干涉光双缝干涉.ppt

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1、波动光学一、光源一、光源1.1.1.1.光源的发光机理光源的发光机理光源的发光机理光源的发光机理 凡能发光的物体称为凡能发光的物体称为光源光源。按发光的激发方式光源可分为：按发光的激发方式光源可分为：热光源热光源由热能激发，如白炽灯、碳火、太阳等。由热能激发，如白炽灯、碳火、太阳等。冷光源冷光源由化学能、电能或光能激发，如萤火、磷由化学能、电能或光能激发，如萤火、磷火、日光灯等。火、日光灯等。作为光学光源的是作为光学光源的是热光源。热光源。12.1 光源光源 光的相干性光的相干性光通讯2.2.2.2.可见光的颜色和光谱可见光的颜色和光谱可见光的颜色和光谱可见光的颜色和光谱 光的光的颜颜色与色与

2、频频率、波率、波长对长对照表照表光色光色波波长长范范围围()频频率范率范围围(Hz)红红7 6007 6006 2206 2203.9103.91014144.7104.7101414橙橙6 2206 2205 9705 9704.7104.71014145.0105.0101414黄黄5 9705 9705 7705 7705.0105.01014145.5105.5101414绿绿5 7705 7704 9204 9205.5105.51014146.3106.3101414青青4 9204 9204 5004 5006.3106.31014146.7106.7101414蓝蓝4 5004

3、 5004 3504 3506.7106.71014146.9106.9101414紫紫4 3504 3503 9003 9006.9106.91014147.7107.7101414折射率各异折射率各异四、可见光的波长范围四、可见光的波长范围 ：400 760 nm （4000 7600 )紫：紫：400 450 nm 蓝：蓝：450 500 nm 绿：绿：500 580 nm 黄：黄：黄：黄：580 600 nm 580 600 nm 橙：橙：600 620 nm 红：红：620 760 nm 1 =m 2）引起眼睛视觉效应和光化学效应的是光波场中的）引起眼睛视觉效应和光化学效应的是光波场

4、中的电场电场。ZXY定义：光矢量定义：光矢量-光振动中的电矢量光振动中的电矢量光振动光振动-电矢量周期性的变化。电矢量周期性的变化。3 3 3 3、光强、光强、光强、光强光振动指的是电场强度随时间周期性地变化光振动指的是电场强度随时间周期性地变化光的强度光的强度(即平均能流密度即平均能流密度)IE02 平面谐波平面谐波发光的随机性发光的随机性 发光的间歇性发光的间歇性 A）普通光源）普通光源-由自发（随机）幅射发出的光。由自发（随机）幅射发出的光。E2E1E3L1L2光的相干性：相干光源光的相干性：相干光源热热光光源源独立独立(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

5、先后发的光)没有办法获得相关光了？没有办法获得相关光了？特点特点：原子发光是随机的、间歇性的，：原子发光是随机的、间歇性的，两列光波的两列光波的振动方向振动方向不可能一致，不可能一致，相位差相位差不可能恒定不可能恒定A）普通光源）普通光源光的相干性：相干光源光的相干性：相干光源冷光源：冷光源：A）普通）普通 光源光源电致发光电致发光-电场激发；电场激发；光致发光光致发光-由由X射线、放射线、可见光激发；射线、放射线、可见光激发；化学发光化学发光-由化学能激发（萤火虫）由化学能激发（萤火虫）热光源热光源-由热能激发由热能激发白炽灯的辐射光谱白炽灯的辐射光谱B）激光光源）激光光源激光器激光器Las

6、er由受激幅射产生的光由受激幅射产生的光 2 2.激光光源：受激辐射：激光光源：受激辐射：=(E2-E1)/h 频率频率、相位相位、振动方向振动方向完全一样完全一样 （激激光光高高亮亮度度、高高方方向向性性、高高单单色色性性和和高高相相干干性性。）E11.处于较低能级的粒子在受到外界的激发处于较低能级的粒子在受到外界的激发,吸收了能量时，跃迁到与此能量相对应的较吸收了能量时，跃迁到与此能量相对应的较高能级。这种跃迁称为受激吸收。高能级。这种跃迁称为受激吸收。2.1917年爱因斯坦从理论上指出：除自发辐射外，处于高能级年爱因斯坦从理论上指出：除自发辐射外，处于高能级E2上的粒子还可以另一上的粒子

