光的干涉大学物理张三慧件.pptx
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1、几何光学几何光学:以光的直线传播规律为基础:以光的直线传播规律为基础 研究各种光学仪器的理论。研究各种光学仪器的理论。波动光学波动光学:研究光的电磁性质和传播:研究光的电磁性质和传播 规律,特别是干涉、衍射、偏振规律,特别是干涉、衍射、偏振 的理论和应用。的理论和应用。量子光学量子光学:以光的量子理论为基础,:以光的量子理论为基础,研究光与物质相互作用的规律。研究光与物质相互作用的规律。波动光学和量子光学,统称为物理光学。波动光学和量子光学,统称为物理光学。第第2222章章 光的光的干涉干涉22.1 杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉 22.2 相干光相干光22.5 光程光程22.6 薄膜干涉薄膜干涉2
2、2.8 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪 一、光的电磁波本质:一、光的电磁波本质:1、光速和折射率、光速和折射率真空中真空中介质中介质中=2.99792458108 ms-1折射率折射率光在介质中光在介质中频率不变频率不变ucn=rrem=001em=cln=u2 2、光强、光强SEH二、光的单色性二、光的单色性同一频率的光为单色光。同一频率的光为单色光。不同频率的光复合为不同频率的光复合为复色光。复色光。可见光:可见光:oA7700=loA3500三、光源三、光源发光时间发光时间 10-8秒秒 =(E2-E1)/hE1E2能级跃迁辐射能级跃迁辐射波列波列波列长波列长L=c 辐射跃迁与波列辐射跃迁
3、与波列 光源的最基本发光单元是分子、光源的最基本发光单元是分子、原子。原子。1.普通光源:普通光源:自发辐射自发辐射 独立独立(不同原子发的光不同原子发的光)独立独立(同一原子先后发的光同一原子先后发的光)普通光源发光普通光源发光(自发辐射自发辐射)一个原子发光是一个原子发光是间歇间歇的的不同原子发光是不同原子发光是独立独立的的独立独立指:指:前后发光间隔;前后发光间隔;频率;频率;相位关系;相位关系;振动方向;振动方向;传播方向传播方向 2.激光光源:激光光源:受激辐射受激辐射 =(E2-E1)/hE1E2 完全一样完全一样(频率、相位、频率、相位、振动方向振动方向)激光光源发光激光光源发光
4、(受激辐射受激辐射)22.2 22.2 相干光相干光 同一时刻,各个分子、原子的各次发同一时刻,各个分子、原子的各次发光完全是相互独立、互不相关的。所发出光完全是相互独立、互不相关的。所发出的光波的频率、振动方向和周相各不相同的光波的频率、振动方向和周相各不相同.1.1.非相干叠加:非相干叠加:I=II=I1 1+I+I2 2光的叠加:光的叠加:2.相干光叠加:相干光叠加:I=I1+I2+2(I1I2)1/2cos相干光:相干光:满足相干条件的光满足相干条件的光 相干条件:相干条件:振动方向振动方向相同相同 频率频率相同相同 相位差相位差恒定恒定12A A1 1A A2 2PAPS2r2III
5、III1 1+I+I2 2相消相消相长相长同频率、同振动方向、相差恒定的光叠加同频率、同振动方向、相差恒定的光叠加r1S12.2.相干叠加:相干叠加:干涉条件干涉条件光程差光程差明纹明纹暗纹暗纹级数级数13二、由普通光源获得相干光的途径二、由普通光源获得相干光的途径 PS*分振幅法:分振幅法:P薄膜薄膜S*两束相干两束相干光在光在 P 点点相干叠加相干叠加分波面法:分波面法:pxDdr1r2 ox1Ix0 x-1xx x缝平面缝平面观察屏观察屏S1S2 双缝干涉双缝干涉 一、双缝干涉一、双缝干涉装置装置22.1 杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉干涉问题要分析:干涉问题要分析:(1)相干光相干光?(2)
6、波程差波程差(光程差光程差)计算计算(3)条纹特点条纹特点(形状、位置、形状、位置、分布、条数、移动等分布、条数、移动等)(4)光强公式、光强曲线光强公式、光强曲线EFS S1 1和和S S2 2是光源是光源 S S的子波的子波EFEF是接收屏是接收屏SS1S2*分波阵面法分波阵面法杨氏双缝干涉分析杨氏双缝干涉分析1 1、光程差、光程差 d=r2-r1 d sin 很小很小sin tg =x/Dxr r1 1r r2 2oS S1 1S S2 2Dpxd 单色光入射单色光入射:D D d d单色光入射单色光入射 Dxd=d波程差:波程差:相位差:相位差:2 2、相干光:、相干光:S1、S2发的
