光的干涉課件

1、第一章 光的干涉第1頁，共34頁。光的本性是什么？ 波動性：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，共34頁。 什么是電磁波？ 什么是機(jī)械波？第3頁，共34頁。 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：電磁波在無線電波到射線之間可見光在結(jié)論：光是某一波段的電磁波。第4頁，共34頁。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，共34頁。三、光是一種橫波（光的傳播方向）（磁場分量）（電場分量）第6頁，共34頁。 電磁波的E和H與傳播

2、方向垂直，但對人眼或感光儀器起作用的是E。第7頁，共34頁。四、可見光譜 波長390nm760nm 頻率7.51014Hz4.11014Hz紅 760nm630nm橙 630nm590nm黃 590nm570nm綠 570nm500nm青 500nm460nm藍(lán) 460nm430nm紫 430nm400nm第8頁，共34頁。五、光強(qiáng) 光強(qiáng)(能流密度)：在單位時間內(nèi)通過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)度相對光強(qiáng)度第9頁，共34頁。1-2 波動的獨(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)，只要振動不十分強(qiáng)烈，就能保持自己的特性（頻率、振幅和振動方向）

3、按自己原來的傳播方向前進(jìn)，彼此不相互影響。第10頁，共34頁。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)傳播時在該點(diǎn)引起的位移的矢量和。返回退出第11頁，共34頁。3 波動的相干性（即波動的干涉） 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)象稱為波的干涉。干涉的充要條件： 頻率相等 相位差恒定 振動在一條直線上。說明： 干涉的結(jié)果：產(chǎn)生振動強(qiáng)度的非均勻分布，即出現(xiàn)干涉花樣。 干涉是波動的一大特征：凡出現(xiàn)干涉花樣的物理過程，一定是波動。 波動能量的傳遞：以振動形式在物質(zhì)中傳播，物質(zhì)本身并不隨波移動。 光

4、具有干涉現(xiàn)象，說明光是一種波動。第12頁，共34頁。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，則這兩個光源稱為相干光源；否則，稱為非相干光源。能產(chǎn)生干涉花樣的疊加稱為相干疊加；否則，稱為非相干疊加。（二）、相干疊加與非相干疊加設(shè)有兩列頻率相等、沿同一直線振動、相位不同的簡諧波：由疊加原理，設(shè)合振動為E，合振幅為A，合成后初相位為則：第13頁，共34頁。討論：1、由于振動強(qiáng)度 IA2，所以，合振動強(qiáng)度并不簡單地等于兩分振動強(qiáng)度和； 2、如同照相一樣，觀察和記錄的并非某一時刻的強(qiáng)度瞬時值，而是在一定時間間隔內(nèi)的時間平均值：第14頁，共34頁。 若

5、兩振動不中斷合振動平均強(qiáng)度達(dá)最大值干涉相長合振動平均強(qiáng)度達(dá)最小值干涉相消第15頁，共34頁。 若振動時斷時續(xù)，兩初位相獨(dú)立地變化，即：故：此時，合振動的平均強(qiáng)度為兩分振動強(qiáng)度之和第16頁，共34頁。問題：一個普通光源發(fā)出的兩列光波是否是一對相干光源?第17頁，共34頁。光源的最基本發(fā)光單元是分子、原子等第18頁，共34頁。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，共34頁。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。由于這兩部分光實(shí)際上都來自同一發(fā)光原子的同一次發(fā)光，它們滿足相干條件而成為相干

6、光。分開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，共34頁。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)出的兩列單色簡諧波，同時到達(dá)空間另一點(diǎn)P設(shè)兩點(diǎn)光源S1、S2的振動可表示為PdP0s1r1Nr2r0s2DySr第21頁，共34頁。當(dāng)它們同時到達(dá)P點(diǎn)時，其振動方程為：1、位相差：PdP0s1r1Nr2r0s2DySr第22頁，共34頁。2、光程 、光程差定義：介質(zhì)折射率與光波在該介質(zhì)中所通過的

7、路程的乘積，稱為光程，用表示；討論：當(dāng)光在真空中傳播時，n=n1=n2=1此時在均勻介質(zhì)中 即：介質(zhì)中光程等于相同時間內(nèi)光在真空通過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，共34頁。第24頁，共34頁。不同光線通過透鏡要改變傳播方向，會不會引起附加光程差？第25頁，共34頁。A、B、C 各點(diǎn)到F焦點(diǎn)的光程都相等。AaF比BbF經(jīng)過的幾何路程長，但BbF在透鏡中經(jīng)過的路程比AaF長，透鏡折射率大于1，折算成光程， AaF的光程與BbF的光程相等。解釋使用透鏡不會引起各相干光之間的附加光程差。第26頁，共34頁。二、干

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