7、还可以另一方式跃迁到较低能级。他指出当频率为方式跃迁到较低能级。他指出当频率为=（E2-E1）/h的光子的光子(弱光弱光)入射时，也会引发入射时，也会引发粒子以一定的概率，迅速地从能级粒子以一定的概率，迅速地从能级E2跃迁到能级跃迁到能级E1，同时辐射一个与，同时辐射一个与外来光子频率、外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子相位、偏振态以及传播方向都相同的光子（多次反射，变为强光多次反射，变为强光），这个过程称为），这个过程称为受受激辐射。激辐射。实际上，严格的单色光源是没有的，总有一定的波长范围。实际上，严格的单色光源是没有的，总有一定的波长范围。II0/2I0谱线宽度谱线宽度2

8、.2.相干条件（类似与波动相干）相干条件（类似与波动相干）（1）频率相同频率相同；（2）振动方向相同振动方向相同；（3）相位差恒定相位差恒定1.1.光的干涉现象光的干涉现象2.2.满足相干条件的两列光在空间中形成的明显的满足相干条件的两列光在空间中形成的明显的振动加强振动加强和和振动减弱振动减弱的的稳定图谱的现象稳定图谱的现象3.3.相干光源相干光源 满足相干条件的光源满足相干条件的光源光的干涉现象、条件光的干涉现象、条件激光束干涉实验激光束干涉实验1.1.分波阵面方法分波阵面方法 三、相干光的获得三、相干光的获得同一波阵面上的不同部分产生次级波相干同一波阵面上的不同部分产生次级波相干利用光的

9、反射和折射，将同一光束分割成振幅较小的两利用光的反射和折射，将同一光束分割成振幅较小的两束相干光束相干光PS*2.2.分振幅的方法分振幅的方法3.3.激光（高度相干的光源）激光（高度相干的光源）薄薄 膜膜PS*将非相干光变为相干光的原则是：将非相干光变为相干光的原则是：“同出一源，分之为二同出一源，分之为二”将光源上一个发光点的光分成两束，各经历不同的路径再会合迭加，可将光源上一个发光点的光分成两束，各经历不同的路径再会合迭加，可满足相干条件产生干涉（满足相干条件产生干涉（分波面法和分振幅法分波面法和分振幅法）。）。三）光波的叠加三）光波的叠加讨论同方向、同频率的光的叠加讨论同方向、同频率的光

10、的叠加S1S2P设：设：P点的光强度：点的光强度：P点的合振幅点的合振幅PP点的光强度：点的光强度：S1S2P点的合振幅点的合振幅因原子每次发光时间只有因原子每次发光时间只有10-8秒秒，每对光波列叠，每对光波列叠加的时间极短，而人眼的加的时间极短，而人眼的“响应时间响应时间”人只能观察到其光强度的平均值人只能观察到其光强度的平均值 I。S1S2PP点的光强度：点的光强度：人只能观察到其光强度的平均值人只能观察到其光强度的平均值 I。1）非相干叠加非相干叠加不能保持恒定的光波的叠加不能保持恒定的光波的叠加非相干叠加时的光强度等于叠非相干叠加时的光强度等于叠 加的两光波的强度之和。加的两光波的强

11、度之和。2）相干叠加相干叠加保持恒定的光波的叠加保持恒定的光波的叠加无条纹无条纹 仅仅是亮度增加仅仅是亮度增加2）相干叠加相干叠加保持恒定的光波的叠加保持恒定的光波的叠加r1r2S1S2S纵截面图纵截面图r1r2S1S2S纵截面图纵截面图2）相干叠加）相干叠加保持恒定的光波的叠加保持恒定的光波的叠加P讨论：讨论：若：若：r1r2S1S2SXI 光场中一点光场中一点r2-r1不同，不同，有的地方光强增为原来的四倍（有的地方光强增为原来的四倍（亮点亮点），有的地方为零（），有的地方为零（暗点暗点）-光的干涉光的干涉不同，则不同，则可见：可见：干涉相长干涉相长干涉相消干涉相消1、实验装置与条纹分布、

