大物復(fù)習(xí)---光學(xué)

1、第第22章章 光的干涉光的干涉 幾何光學(xué)幾何光學(xué) 以光的直線傳播為基礎(chǔ)。（中學(xué)已學(xué)）以光的直線傳播為基礎(chǔ)。（中學(xué)已學(xué)）波動光學(xué)波動光學(xué)- 光傳播過程中的干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象光傳播過程中的干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象 和規(guī)律，以光的波動性為基礎(chǔ)。（本章）和規(guī)律，以光的波動性為基礎(chǔ)。（本章） 量子光學(xué)量子光學(xué)- 光和其他物質(zhì)發(fā)生相互作用時的現(xiàn)象光和其他物質(zhì)發(fā)生相互作用時的現(xiàn)象 及規(guī)律，以光的粒子性為基礎(chǔ)。（下冊）及規(guī)律，以光的粒子性為基礎(chǔ)。（下冊）光學(xué)包括：光學(xué)包括：現(xiàn)代光學(xué)現(xiàn)代光學(xué) 非線形光學(xué)，激光學(xué)等。（下冊）非線形光學(xué)，激光學(xué)等。（下冊） 光的單色性和相干性、光程光的單色性和相干性、光程1、光、

2、光（可見光）指真空中波長為可見光）指真空中波長為40007600 的電磁波。的電磁波。一、光源一、光源光是橫波光是橫波光矢量：電場強度光矢量：電場強度 。E平面電磁波方程平面電磁波方程)(cos0urtEE )(cos0urtHH m/s10318 c 真空中光速真空中光速A4000A4300A4500A5000A5700A6000A6300A76002、光源：發(fā)光的物體。根據(jù)激發(fā)方式不同普通光源分為：、光源：發(fā)光的物體。根據(jù)激發(fā)方式不同普通光源分為：1）熱致發(fā)光熱致發(fā)光：高溫物體可發(fā)射可見光。：高溫物體可發(fā)射可見光。 白熾燈（熱光源）白熾燈（熱光源）2）電致發(fā)光電致發(fā)光：電能直接變成光能的現(xiàn)

3、象。如閃電、霓虹燈。：電能直接變成光能的現(xiàn)象。如閃電、霓虹燈。3）光致發(fā)光光致發(fā)光：用光引發(fā)光的發(fā)光的現(xiàn)象。日光燈：用光引發(fā)光的發(fā)光的現(xiàn)象。日光燈, 交通指示牌。交通指示牌。4）化學(xué)發(fā)光化學(xué)發(fā)光：發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而發(fā)光。如燃燒。：發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而發(fā)光。如燃燒。3、普通光源發(fā)光機理、普通光源發(fā)光機理: 1）光由光源中大量原子或分子從高能光由光源中大量原子或分子從高能 級狀態(tài)躍遷到低能級狀態(tài)產(chǎn)生級狀態(tài)躍遷到低能級狀態(tài)產(chǎn)生。 =(E2 E1)/hE1E2能級躍遷輻射能級躍遷輻射發(fā)光特點：發(fā)光特點：光束是由頻率不相同、振動方向各異、無確光束是由頻率不相同、振動方向各異、無確 定相位關(guān)系的各自獨立的波列組成。

4、定相位關(guān)系的各自獨立的波列組成。3）躍遷輻射是間歇的、無規(guī)則的。而）躍遷輻射是間歇的、無規(guī)則的。而 不同原子的輻射相互獨立，它們的不同原子的輻射相互獨立，它們的 波列的特點各不相同。波列的特點各不相同。波列波列波列長波列長L= c2）任一瞬時任一原子或分子能級躍遷）任一瞬時任一原子或分子能級躍遷 發(fā)出一段頻率和振動方向一定、長發(fā)出一段頻率和振動方向一定、長 度有限的光波波列。度有限的光波波列。2、光的相干性、光的相干性1）單色光：具有單一）單色光：具有單一 頻率（波長）的光。頻率（波長）的光。2）復(fù)色光：含有很多不同頻率的光。）復(fù)色光：含有很多不同頻率的光。3）準(zhǔn)單色光：由一些波長相差很小的單

