第9章第1-2節(jié)光及光的干涉

第九章波動(dòng)光學(xué)1、光學(xué)緒言2、相干光3、光的干涉:

楊氏雙縫干涉、薄膜干涉

1、不同波長的光的命名及人眼敏感度紅外(Infrared,IR)

紫外(ultravioletray,UVR)真空紫外Vacuumultravioletray一、光學(xué)緒言人眼對(duì)不同色光的視覺靈敏度是不同的，上圖表示人眼對(duì)不同色光的相對(duì)靈敏度曲線。人眼對(duì)波長約為550nm的黃綠光最靈敏，對(duì)紫光和紅光則靈敏度較低。光的顏色及互補(bǔ)色：?jiǎn)紊狻缓瑔我徊ㄩL的光實(shí)踐中只能獲得準(zhǔn)單色光復(fù)色光——不同波長單色光的混合：白光白光是各種色光的混合體。各種波長成分的光的光強(qiáng)在很大的范圍內(nèi)連續(xù)分布。如果某兩種色光混合后組成白光，則該兩種色光稱為互補(bǔ)色光。如紅對(duì)綠、藍(lán)對(duì)黃、橙對(duì)青等。若設(shè)法濾去白光中的某種色光，則剩下的是該種色光的互補(bǔ)色光，如在白光中濾去紅光就得綠光，濾去紫光就得黃綠光。必須注意，屬于互補(bǔ)色的兩種色光并不是單色光。2、發(fā)光的物理機(jī)制光源

發(fā)射光波的物體。如太陽、蠟燭等。光是光源中大量的分子或原子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)所輻射出的電磁波。

電子從一個(gè)軌道躍遷到另一個(gè)軌道，原子或分子就從一個(gè)能態(tài)躍變到另一能態(tài)，同時(shí)伴隨著能量的變化。電子在不同軌道之間躍變，原子向外釋放或吸收能量。

電子沿著一個(gè)個(gè)分立的軌道繞核旋轉(zhuǎn)，當(dāng)電子在確定的軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，原子具有確定的能量。Co元素原子從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一定態(tài)，會(huì)發(fā)射或吸收一個(gè)光子，頻率輻射頻率公式波列每一個(gè)輻射光子稱作一個(gè)波列每個(gè)波列持續(xù)時(shí)間約10-8s原子或分子的發(fā)光過程是彼此獨(dú)立的、隨機(jī)的光源發(fā)出的連續(xù)光波實(shí)際上是大量原子或分子發(fā)光的總效果。

相互獨(dú)立的波列光的電磁理論——波動(dòng)性：干涉、衍射、偏振光的量子理論——粒子性：光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)3、光的本性光本質(zhì)是一種電磁波4、介質(zhì)中的光速真空中的光速：c=3×108m/s介質(zhì)中光的速度與折射率的關(guān)系：v=c/n5、介質(zhì)中的波長6、光程光程差把光波在某一介質(zhì)中通過的幾何路程與該介質(zhì)的折射率n的乘積稱為光程，寫為光在傳輸了一定光程后，相位變化為

平行平面膜反射1n2np1n光疏到光密反射光相位有變p

空氣油膜玻璃2n3n1npp例一:玻璃3n1n例二:空氣玻璃2npd反射界面不同反射條件下的附加光程差反射條件二、光的干涉現(xiàn)象1．什么是光的干涉現(xiàn)象兩束光的相遇區(qū)域形成穩(wěn)定的、有強(qiáng)有弱的光強(qiáng)分布。2．相干條件①振動(dòng)方向相同②振動(dòng)頻率相同③相位相同或相位差保持恒定3．相干光與相干光源兩束滿足相干條件的光稱為相干光相應(yīng)的光源稱為相干光源4．明暗條紋條件用相位差表示：明條紋：Δ=±2kk=0,1,2,…暗條紋：Δ=±(2k-1)k=1,2,3,…用光程差表示光程：我們把光波在某一介質(zhì)中通過的幾何路程與該介質(zhì)的折射率n的乘積定義為光程（δ=nr）根據(jù)光程差與相位差的關(guān)系Δ=2δ/λ明條紋：δ=±kλk=0,1,2,…暗條紋：δ=±(2k-1)λ/2k=1,2,3,…5、相干光的獲得1．普通光源的發(fā)光特點(diǎn)結(jié)論：普通光源發(fā)出的光波不滿足相干條件，不是相干光，不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。特點(diǎn)：同一原子發(fā)光具有瞬時(shí)性和間歇性、偶然性和隨機(jī)性，不同原子發(fā)光具有獨(dú)立性。.非相干（同一原子先后發(fā)出的光）非相干（不同原子發(fā)出的光）.5、相干光的獲得2．獲得相干光源的兩種方法原理：將同一光源上同一點(diǎn)或極小區(qū)域發(fā)出的一束光分成兩束，讓它們經(jīng)過不同的傳播路徑后，再使它們相遇，它們是相干光。方法：分波陣面法：把光波的波陣面分為兩部分（楊氏雙縫干涉）分振幅法：利用兩個(gè)反射面產(chǎn)生兩束反射光(牛頓環(huán)、薄膜干涉等)SE§楊氏雙縫干涉一、楊氏雙縫干涉托馬斯·楊（ThomasYoung）英國物理學(xué)家、醫(yī)生和考古學(xué)家，光的波動(dòng)說的奠基人之一波動(dòng)光學(xué)：楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)生理光學(xué)：三原色原理材料力學(xué)：楊氏彈性模量考古學(xué)：破譯古埃及石碑上的文字1、楊氏簡(jiǎn)介2、楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置

