波的疊加與干涉

第1頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)波的疊加與干涉一、波的描述1、光波是矢量電磁橫波2、滿足傍軸條件時，以標(biāo)量波描述光波第2頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月二、波的疊加原理1、內(nèi)容當(dāng)兩列波同時存在時，在它們的交疊區(qū)內(nèi)每點的振動都是各列波單獨存在時產(chǎn)生的振動的合成。2、分析（1）波的獨立傳播（2）線性介質(zhì)與非線性介質(zhì)同頻率：不同頻率：第3頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月三、兩個點波源的干涉1、兩列波迭加后的強度（1）頻率不同的兩列波的疊加結(jié)論：強度隨時間和空間發(fā)生變化，形成光學(xué)拍。形成強度（2）同頻率的兩列波的疊加如果相位差與時間有關(guān)呢？結(jié)論：強度隨著相位差的變化而出現(xiàn)周期性的變化，這種現(xiàn)象稱為光的干涉。第4頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月2、干涉強度討論（1）相位差變化的影響（3）干涉的條件：兩列波頻率相同，振動幾乎在同一方向，相位差不隨時間改變。（2）光程差變化的影響亮條紋暗條紋亮條紋暗條紋第5頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月第6頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月第7頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)楊氏實驗光場的空間相干性一、楊氏雙縫干涉實驗1、實驗裝置及干涉圖樣第8頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月2、實驗分析初始相位差：光程差：S1S2OPP0rr1r2DθθΔθdNSR1R2Rx若初相位差為零則相位差為：中央亮紋的光程差、相位差？第9頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月1、各級亮條紋的光強相等，相鄰亮條紋或相鄰暗條紋都是等間距的，且與干涉級無關(guān)。條紋是有寬度的，該如何劃分度量間距的起始和終止點？2、波長一定時，干涉條紋間距的大小與光源和光屏的距離成正比，與光源間距成反比?？偨Y(jié)第10頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月3、當(dāng)以白光入射時，除中央亮紋為白色外其余均為彩色條紋。4、干涉圖樣體現(xiàn)了參與相干疊加的光波間相位差的空間分布。5、分波面干涉的關(guān)鍵在于找到兩個相干光源。第11頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月二、干涉條紋的移動2、產(chǎn)生移動的原因光源的移動裝置結(jié)構(gòu)的改變光路中介質(zhì)的變化1、條紋移動的衡量固定一點，計算移動的條紋數(shù)：以中央亮紋的移動衡量光源移動時整個條紋的移動：S1S2OPP0rr1r2DθθΔθdNSR1R2Rx第12頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月光的干涉一、楊氏雙縫干涉2ass1s2PODx光程差為：r1r2兩明紋（或暗紋）中心間距：條紋形狀：明暗相間、等間距、直條紋第13頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月動畫演示（1）2ass1s2PODxr1r2影響條紋寬度的因素：（1）雙縫間距第14頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月2ass1s2PODxr1r2影響條紋寬度的因素：（1）雙縫間距動畫演示（1）第15頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月2ass1s2PODxr1r2影響條紋寬度的因素：（1）雙縫間距動畫演示（1）第16頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月2ass1s2PODxr1r2影響條紋寬度的因素：（2）屏與縫間距動畫演示（1）第17頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月2ass1s2PODxr1r2影響條紋寬度的因素：（2）縫與屏間距動畫演示（1）第18頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月2ass1s2PODxr1r2影響條紋寬度的因素：（2）縫與屏間距動畫演示（1）第19頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月2ass1s2PODxr1r2影響條紋寬度的因素：（3）光波的波長動畫演示（1）第20頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月2ass1s2PODxr1r2影響條紋寬度的因素：（3）光波的波長動畫演示（1）第21頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月2ass1s2PODxr1r2影響條紋寬度的因素：（3）光波波長動畫演示（1）第22頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月影響條紋寬度的因素：（3）光波的波長2ass1s2PODxr1r2動畫演示（1）第23頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月討論（1）1、在楊氏雙縫實驗中，照射光的波長增大，同時雙縫間的距離變小，則干涉條紋：（A）變密；（B）變疏；（C）不變；（D）不能確定。