第6章光的干涉.pptx
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1、 光的干涉光的干涉(Interference of Light)两光波在空间相遇形成稳定的强弱分布两光波在空间相遇形成稳定的强弱分布,称为干涉称为干涉目目 录录6.1 光的发光机制光的发光机制 6.1.1 光源的发光机制 相干光 6.1.2 光程与光程差6.2 分波阵面干涉分波阵面干涉 6.2.1 杨氏双缝干涉 6.2.2 劳埃德镜与半波损失的验证6.3 分振幅干涉分振幅干涉 6.3.1 等倾干涉 6.3.2 等厚干涉 6.3.3 牛顿环 6.3.4 迈克尔孙干涉仪第六章第六章 波动光学波动光学(Wave Optics)6.4 光的衍射光的衍射 6.4.1 光的衍射现象 6.4.2 惠更斯-菲
2、涅耳原理 6.4.3 菲涅耳衍射 夫琅和费衍射6.5 夫琅和费的单缝衍射夫琅和费的单缝衍射 6.5.1 夫琅和费单缝衍射的实验装置 6.5.2 用菲涅耳半波带分析夫琅和费单缝衍射图样 6.5.3 单缝衍射的条纹分布6.6 夫琅和费的圆孔衍射夫琅和费的圆孔衍射 光学仪器的分辨本领光学仪器的分辨本领 6.6.1 夫琅和费的圆孔衍射 6.6.2 光学仪器的分辨本领6.7 光栅衍射光栅衍射 6.7.1 光栅 6.7.2 光栅衍射条纹特点 6.7.3 光栅光谱 6.7.4 光栅的分辨本领 6.8 晶体对晶体对X射线的衍射射线的衍射 6.8.1 X射线的衍射实验 6.8.2 布拉格公式6.9 光的偏振性光
3、的偏振性 6.9.1 自然光 线偏振光 部分偏振光 6.9.2 偏振片起偏 马吕斯定律 6.9.3 反射和折射起偏 布儒斯特定律 6.9.4 双折射起偏 6.9.5 偏振棱镜 波片 6.10 偏振光的干涉偏振光的干涉 6.10.1 椭圆偏振光 圆偏振光 6.10.2 偏振光的干涉第一丝光线照临大地,第一丝光线照临大地,新的一天开始了!新的一天开始了!光:光:light地球的母亲!地球的母亲!万物生长靠太阳万物生长靠太阳万物通过光进入我们的生活,没有光就没有光明!万物通过光进入我们的生活,没有光就没有光明!太阳的能量就是通过光波送到地球!太阳的能量就是通过光波送到地球!五光十色,缤纷的世界,光是
4、主角!五光十色,缤纷的世界,光是主角!光通信技术!光通信技术!激光的发明,一场新技术革命!激光的发明,一场新技术革命!通过光,人类知道遥远的星空发生的事件!通过光,人类知道遥远的星空发生的事件!通过光,人类知道微观世界发生的事件!通过光,人类知道微观世界发生的事件!.触觉触觉1.5%1.5%味觉味觉1%听觉听觉11%嗅觉嗅觉3.5%视觉视觉83.5%人类获取信息人类获取信息 的主要途径:的主要途径:83%来自视觉,11%来自听觉,3.5%来自嗅觉,1.5%来自触觉,1%来自味觉。研究对象:研究对象:光的本性、光现象、光与物质的相互作用。光的本性、光现象、光与物质的相互作用。光学发展经历了四个阶
5、段光学发展经历了四个阶段一、几何光学时期一、几何光学时期(17-18世纪世纪)以光的直线传播规律为基础,研究各种成像光学仪器的理以光的直线传播规律为基础,研究各种成像光学仪器的理论。论。二、波动光学二、波动光学(19世纪初世纪初)光的电磁性质和传播规律,特别是干涉、衍射、偏振的理光的电磁性质和传播规律,特别是干涉、衍射、偏振的理论与应用论与应用三、量子光学时期三、量子光学时期(19世纪末世纪末-20世纪初世纪初)以光的量子理论为基础以光的量子理论为基础,研究光与物质的相互作用研究光与物质的相互作用,光的光的波粒二象性、光子波粒二象性、光子四、现代光学时期四、现代光学时期(20世纪世纪60年代末
6、年代末)激光、全息摄影、光导纤维、光学计算机、傅里叶光学、激光、全息摄影、光导纤维、光学计算机、傅里叶光学、红外技术、遥感、遥测等红外技术、遥感、遥测等 1704年,牛顿在年,牛顿在光学光学中主张光是粒子流,中主张光是粒子流,但但 光的粒子流无法解释牛顿环。光的粒子流无法解释牛顿环。1678年,惠更斯年,惠更斯论光论光主张光是一种波,传主张光是一种波,传播光的介质是播光的介质是“以太以太”。1637年,笛卡儿在年,笛卡儿在屈光学屈光学中提出光的折射中提出光的折射定律。定律。1800年,托马斯年,托马斯杨设计了杨氏双缝实验,证杨设计了杨氏双缝实验,证明了光的干涉现象。明了光的干涉现象。1815年