1801年，楊氏巧妙地設(shè)計(jì)了一種把單個(gè)波陣面分解為兩個(gè)波陣面以鎖定兩個(gè)光源之間的相位差的方法來研究光的干涉現(xiàn)象。楊氏用疊加原理解釋了干涉現(xiàn)象，在歷史上第一次測(cè)定了光的波長，為光的波動(dòng)學(xué)說的確立奠定了基礎(chǔ)。3、雙縫干涉的光程差兩光波在P點(diǎn)的光程差為

δ=r2-r1r12=D2+(y-d/2)2

r22=D2+(y+d/2)2所以r22-r12=2yd即(r2-r1)(r2+r1)=2yd采用近似r2+r1≈2D光程差為δ=r2-r1=yd/Dr2r1OPxdS2S1D3、雙縫干涉的光程差δ=r2-r1=yd/D4、干涉條紋的位置（1）明條紋：

δ=yd/D=±kλx=±kDλ/dk=0,1,2,…（2）暗條紋：

δ=yd/D=±(2k-1)λ/2

x=±(2k-1)Dλ/(2d)k=1,2,3,…5、干涉條紋的特點(diǎn)雙縫干涉條紋是與雙縫平行的一組明暗相間彼此等間距的直條紋，上下對(duì)稱。（3）條紋間距：相鄰明紋中心或相鄰暗紋中心的距離稱為條紋間距

Δx=Dλ/d①光源S位置改變：S下移時(shí)，干涉條紋整體向上平移，條紋間距不變。S上移時(shí)，干涉條紋整體向下平移，條紋間距不變。②雙縫間距d改變：當(dāng)d增大時(shí)，Δx減小，零級(jí)明紋中心位置不變，條紋變密。當(dāng)d減小時(shí)，Δx增大，零級(jí)明紋中心位置不變，條紋變稀疏。6、討論

Δx=Dλ/d（1）波長及裝置結(jié)構(gòu)變化時(shí)干涉條紋的移動(dòng)和變化③雙縫與屏幕間距D改變：當(dāng)D減小時(shí)，Δx減小，零級(jí)明紋中心位置不變，條紋變密。當(dāng)D增大時(shí)，Δx增大，零級(jí)明紋中心位置不變，條紋變稀疏。④入射光波長改變：

當(dāng)λ增大時(shí)，Δx增大，條紋變疏；當(dāng)λ減小時(shí)，Δx減小，條紋變密。Δx=Dλ/d分振幅干涉1n3n2n膜層dsPsin傳播光程差do21nd+ABBC()1nAD2n2222niisin1n2nsinrBdCABcosrtanAC2drDAACsini§分振幅干涉:薄膜干涉DCAirB平行平面膜反射1n2np1n光疏到光密反射光相位有變p

空氣油膜玻璃2n3n1npp例一:玻璃3n1n例二:空氣玻璃2npd反射界面不同反射條件下的附加光程差反射條件總光程差公式ld2l+k1k()2明紋暗紋若dod+d反射條件相同2-l0不同反射條件2dsin1n2ni222+平行平面膜反射光干涉的總光程差當(dāng)入射光垂直照射在薄膜上時(shí)，入射角i=0l