正確答案：（B）關(guān)于楊氏雙縫干涉第24頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月2、在楊氏雙縫實驗中，若用折射率為n的薄玻璃片將上面的縫蓋上，則此時中央明條紋的位置與原來相比應(yīng)：（A）上移；（B）下移；（C）不動；（D）不能確定。正確答案：（A）第25頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月動畫演示（2）2ass1s2PODxr1r2在縫后加一薄玻璃片，觀察條紋的移動。第26頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月動畫演示（2）2ass1s2PODxr1r2薄玻璃片蓋住上縫時：則條紋上移第27頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月動畫演示（2）2ass1s2PODxr1r2薄玻璃片蓋住下縫時：則條紋下移第28頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月3、在楊氏雙縫實驗中，若將光源向下移動，則此時中央明條紋的位置與原來相比應(yīng)：（A）上移；（B）下移；（C）不動；（D）不能確定。正確答案：（A）第29頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月動畫演示（3）2ass1s2PODxr1r2上下移動光源時，觀察條紋的移動。第30頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月動畫演示（3）2ass1s2PODxr1r2向下移動光源時，則：第31頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月動畫演示（3）2ass1s2PODxr1r2條紋上移向下移動光源時，則：第32頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月動畫演示（3）2ass1s2PODxr1r2向上移動光源時，則：第33頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月動畫演示（3）2ass1s2PODxr1r2向上移動光源時，則：第34頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月動畫演示（3）2ass1s2PODxr1r2向上移動光源時，則：條紋下移第35頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月4、用白光光源進行楊氏雙縫實驗，若用一個純紅色的濾光片遮蓋的一條縫，用一個純藍色的濾光片遮蓋另一條縫，則：（A）干涉條紋的寬度將發(fā)生變化；（B）產(chǎn)生紅光和藍光的兩套彩色干涉條紋；（C）干涉條紋的亮度將發(fā)生變化；（D）不產(chǎn)生干涉條紋。正確答案：（D）第36頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月三、其它干涉裝置1、菲涅爾雙鏡和雙棱鏡第37頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月第38頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月2、勞埃德鏡第39頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月四、光源寬度對干涉條紋襯比度的影響1、干涉條紋的襯比度優(yōu)良的干涉條紋圖樣是：黑暗的背景上細(xì)銳的亮條紋。2、擴展光源寬度與干涉條紋的襯比度zyx第40頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月光源的極限寬度：第41頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月1、半波損失是兩個以上光波的比較。2、在掠射和垂直入射的情況下，反射光相對于入射光存在半波損失。3、折射光和入射光相比較，不存在半波損失。半波損失/額外程差：在兩種介質(zhì)的界面上，光波的相位發(fā)生π的突變，即產(chǎn)生半個波長的額外光程差的現(xiàn)象。關(guān)于半波損失（額外程差）4、光束由光疏質(zhì)射向光密質(zhì)時，在掠射和垂直入射時會發(fā)生半波損失。5、當(dāng)分振幅干涉時，兩束相干光性質(zhì)不同時會產(chǎn)生半波損失。折射率順變無，異變有。第42頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月菲涅爾公式As1Ap1A’s1A’p1Ap2As2i1i2i’1第43頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月菲涅爾公式應(yīng)用分析光束由光疏質(zhì)射向光密質(zhì)時，在掠射和垂直入射時會發(fā)生半波損失。++—++++—n1n2n1<n2第44頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)薄膜干涉（一）—等厚干涉一、單色點光源所引起的等厚干涉條紋n1n1n2sc’hABCDn1n1n2acc1a11、光程差相長相消第45頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月2、花樣特點（1）不同的入射點對應(yīng)相同的入射角，由于厚度不同形成了形成平行于尖劈棱的直線條紋，稱為等厚干涉條紋。（2）厚度越大的點干涉級數(shù)越高，零級條紋在尖劈的棱處。