7、,菲涅耳完善了惠更斯理论,提出了子年,菲涅耳完善了惠更斯理论,提出了子波相干的思想。波相干的思想。1900年,普朗克提出量子假说。年,普朗克提出量子假说。1905年爱因斯年爱因斯坦提出了光量子假设,光又一次被认为是粒子流。坦提出了光量子假设,光又一次被认为是粒子流。1923 年,德布罗意提出光和实物粒子都具有波年,德布罗意提出光和实物粒子都具有波粒二象性。粒二象性。光的波动说无法解释光电效应,但粒子说可以解光的波动说无法解释光电效应,但粒子说可以解释。它的思想是爱因斯坦光量子理论的起源。释。它的思想是爱因斯坦光量子理论的起源。光色光色 波长波长(nm)频率频率(Hz)中心波长中心波长(nm)红
8、红 760622 橙橙 622597 黄黄 597577 绿绿 577492 青青 492470 兰兰 470455 紫紫 455400 可可见见光光七七彩彩颜颜色色光的单色性光的单色性660610570540480460430 6.1 6.1 光源的发光机制光源的发光机制光源的发光机制光源的发光机制(The luminous principle of light source)(The luminous principle of light source)光源的发光是大量的分子或原子进行的一种微观过程光源的发光是大量的分子或原子进行的一种微观过程6.1.1 光源的发光机制光源的发光机制 相干
9、光相干光-13.6eV-3.4eV-1.5eVE1E2E3E 0 21=(E2E1)/h普通光源发光特点普通光源发光特点:1)自发辐射自发辐射(spontaneous radiation);2)每一次发光持续时间很短每一次发光持续时间很短(10-8s)波列长度波列长度 L=c 普通光源普通光源独立独立(不同原子同时发出的光不相干不同原子同时发出的光不相干)独立独立(同一原子先后发出的光不相干同一原子先后发出的光不相干)激光光源发光特点激光光源发光特点:1)受激辐射受激辐射(stimulated radiation);2)每一次发光持续时间较长每一次发光持续时间较长E2E1普通光源发出的两束光在
10、空间相遇很难产生相干叠加普通光源发出的两束光在空间相遇很难产生相干叠加,这这样的光称为样的光称为非非相干光相干光(noncoherent light)。激光光源发出的两束光在空间相遇能产生相干叠加激光光源发出的两束光在空间相遇能产生相干叠加,这样的光称为这样的光称为相干光相干光(coherent light)。怎样获得相干光怎样获得相干光?Ps*分波面法分波面法分振幅法分振幅法 P薄膜薄膜s*将光源同一点、同一时刻发出的同一列光波将光源同一点、同一时刻发出的同一列光波“一分为二一分为二”。6.1.2 光程光程(optical path)光程差光程差(optical path differenc
11、e)两光波在空间某点两光波在空间某点P相遇相遇,讨论相遇点的光强分布。讨论相遇点的光强分布。1 2 AA1A2 P点的光振动合成矢量图点的光振动合成矢量图设设 01、02分别为分别为s1、s2光源的初相光源的初相;A1、A2分别为分别为s1、s2 在在P点的振幅点的振幅,1和和 2为两波在为两波在r1和和r2两段路程上介两段路程上介质中的波长质中的波长,则两波在则两波在P点的振动为点的振动为由波的叠加原理可知在相遇点由波的叠加原理可知在相遇点P合振动的振幅平方为合振动的振幅平方为光强分布为光强分布为:其中其中 为两波在真空中的波长为两波在真空中的波长,令令 n2r2n1r1定义定义:光在媒质中
12、通过的路程光在媒质中通过的路程(r)与媒质折射率与媒质折射率(n)的的 乘积乘积(nr)称称为为光程光程(optical path)n2r2n1r1称称为为光程差光程差(optical path difference)光强分布与相位差光强分布与相位差 有关有关真空中:真空中:rab 介质中:介质中:abnr 介质介质 介质中波长介质中波长 真空中波长真空中波长这这表表明明,光光在在介介质质中中传传播播路路程程 r和和在在真真空空中中传传播播路路程程 nr 引引起起的的相相位位差差相相同同。我我们们称称 nr为介质中与路程为介质中与路程 r相应的光程。相应的光程。为为方方便便计计算算光光经经过过
13、不不同同介介质质时时引引起起的的相相差差,引入光程的概念。引入光程的概念。当当 01=02时时光程差与相位差之间关系光程差与相位差之间关系:干涉加强干涉加强(明纹明纹)干涉减弱干涉减弱(暗纹暗纹)薄透镜的等光程性薄透镜的等光程性(记住记住)PPFPP等光程等光程等光程等光程F焦焦平平面面透镜成象均为亮点表明各条光线在会聚点相位相同透镜成象均为亮点表明各条光线在会聚点相位相同,也也就是各条光线光程相等。就是各条光线光程相等。ss重要结论重要结论:透镜可以改变光线的传播方向透镜可以改变光线的传播方向,但对物、象但对物、象 间各光线不会引起附加的光程差。间各光线不会引起附加的光程差。6.2 6.2