12、实验装置与条纹分布k=+1k=-2k=+2k=0k=-1S1S2S*I明暗相间明暗相间的的等距离等距离的条纹的条纹对称分布对称分布于中心于中心O O点两侧，点两侧，中央是明条纹中央是明条纹 .2 杨氏双缝实验杨氏双缝实验点光源点光源实实 验验 装装 置置一、杨氏双缝干涉实验一、杨氏双缝干涉实验波程差波程差2、杨氏干涉条纹的位置、杨氏干涉条纹的位置干涉加强、明纹中心位置干涉加强、明纹中心位置干涉减弱、暗纹中心位置干涉减弱、暗纹中心位置Ddr2r1xK级相差级相差K个波长个波长中央明条纹中央明条纹S1S2dDXOPCXI-1级暗纹级暗纹2级暗纹级暗纹1级暗纹级暗纹-2级暗纹级暗纹1级明纹级明纹0级

13、明纹级明纹-1级明纹级明纹2级明纹级明纹-2级明纹级明纹讨论：讨论：1）对应不同的）对应不同的k值，将有一对明或暗纹出现在中值，将有一对明或暗纹出现在中 央明纹两侧，央明纹两侧，k称之为干涉级。称之为干涉级。2）杨氏干涉的条纹是等间距的，且）杨氏干涉的条纹是等间距的，且S1、S2间距越间距越 大，条纹越密。大，条纹越密。以明纹为例以明纹为例=常数常数若为白光入射，条纹两侧出现彩色条纹，干涉级若为白光入射，条纹两侧出现彩色条纹，干涉级高的条纹重叠。高的条纹重叠。条纹位置条纹位置 ；条纹间距；条纹间距 D、不变时，同一级条纹的位置不变时，同一级条纹的位置条纹向中央聚拢，变得密集条纹向中央聚拢，变得

14、密集 （flashflash）条纹向两边分散，变得稀疏条纹向两边分散，变得稀疏 （flashflash）便于观察便于观察 d、不变时，同一级条纹的位置不变时，同一级条纹的位置即屏越远越易于观察即屏越远越易于观察 d、D不变时，同一级条纹的位置不变时，同一级条纹的位置红光条纹间距最大红光条纹间距最大，紫光条纹间距最小紫光条纹间距最小即红光条纹带最宽，紫光条纹带最窄即红光条纹带最宽，紫光条纹带最窄XI若为白光入射，条纹两侧出现彩色条纹若为白光入射，条纹两侧出现彩色条纹S1S2dDXOP-1级暗纹级暗纹2级暗纹级暗纹1级暗纹级暗纹-2级暗纹级暗纹1级明纹级明纹0级明纹级明纹-1级明纹级明纹2级明纹级

15、明纹-2级明纹级明纹C4.4.D、a 一定时，一定时，或或 若用白光照射双缝，屏上中心明纹仍为白色，两侧对称分布各若用白光照射双缝，屏上中心明纹仍为白色，两侧对称分布各级级紫内红外紫内红外的的彩色条纹彩色条纹。更高级次的彩色条纹可能会发生重叠。更高级次的彩色条纹可能会发生重叠 。123402233 3110中央明纹中央明纹 1230S1S2dDXOPCXI-1级暗纹级暗纹2级暗纹级暗纹1级暗纹级暗纹-2级暗纹级暗纹1级明纹级明纹0级明纹级明纹-1级明纹级明纹2级明纹级明纹-2级明纹级明纹讨论：讨论：实际上，严格的单色光源是没实际上，严格的单色光源是没有的，总有一定的波长范围。有的，总有一定的波