（3）當(dāng)采用正入射方式，即入社光和反射光處處都與薄膜表面垂直時：α△h△x第46頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月二、牛頓環(huán)顯微鏡SLM半透半反鏡T1、實驗裝置第47頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月反射牛頓環(huán)亮條紋半徑為：rRh2、干涉圖樣分析反射牛頓環(huán)中心（△L=λ/2）為暗。第48頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月透射光牛頓圈半徑：透射牛頓環(huán)中心是亮的還是暗的？第49頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)薄膜干涉（二）—等傾干涉一、單色點光源引起的干涉現(xiàn)象s’n1sL1L2aba1b1a2b2c1c2d1d2n1n2ABCh第50頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月ABDCC’i1i21、光程差------干涉相長------干涉相消n1n2無窮遠(yuǎn)的圖樣怎么看？干涉級高在外圈還是內(nèi)圈？第51頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）離干涉中心越遠(yuǎn)，條紋越密集。2、干涉圖樣分析（2）薄膜越厚，條紋越密集。（3）離干涉中心越遠(yuǎn)，條紋級數(shù)越低。當(dāng)厚度連續(xù)增大，條紋不斷冒出；當(dāng)厚度連續(xù)減小，條紋不斷縮陷。當(dāng)冒出N條條紋，厚度變化多少？第52頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月薄膜色：它是混合色不是單色。注意與單色的彩色相互區(qū)分。當(dāng)薄膜很厚時，光程差等于半個波長，總是發(fā)生干涉相消。第53頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)邁克爾孫干涉儀光場的時間相干性一、邁克爾孫干涉儀M1M2M’2sAab1、實驗裝置第54頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月第55頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月2、干涉圖樣特點（1）干涉中不存在半波損失。（2）當(dāng)M1和M2的像平行時為等傾干涉；當(dāng)M1和M2的像有夾角時為等厚干涉。（3）當(dāng)用白光光源時，只在h=0時,中央條紋是白色的,其他條紋都是彩色。（4）當(dāng)為等傾干涉時，移動M1使‘空氣薄膜’的厚度改變，整個同心圓形的干涉條紋也發(fā)生移動。問題：干涉條紋減少一個，M1怎么移動，移動多少？第56頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月第57頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月第58頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月第59頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月3、光源的非單色性對干涉條紋的影響（1）雙線結(jié)構(gòu)使條紋襯比度隨光程差做周期性變化II△L△L△Lγ1襯比度的空間周期：空間頻率：第60頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）單色線寬使條紋襯比度隨光程差單調(diào)下降襯比度隨光程差的增大而減小到零。最大光程差當(dāng)光程差超過最大光程差時，干涉條紋的襯比度達到零，條紋不可見。5、精密測長與長度的自然基準(zhǔn)第61頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月二、光場的時間相干性問題：在光源的波場中，沿波線相距多遠(yuǎn)的兩點是相干的？相干長度：發(fā)光持續(xù)時間1、光源向外發(fā)射的是有限長的波列，波列的長度是由于原子發(fā)光的持續(xù)時間和傳播速度所確定的。2、干涉的必要條件是兩光波在相遇點的光程差應(yīng)小于波列的長度，即波列長度至少應(yīng)等于最大光程差。兩列波不能相干兩列波部分相干兩列波完全相干第62頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月實例：白光的波列長度與波長同一數(shù)量級；鈉光燈發(fā)射光波的波列長度約為0.058cm；氦氖激光器發(fā)射的激光的波列長度可達幾百公里。實例說明了什么？3、光波場的時間相干性是和光源的單色性緊密相關(guān)的。為什么？4、波列是沿光的傳播方向通過空間固定點的，所以時間相干性是光場的縱向相干性。5、光場的橫向相干性是指光場的空間相干性。第63頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月第六節(jié)多光束干涉法布里—珀羅干涉儀一、多光束干涉的強度分布公式1、反射率和透射率振幅反射率r：反射光與入射光復(fù)振幅之比。振幅透射率t：透射光與入射光復(fù)振幅之比。強度反射率R：反射光與入射光強度之比。強度透射率T：透射光與入射光強度之比。r，t：膜外到膜內(nèi)；r’，t’：膜內(nèi)到膜外。第64頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月hnn1n2AArAtAtrAtr’t’AtrrAtt’Atr’r’t’121’2’多光束干涉強度：第65頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月2、多光束干涉強度分析（以等傾干涉為例）（1）反射光的干涉花樣和透射光的干涉花樣互補。（2）干涉強度大小受強度反射率影響，但是強度極值位置由相位差確定。（3）當(dāng)R<<1時，反射光干涉花樣的襯比度接近1，透射光干涉花樣襯比度很小。但是可以忽略前幾束反射光后的干涉。當(dāng)R很大時，反射光干涉條紋的銳度