14、分波阵面的干涉分波阵面的干涉分波阵面的干涉分波阵面的干涉 (The interference of dividing wave front)(The interference of dividing wave front)1.实验装置实验装置(1801年年)托马斯托马斯 杨杨(Thomas Young)1773-1829,英国英国物理学家物理学家观察屏观察屏Ess2s1面光源面光源L6.2.1 杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉(Young double-slit interference)Thomas Yong(1773 1829)英国医生兼物理学家,光的波动说英国医生兼物理学家,光的波动说的奠基人之
15、一。主要成就有:的奠基人之一。主要成就有:(1)1793年发现了眼睛晶状体的年发现了眼睛晶状体的聚焦聚焦作用;作用;(2)1801年的年的杨氏双缝杨氏双缝干涉实验,首次引入干涉实验,首次引入 “干涉干涉”概念论证了光的波动说,并解概念论证了光的波动说,并解释释 了了牛顿环牛顿环的成因及薄膜的的成因及薄膜的彩色彩色;(4)第一个测定了第一个测定了7种颜色光的种颜色光的波长波长;从生理角度说明了人从生理角度说明了人 眼的眼的色盲现象色盲现象,提出了提出了三原色三原色理论。理论。(3)1817年提出光是年提出光是横波横波。(5)对声学、弹性力学、考古学都颇有研究。对声学、弹性力学、考古学都颇有研究。
16、I 2.干涉条纹分析干涉条纹分析xD0dPr1r2两光波在两光波在P点处的光强点处的光强:设设 01、02分别为分别为s1、s2相干光的初相相干光的初相;A1、A2分别为分别为s1、s2 在在P点的振幅。假设点的振幅。假设A0A1A2,01 02图中图中:相邻实线与相邻实线与虚线的相位差为虚线的相位差为 P点处的相位差点处的相位差:k=0,1,2,.明纹中心明纹中心k=1,2,.暗纹中心暗纹中心 =2k k=0,1,2,.明纹中心明纹中心 =(2k-1)k=1,2,.暗纹中心暗纹中心 为真空中的波长为真空中的波长,k称为级数。称为级数。P点处的光程差为点处的光程差为1)干涉条纹的光程差分布干涉
17、条纹的光程差分布xk=1k=-1k=-1k=1k=0k=-2 k=2k=-2 k=2当当 很小时很小时(n1 rA BD12 f iP ioEL1、2二束光的光程差为二束光的光程差为:为附加光程差为附加光程差=/2 or 0,由周围的介质折射率决定。由周围的介质折射率决定。1)点光源照射时干涉条纹的分布点光源照射时干涉条纹的分布k=1,2,3,.明明k=0,1,.喑喑入射角入射角:i,折射角折射角:r C en1n1n2 n1 rA BD12 f iP ioEL倾角倾角 i 相同相同,也相同也相同,而而 相相同的点构成同一级干涉同的点构成同一级干涉条纹条纹,故称为故称为等倾条纹等倾条纹(equ
18、al inclination fringes)。L fP en1n1n2 n1i rA C21Siii 112PBPPofen1n1n2 n1oiPi面光源面光源2)面光源照明时干涉条纹的分布面光源照明时干涉条纹的分布s1、s2、s3发发出出的的光光只只要要入入射射角角 i 相相同同,都都将将会聚在同一个圆环上。会聚在同一个圆环上。s1s2s3分振幅干涉分振幅干涉,使用面光源时使用面光源时,每个点光源产生的一组同心每个点光源产生的一组同心圆条纹彼此互相重叠。圆条纹彼此互相重叠。等倾条纹照相等倾条纹照相2)薄膜厚度变化薄膜厚度变化,条纹有何变化条纹有何变化?e 增加时增加时,条纹向外移条纹向外移
19、,条纹从中央条纹从中央“冒冒”出出思考思考:移动一个条纹移动一个条纹,薄膜厚度薄膜厚度 e 改变多少改变多少?设观察中心处设观察中心处(i=0),k和和k+1级对应厚度为级对应厚度为ek 和和ek1空气膜空气膜:1)i 越大越大 越小越小 所以越向外所以越向外,条纹级次条纹级次k越小越小;中心处级次最大。中心处级次最大。e 减少时减少时,条纹向里移条纹向里移,条纹从中央条纹从中央“缩缩”进进介质膜介质膜:讨论讨论:e3.透射光的干涉透射光的干涉1光束光束:ACD2光束光束:ACBE各级明纹为彩色条纹各级明纹为彩色条纹;对同级而言对同级而言,红色在内紫色在外。红色在内紫色在外。n1,n2,e 保
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