5、色光組合而成的光。）準(zhǔn)單色光：由一些波長相差很小的單色光組合而成的光。4）單色光的獲得：棱鏡、濾光片等。）單色光的獲得：棱鏡、濾光片等。1）同頻率、同振動方向、在相遇）同頻率、同振動方向、在相遇 點相位差恒定為相干光。點相位差恒定為相干光。二二 、光的單色性和相干性、光的單色性和相干性2）補充條件：）補充條件： 兩束光在相遇點的兩束光在相遇點的光強差光強差不能太大。不能太大。兩束光在相遇點的兩束光在相遇點的光程差光程差不能太大。不能太大。1、光的單色性、光的單色性譜線寬度：光強為最大光強一半處的曲線寬度譜線寬度：光強為最大光強一半處的曲線寬度 。 相干光的相干光的相干條件：相干條件：OI 0I

6、2/0I 譜線寬譜線寬度度 21II 21II I I0 0 2 2 -2-2 4 4 -4-4 4 4I I1 1襯比度差襯比度差 ( (V V 1) ，D d D d （d d 10 10 -4-4m m， D D 1m1m）波程差：波程差：Dxndndndrrn tgsin)(12相位差：相位差：2 P P 1801 1801年英國科學(xué)家年英國科學(xué)家Thomas YoungThomas Young首先成功實現(xiàn)光的首先成功實現(xiàn)光的干涉，證實光具有波動性。干涉，證實光具有波動性。一、楊氏雙縫實驗一、楊氏雙縫實驗22.122.1楊氏雙縫干涉楊氏雙縫干涉xDnd 明紋：明紋： dnDkxkk ,

7、 暗紋：暗紋： ) ( ,) ( )( ndDkxkk21221212 條紋間距：條紋間距：x x0 0 x xI I x xr r1 1 r r2 2 x xd dx xD D0 0P P0,1,2,2 kk 0,1,2, )12( kk， dDx 2 Dxnd 二二 、雙縫干涉光強公式、雙縫干涉光強公式 cos22121IIIII 設(shè)設(shè) I I1 1 = = I I2 2 = = I I0 0，則光強為，則光強為 sin2sindkd 光強曲線光強曲線k k0 01 12 2-1-1-2-2I I0 0 2 2 -2-2 4 4 -4-4 4 4I I0 0sinsin 0 0 /d/d-

8、 - /d /d- -2 2 /d /d2 2 /d/dx x0 0 x x1 1x x2 21 x2 x2cos420 II白光入射的楊氏雙縫干涉照片白光入射的楊氏雙縫干涉照片紅光入射的楊氏雙縫干涉照片紅光入射的楊氏雙縫干涉照片1、明暗條紋以、明暗條紋以O(shè)點為中心對稱分布于屏上。點為中心對稱分布于屏上。 kxDdn 當(dāng)當(dāng)時，產(chǎn)生明紋時，產(chǎn)生明紋明紋位置明紋位置:ndDkx k = 0,1,2,.當(dāng)當(dāng)k = 0 時，對應(yīng)時，對應(yīng)O點點 中央明紋中心中央明紋中心的位置的位置2)12( kxDnd當(dāng)當(dāng)時產(chǎn)生暗條紋時產(chǎn)生暗條紋暗紋位置暗紋位置:ndDkx2)12( k = 1,2,.討討 論論ox2

9、、相鄰的明（暗）紋的間距相等。、相鄰的明（暗）紋的間距相等。影響條紋間距的因素：影響條紋間距的因素：1）條紋間距與雙縫間距的關(guān)系條紋間距與雙縫間距的關(guān)系dx1 ndDx 注意注意ox2）條紋間距與波長的關(guān)系條紋間距與波長的關(guān)系 x3 3、用白光光源產(chǎn)生彩色干涉條紋、用白光光源產(chǎn)生彩色干涉條紋白光白光=4000=40007600A( (可見光可見光) )同級同級( (k k一定一定) )明條紋不同波長對應(yīng)的位置明條紋不同波長對應(yīng)的位置 ndkDx 長波在外長波在外( ( x x 較大較大) )短波長的在內(nèi)短波長的在內(nèi)( (靠近靠近O, x O, x 較小較小), ), k k 較大時較大時光譜發(fā)