16、长范围。干涉级高的干涉级高的条纹重叠条纹重叠II0/2I0谱线宽度谱线宽度IX高高干干涉涉级级的的条条纹纹看看不不清清了了1 1）明条纹和暗条纹等间距，与干涉级）明条纹和暗条纹等间距，与干涉级 k 无关；无关；两两相邻明（或暗）条纹中心的距离称为条纹间距。相邻明（或暗）条纹中心的距离称为条纹间距。3）若用多色光源，则干涉条纹是彩色的。）若用多色光源，则干涉条纹是彩色的。2 2）在）在加大波长，干涉现象变得明显，是干涉的通性。加大波长，干涉现象变得明显，是干涉的通性。k 相同时相同时，波长较短的条纹靠近中央，波长较短的条纹靠近中央，波长较长波长较长的条纹远离中央，的条纹远离中央，两种波长同时入射

17、：两种波长同时入射：例例1 1 设计利用杨氏双缝干涉测量光波长的试验。设计利用杨氏双缝干涉测量光波长的试验。方法一：方法一：方法二：方法二：解解 需测得第需测得第k级暗条纹中心的位置级暗条纹中心的位置0Xx1x2x-1x-2 需测得相邻两暗条纹中心的距离需测得相邻两暗条纹中心的距离二二 分波前干涉的其它一些实验分波前干涉的其它一些实验1 菲涅耳双面镜实验：菲涅耳双面镜实验：实验装置：实验装置：明条纹中心的位置明条纹中心的位置屏幕上屏幕上O点在两个虚光源连线的垂直平分线上，屏幕点在两个虚光源连线的垂直平分线上，屏幕上明暗条纹中心对上明暗条纹中心对O点的偏离点的偏离 x为：为：暗条纹中心的位置暗条

18、纹中心的位置光栏光栏DdSS1S22 洛埃镜实验洛埃镜实验光栏光从光从光疏介质射向光密介质光疏介质射向光密介质界面时，在掠射或正射两种情况下，在界面时，在掠射或正射两种情况下，在反射过程中产生反射过程中产生“半波损失半波损失”。存在半波损耗：存在半波损耗：明条纹明条纹-暗条纹暗条纹SS1求：求：(1)该单色光波长该单色光波长1；（；（2）若另一波长）若另一波长2 照射，发现照射，发现 第四级明纹正好与第四级明纹正好与1 的第五级明纹重合，求的第五级明纹重合，求2 。例例1：已知：已知：已知：已知：解解:(1)由双缝干涉条纹间距公式由双缝干涉条纹间距公式，得，得 (2)由双缝干涉明纹公式由双缝干

19、涉明纹公式 得得 用白光照射杨氏双缝，双缝间距为用白光照射杨氏双缝，双缝间距为 a，缝与屏距为，缝与屏距为 D，试求试求:能观察到的清晰可见光谱的级次。能观察到的清晰可见光谱的级次。例例2：01233 321中央明纹中央明纹 解解:由明纹公式由明纹公式 得重叠条件得重叠条件:只有只有 1 级完整的光谱。级完整的光谱。例例12.112.1用用单单色色光光照照射射相相距距0.4mm的的双双缝缝，缝缝屏屏间间距距为为1m.(1)从从第第1 1级级明明纹纹到到同同侧侧第第5级级明明纹纹的的距距离离为为6 mm，求求此此单单色色光光的的波波长长；(2)若若入入射射的的单单色色光光波波长长为为4000的的

20、紫紫光光，求求相相邻邻两两明明纹纹间间的的距距离离；(3)上上述述两两种种波波长长的的光光同同时时照照射射时时，求求两两种种波波长长的的明明条条纹纹第第1次次重重合合在在屏屏幕幕上上的的位位置置，以以及及这这两两种种波波长长的的光光从从双双缝缝到到该该位置的波程差位置的波程差.解解 (1)由双缝干涉明纹条件由双缝干涉明纹条件 ，可得，可得(2)当当 时时，相，相邻邻两明两明纹间纹间距距为为(3)设设两两种种波波长长的的光光的的明明条条纹纹重重合合处处离离中中央央明明纹纹的的距距离离为为x x，则则有有由由此此可可见见，波波长长为为 的的紫紫光光的的第第3级级明明条条纹纹与与波波长长为为 的的橙