7、光发的光xr r1 1r r2 2oS S1 1S S2 2Dpxd =2k 3、干涉条纹、干涉条纹(1)条纹位置条纹位置明纹明纹 暗纹暗纹 =(2k+1)条纹间距:条纹间距:ldDx=DD d x=0级亮纹级亮纹+1级级+2级级-1级级-2级级 x观察屏观察屏暗纹暗纹单色光入射时双缝干涉的条纹单色光入射时双缝干涉的条纹(2)条纹特点条纹特点形状:形状:明暗相间的直条纹明暗相间的直条纹(平行于缝平行于缝)分布:分布:条纹均匀条纹均匀 分布分布条纹间距条纹间距 可由此测可由此测。级次级次:中间条纹中间条纹级次级次低。低。中央明纹中央明纹-1级级-2级级 x观察屏观察屏1级级2级级 x白光入射时双
8、缝干涉的条纹白光入射时双缝干涉的条纹 某条纹级次某条纹级次=该条纹该条纹相应的相应的 之值之值 白光入射:白光入射:0级明纹为白色级明纹为白色(可用来可用来定定0级位置级位置),其余明纹为其余明纹为彩色条纹彩色条纹(x )。r2-r1 二、光强公式二、光强公式 光强曲线光强曲线1 光强公式光强公式由由I=I1+I2+2(I1I2)1/2cos 若若I1=I2=I0 ,则有,则有I=4I0cos2()2其中其中 =()d sin 2 I0 2-2 4-4 k012-1-24I0 x0 x1x2x-2x-1sin 0(/d)-(/d)-2(/d)2(/d)双缝干涉的光强曲线双缝干涉的光强曲线 24
9、 双缝干涉条纹照片双缝干涉条纹照片思考:第思考:第2级条纹开始可能出现重叠级条纹开始可能出现重叠 为什么为什么?白光白光 干涉花样干涉花样*条纹间距条纹间距相等相等D和和 不变不变,x与缝距与缝距d成反比。成反比。dEFDdEFDD和和d不变不变,x与波长成与波长成正比。正比。xDkkxxx-=D+1()dDkdDkll-+=1dDl=26*合成的最大光强是原光强的合成的最大光强是原光强的4 4倍。倍。Ixd4I002042IIAIAA=Q27三、其他分波面干涉实验三、其他分波面干涉实验 其他分波面干涉装置其他分波面干涉装置 双面镜双面镜、双棱镜双棱镜、洛埃镜洛埃镜28(1)菲涅尔双棱镜)菲涅
10、尔双棱镜S1S2干涉条纹由干涉条纹由S S1 1和和S S2 2的光线叠加产生。的光线叠加产生。EFEF是干涉条纹范围。是干涉条纹范围。S S1 1和和S S2 2是是S S的虚象的虚象相干虚光源相干虚光源EF29干涉条纹由干涉条纹由S S1 1和和S S的光叠加产生。的光叠加产生。F FE EM M(2 2)洛埃镜)洛埃镜S SC C 处出现的是暗条纹,说明处出现的是暗条纹,说明光疏到光光疏到光密媒质密媒质的的反射光反射光有有半波损失半波损失。CS S1 1EFEF是干涉条纹范围。是干涉条纹范围。条纹与杨氏双缝的明暗纹刚好相反条纹与杨氏双缝的明暗纹刚好相反.30例例 杨氏双缝的间距为杨氏双缝
11、的间距为0.2mm,距离屏幕为,距离屏幕为1m。(1)若第一到第四明纹距离为)若第一到第四明纹距离为7.5mm,求入射光波长。,求入射光波长。(2)若入射光的波长为)若入射光的波长为600nm,求相邻两明纹的间距。,求相邻两明纹的间距。解:解:31dab(a)光在真空中传播光在真空中传播光在真空中走光在真空中走d长的路长的路 真空中波长真空中波长22.5 光程光程dabn媒质媒质(b)光在媒质中传播光在媒质中传播 光在媒质中走光在媒质中走d长的路长的路 n媒质中波长光通过媒质时 不变可见可见:光在媒质中走光在媒质中走 d 长的路的长的路的相位变化等于在真空中走相位变化等于在真空中走 n d 路
12、路的相位变化。的相位变化。cn c n n=u=n(2).(2).光程光程xnx=折射率折射率nXSummary(Summary(1).1).介质中介质中频率不变,波速u、波长波长变小变小n倍倍把介质中的几何路程按相位变化相同折算到真空中把介质中的几何路程按相位变化相同折算到真空中。nx=三、光程差三、光程差d d:两列光的光程之差。两列光的光程之差。n1n2l1l21221211lllnn-()()2l+=dExEx:S1S2r1r2dnp Ex Ex 在在S S2 2P P间插入折射率为间插入折射率为n n、厚度为、厚度为d d的的媒质媒质,求:光由求:光由S1S1、S2S2到到P P的相
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