10、生重疊現(xiàn)象光譜發(fā)生重疊現(xiàn)象. .d/D)kk(d/D)(kd/D)1k(x 在屏幕上在屏幕上x x處發(fā)生重級時，滿足：處發(fā)生重級時，滿足：1 k2 k3 k2 k1 k3 k6 6 、在空氣中、在空氣中n1,n1,相應(yīng)公式改變。相應(yīng)公式改變。5 5、D,dD,d不變不變增大，現(xiàn)象與增大，現(xiàn)象與1 1同。同。紫紫紅紅xx 4 4、n n一定時一定時 DddDx或或,除中央明紋外其他條紋均向遠(yuǎn)離除中央明紋外其他條紋均向遠(yuǎn)離o o的方向移動。的方向移動。 ndDx 三三、干涉問題分析的要點、干涉問題分析的要點（1 1）確定發(fā)生干涉的光束；）確定發(fā)生干涉的光束； （2 2）計算波程差（光程差）；）計算

11、波程差（光程差）； （4 4）求出光強公式、畫出光強曲線。）求出光強公式、畫出光強曲線。（3 3）明確條紋特點：）明確條紋特點： 形狀、形狀、 位置、位置、級次分布、級次分布、 條紋移動等；條紋移動等；例例22-122-1 用白光作光源觀察雙縫干涉。設(shè)縫間距為用白光作光源觀察雙縫干涉。設(shè)縫間距為d d，試求，試求能觀察到的清晰可見光譜的級次。能觀察到的清晰可見光譜的級次。解：解： 白光波長（白光波長（390750nm390750nm），明紋條件有），明紋條件有sindk rv某級次的紅光某級次的紅光 和高一級次的紫光和高一級次的紫光 重合有重合有rv1kk因而因而vrv3901.0875039

12、0k由于由于k k只能取整數(shù)，故有從紫到紅的排列清晰的可見光只能取整數(shù)，故有從紫到紅的排列清晰的可見光譜只有正負(fù)一級，如下圖所示譜只有正負(fù)一級，如下圖所示 例題例題1 楊氏雙縫干涉實驗中雙縫到屏的的距離為楊氏雙縫干涉實驗中雙縫到屏的的距離為2.00米，所米，所用單色光的波長用單色光的波長 . . 1）在屏上測得中央明紋兩側(cè)第在屏上測得中央明紋兩側(cè)第五級條紋間距為五級條紋間距為3.44cm, ,求雙縫間距求雙縫間距d。2）將上述裝置浸入將上述裝置浸入n =1.33 的水中求中央明紋兩側(cè)第五級的間距。的水中求中央明紋兩側(cè)第五級的間距。A5893 解：解： dDx5)1 m1043. 3105893

13、1044. 300. 210104102 xDd2）浸入水中）浸入水中m1059. 233. 11044. 31022 nxndDx dDxxx1055 d00.22r1rS1S2S xpo 例題例題2 已知已知S 2 縫上覆蓋的介質(zhì)厚度為縫上覆蓋的介質(zhì)厚度為 h ，折射率為，折射率為 n ，設(shè)，設(shè)入射光的波長為入射光的波長為 。問：原來的零級明條紋移至何處？若移至問：原來的零級明條紋移至何處？若移至原來的第原來的第 - k 級明條紋處，其厚度級明條紋處，其厚度 h 為多少？為多少？hnrrrnhhr)1()(1212 解：解：1）從）從S 1 和和S 2 發(fā)出的相干光所對應(yīng)的光程差：發(fā)出的相

14、干光所對應(yīng)的光程差：0)1(12 hnrr現(xiàn)在零級明紋的位置應(yīng)滿足：現(xiàn)在零級明紋的位置應(yīng)滿足：光程差為零光程差為零零級明條紋下移零級明條紋下移0)1(12 hnrr 2）原來）原來 - k 級明條紋位置滿足：級明條紋位置滿足：設(shè)有介質(zhì)時零級明條紋移到原來設(shè)有介質(zhì)時零級明條紋移到原來第第 - k 級處，它必須滿足：級處，它必須滿足： khn )1( 1/ nkh krr 120)1(12 hnrr 同一同一 位置位置 x1S2S1r2rh 一般光源的發(fā)光機制：被激發(fā)到較高能級的原子躍遷到低一般光源的發(fā)光機制：被激發(fā)到較高能級的原子躍遷到低能級時，輻射出能量。能級時，輻射出能量。一、相干光源一、相