21、橙光光的的第第2级级明明条条纹纹第第1次次重重合合.重重合合的的位置位置为为双双缝缝到重合到重合处处的波程差的波程差为为17-3 17-3 17-3 17-3 光程和光程差光程和光程差光程和光程差光程和光程差 一、光程和光程差一、光程和光程差 1.光程光程 光在光在真空中真空中的传播速度的传播速度 c ：光在光在介质中介质中的传播速度的传播速度 u：光在介质中的波长光在介质中的波长(频率不变频率不变)：真空真空 n 结论：结论：光在介质中的波长是真空中波长的光在介质中的波长是真空中波长的 倍。倍。光在介质中传播几何路程光在介质中传播几何路程 r 后相位的变化为：后相位的变化为：两光到达相遇点的

22、相位差是：两光到达相遇点的相位差是：不能用不能用几何路程差几何路程差 而而必须用光程差必须用光程差计算相位差。计算相位差。真空中真空中波长波长光在某一介质中所传播的几何路程光在某一介质中所传播的几何路程 r 和该介质的和该介质的折射率折射率 n 的乘积的乘积 n r光程光程=2 2.光程的意义光程的意义 光在介质中的光程光在介质中的光程 =相同时间内光在真空中走的几何路程。相同时间内光在真空中走的几何路程。结论：结论：决定干涉强弱的是决定干涉强弱的是相位差相位差或或光程差光程差而不是几何路程差。而不是几何路程差。光程光程 两个同相的相干光源发出的相干光的干涉条纹明暗条件两个同相的相干光源发出的

23、相干光的干涉条纹明暗条件光程差光程差 相位差相位差 3 3.光程差干涉条件光程差干涉条件 明纹明纹 暗纹暗纹由光程差确定：由光程差确定：已知已知 r1，r2，n，l，相干光相干光 S1，S2 初相相同初相相同，S S1 1S S2 2P Pl l n nr1r2求：相干光求：相干光 S1，S2 到达到达 P 点的光程差点的光程差 和相位差和相位差 。例例1 1：1.光程差：光程差：2.相位差：相位差：n nS1S2O OPr2r1l l解法解法 2：解法解法 1：例：例：在路径在路径r1 上插入折射率为上插入折射率为n（已知）（已知）的介质，的介质，发现发现0级干涉极大级干涉极大 上上移到的三

24、级极大处移到的三级极大处。求介质长度的数值？。求介质长度的数值？例例2 2 利用杨氏双缝干涉测量透明材料的折射率。利用杨氏双缝干涉测量透明材料的折射率。在双缝的一条缝后放一厚在双缝的一条缝后放一厚度为度为 d，折射率为，折射率为n 的透明薄的透明薄片。片。O O点的干涉条纹由原来的点的干涉条纹由原来的0 0级明纹变为第级明纹变为第k 级明纹。如果级明纹。如果d 为已知，试求薄片材料的折为已知，试求薄片材料的折射率射率n 。解解两光在两光在O O点的光程差为：点的光程差为：O O点为明条纹的条件为：点为明条纹的条件为：六）关于薄透镜的等光程性六）关于薄透镜的等光程性PQ一点光源一点光源P发出的光

25、经薄透镜汇聚于发出的光经薄透镜汇聚于Q点点这事实说明：这事实说明：在薄透镜的光路中，由在薄透镜的光路中，由P点发出的光线经透镜聚焦于点发出的光线经透镜聚焦于Q点，则这些光线的光点，则这些光线的光程是相等的。（几何路径不相等）程是相等的。（几何路径不相等）PP”QPP”当当P点移至无限远点移至无限远 等光程等光程等光程等光程Q焦焦点点（亮）（亮）焦焦平平面面 A、B、C 的相位相同，的相位相同，在在 F 点会聚，互相加强点会聚，互相加强 A、B、C 各点到各点到 F 点点的的光程相等光程相等。结论：薄透镜不会引结论：薄透镜不会引起各相干光之间的附加起各相干光之间的附加光程差。光程差。附加光程差的确定：附加光程差的确定：只对反射光有效分析只对反射光有效分析满足满足 n1 n3(或或 n1 n2 n2 n3(或或 n1 n2 n3)产生附加光程差产生附加光程差 不存在附加光程差不存在附加光程差 薄膜薄膜12n1n2n3n3