2021-2022學(xué)年高二物理競賽課件：光波及相干條件（12張PPT）

1、光波及相干條件12一、平面電磁波的基本性質(zhì)電磁波是橫波 三者滿足右手螺旋關(guān)系 的振幅成比例 的振動(dòng)同相位，4. 電磁波的傳播速度 真空31. 能流密度矢量 單位時(shí)間內(nèi)通過邊界面上單位面積流動(dòng)的電磁能， 也稱坡印亭（J.H.Poynting）矢量二、基本概念 瞬時(shí)能流密度一個(gè)周期平均能流密度（即輻照度）2. 光強(qiáng)3. 折射率4. 光程: 光傳播的幾何路程與與所在介質(zhì)折射率的乘積大多數(shù)實(shí)際問題只對光場中光強(qiáng)的相對強(qiáng)度感興趣4三、波動(dòng)的數(shù)學(xué)描述1. 平面波沿x方向傳播到P(x)， P 點(diǎn)振動(dòng)可寫為原點(diǎn)機(jī)械振動(dòng)根據(jù)光波的電磁性質(zhì)， 光與物質(zhì)相互作用時(shí)， 物質(zhì)中的帶電粒子受到的電磁力電矢量起主要作用所以

2、用電矢量的振動(dòng)代表光振動(dòng) 單色平行光可看作平面簡諧波，設(shè)一束單色平面波沿 方向傳播到 點(diǎn), 則P點(diǎn)落后原點(diǎn)O的位相為O52. 球面波：從點(diǎn)光源發(fā)出的光在各向同性介質(zhì)中傳播時(shí)， 其波面或等相面是以點(diǎn)光源為球心的球面為r = 1（單位長度）時(shí)對應(yīng)的振幅設(shè)點(diǎn)光源在原點(diǎn)， 則它引發(fā)的空間任一點(diǎn) 的振動(dòng)為6球面光波復(fù)數(shù)形式復(fù)振幅 3. 波動(dòng)的復(fù)數(shù)表示平面光波復(fù)數(shù)形式 或習(xí)慣寫法復(fù)振幅復(fù)振幅包含所有信息復(fù)振幅的模光強(qiáng) 輻角相位 單色簡諧波各場點(diǎn)復(fù)波函數(shù)中的時(shí)間因子 都相同，可以舍去，只討論復(fù)振幅 復(fù)振幅的矢量形式 7四、光程(optical path)真空中介質(zhì)中由得所以 此式表示，光在折射率為n的介質(zhì)中

3、傳播 x 路程所引起的相位變化,與在真空中傳播nx的路程所引起的相位變化相同。因此，把光傳播的路程與所在介質(zhì)折射率的乘積定義為光程。 一般式兩式相比得光在多種介質(zhì)中傳播，總光程等于各段光程之和8五、相干條件(coherent condition)1.頻率相同 2. 振動(dòng)方向相同 3. 相位差恒定對于光波，上述條件仍然有效P點(diǎn)光強(qiáng)對于兩列機(jī)械波，相干條件為設(shè)兩列同頻率 光波分別由S1、 S2出發(fā)，分別傳播了r1、r2到P點(diǎn)相遇， 用復(fù)振幅的矢量形式表示P點(diǎn)合振動(dòng)9P點(diǎn)相位差 當(dāng)cos 0時(shí) I I1 + I2 當(dāng)cos 0時(shí) I I1 + I2 相遇處的光強(qiáng) I I1 + I2 與它們之間的相位

4、差有關(guān)： 當(dāng)cos =1， 時(shí)， Imax =4I1 當(dāng)cos = -1， 時(shí)， Imin =0 由光波的疊加而引起光強(qiáng)重新分布的現(xiàn)象，稱為光的干涉。 干涉項(xiàng)干涉項(xiàng)不為零的疊加，稱為相干疊加10 頻率相同 光矢量不垂直， 存在互相平行的振動(dòng)分量 具有固定的相位關(guān)系如果則干涉項(xiàng)=0總結(jié)相干條件：要使干涉項(xiàng)0 ， 必需 若兩列波由光源上的同一點(diǎn)發(fā)射，經(jīng)不同路徑后相遇產(chǎn)生相干疊加，光強(qiáng)決定于兩波光程差光程差則二者具有相同初位相若兩列波來自兩個(gè)獨(dú)立的光源或同一光源上的不同兩點(diǎn) 11一般探測器（如人眼）對光的響應(yīng)時(shí)間兩列光波各自包含大量的波列，每個(gè)波列對應(yīng)一次原（分）子發(fā)光，發(fā)光是間歇、隨機(jī)的，每次發(fā)光持續(xù)時(shí)間各波列之間沒有固定的初位相關(guān)系人眼所能記錄的光強(qiáng)是 I (P) 在時(shí)間 的平均值兩列波的初位相差 若兩列波來自兩個(gè)獨(dú)立的光源或同一光源上的不同兩點(diǎn) 互相無關(guān)，在觀測時(shí)間 內(nèi)幾率均等地經(jīng)歷了 之間的所有可能數(shù)值，產(chǎn)生非相干疊加12四、獲得相干光波的方法(1) 分波前法：當(dāng)從同一點(diǎn)光源或線光源發(fā)出的光波到達(dá)某個(gè)平面時(shí)，由該平面上分離出兩部分，發(fā)生干涉。 如楊氏雙縫干涉 (2) 分振幅法 利用反射、折射等方法，使光源上同一點(diǎn)發(fā)射的頻率相同光波分成兩部分后再相遇，產(chǎn)生干涉。 如薄膜干涉和邁克耳孫干涉 (3) 分振動(dòng)面法 偏振光干涉，