15、干光源不同原子發(fā)出的光，一般不是相干光。不同原子發(fā)出的光，一般不是相干光。1 12 22121.const21EE22.2 22.2 相干光相干光同一原子發(fā)出的一束光，分成兩束后成為相干光。同一原子發(fā)出的一束光，分成兩束后成為相干光。 類雙縫實驗類雙縫實驗勞埃德勞埃德(Lloyd)(Lloyd)鏡鏡 ( (半波損失！半波損失！) )菲涅耳菲涅耳(Fresnel)(Fresnel)雙鏡雙鏡菲涅耳雙棱鏡菲涅耳雙棱鏡分振幅法分振幅法分波陣面法分波陣面法1ssP2s洛埃德鏡實驗洛埃德鏡實驗1sPM2sd d 當(dāng)屏幕當(dāng)屏幕P 移至移至B 處，從處，從 S 1 和和 S 2 到到B 點的光程差為零，點的光

16、程差為零，但是觀察到暗條紋，但是觀察到暗條紋，驗證了反射時有半波損失存在。驗證了反射時有半波損失存在。PBP1M2MLCd2sd1ss菲涅耳雙面鏡實驗：菲涅耳雙面鏡實驗：用一個點光源和兩個互不平行的平面鏡用一個點光源和兩個互不平行的平面鏡, , 獲得相干光源獲得相干光源; ; 干涉干涉光路與楊氏雙縫類似光路與楊氏雙縫類似* * 22.3 22.3 光的非單色性對干涉條紋的影響光的非單色性對干涉條紋的影響 0 0I II I0 020I 20 20 1.1.理想的單色光理想的單色光2.2.實際光束：實際光束：波列波列 準(zhǔn)單色光準(zhǔn)單色光 準(zhǔn)單色光：準(zhǔn)單色光：在某個中心波長（頻在某個中心波長（頻率）

17、附近有一定波長（頻率）范圍的率）附近有一定波長（頻率）范圍的光。光。 : : 譜線寬度譜線寬度 3 3、非單色性對干涉條紋的影響、非單色性對干涉條紋的影響)2)(1()2( MMkk 設(shè)能產(chǎn)生干涉的最大級次為設(shè)能產(chǎn)生干涉的最大級次為k kM M ，又又則有則有 - (- ( /2)/2)合成光強合成光強x x1 12 23 34 45 56 60 01 12 23 34 45 50 0I I 0 0I II I0 020I + + ( ( /2)/2) dDkxk Mk4 4、相干長度與相干時間、相干長度與相干時間1)1)、相干長度、相干長度（coherent lengthcoherent l

18、ength） 兩列波能發(fā)生干涉的兩列波能發(fā)生干涉的最大波程差最大波程差叫叫相干長度。相干長度。 2MMk ：中心波長中心波長S SS S1 1S S2 2c c1 1c c2 2b b1 1b b2 2a a1 1a a2 2 P PS S1 1S S2 2S Sc c1 1c c2 2b b1 1b b2 2a a1 1a a2 2P P才能才能發(fā)生干涉。發(fā)生干涉。波列長度就是相干長度：波列長度就是相干長度：相干長度相干長度能干涉能干涉不能干涉不能干涉只有只有同一波列同一波列分成的兩部分，分成的兩部分，經(jīng)過不同的路經(jīng)過不同的路程再程再相遇相遇時，時，McL 普通單色光：普通單色光：激光：激光： nm101013 ： m101013 ： M nm101069 ： km101021： M （實際上，一般為（實際上，一般為10 10 -1 -1 10 101 1m m）（理想情況）（理想情況） McM 光通過相干長度所需時間叫光通過相干長度所需時間叫相干時間。相干時間。2)2)、相干時間、相干時間（coherent lengthcoherent length）的長短來衡量的。的長短來衡量的。 光的單色性好，光的單色性好，