示光強(qiáng)分布的周期性，因此，可以通過(guò)干涉的方法，將光波的空間周期性轉(zhuǎn)化、放大為條紋間距而直接觀(guān)測(cè)。第33頁(yè)，共34頁(yè)。綜上所述，干涉條紋具有如下特征： 各級(jí)亮條紋強(qiáng)度相等，