大学物理第3章 光的干涉 PPT

光是人类以及各种生物生活不可或缺的最普遍的要素；自古以来神奇的光一直吸引人们：光是什么？是粒子、是波、是能量？光怎样从物质中发出？又怎样成为物质的一部分？光速为什么是宇宙物质运动的极限？……有些科学已作了回答，有些还在争论不休。但毕竟想方设法去了解光，已带来了物理学一场又一场的革命！下面将以光的电磁波本性为基础，研究其传播规律，特别是干涉、衍射、偏振的理论和应用。有关光的进一步讨论，将在量子物理中进行。前言光学经典光学几何光学：以光的直线传播规律为基础，研究各种光学仪器的理论。波动光学：以光的电磁波本性为基础，研究传播规律，特别是干涉、衍射、偏振的理论和应用量子光学现代光学激光物理非线性光学纤维光学与集成光学傅立叶光学现代几何光学光学------研究光的现象;光的本性;光与物质的相互作用.20世纪60年代激光问世后，光学有了飞速的发展。以光的量子理论为基础，研究光与物质相互作用的规律。•光的干涉：双缝干涉，薄膜干涉，劈尖和牛顿环•光的衍射：惠更斯原理，单缝衍射，衍射光栅•光的偏振：线偏振光，自然光，起偏和检偏，马吕斯定律，布儒斯特定律主要内容•光源，光的传播★光是一种电磁波•可见光:3.9×1014~8.6×1014Hz0.77~0.35m•光强明亮光弱暗淡•各种频率不同的可见光给人以不同颜色的感觉;频率从大到小给出从紫到红的各种颜色•光的颜色与在真空中的波长(nm)的对应关系:红760~620橙620~592黄592~578绿578~500蓝500~460靛460~430紫430~4004000Å紫7600Å红400——450——500——550——600——650——760nm紫蓝绿黄橙红•光波是电磁波的一部分，仅占电磁波谱很小的一部分，它与无线电波、X射线等其它电磁波的区别只是频率不同;能够引起人眼视觉的那部分电磁波称为可见光•基本概念:杨氏双缝干涉相干光光程薄膜干涉---等厚条纹薄膜干涉---等倾条纹迈克耳孙干涉仪英国物理学家、医生和考古学家，光的波动说的奠基人之一波动光学：杨氏双缝干涉实验生理光学：三原色原理材料力学：杨氏弹性模量考古学：破译古埃及石碑上的文字§3-1杨氏双缝干涉托马斯·杨（ThomasYoung）1801年，杨氏巧妙地设计了一种把单个波阵面分解为两个波阵面以锁定两个光源之间的相位差的方法来研究光的干涉现象。杨氏用叠加原理解释了干涉现象，在历史上第一次测定了光的波长，为光的波动学说的确立奠定了基础。S1s2sdxD1r2rIx0DxDd:条件实验装置分波前法:把光波的波前分为两部分一、杨氏双缝干涉x1s2sdD01r2rxh二、干涉条纹的位置1)波程差的计算hsrr212sindDxDdDxtgsin•波程差：Dxdddrrtgsin12•相位差：2)(212rr2)干涉条纹的位置明纹暗纹•P点合振动振幅是极大或极小的条件为极大)2,1,0(…kk极小)1,2,3(k2)12(k相长干涉K:明条纹的级次K=0,1,2…0,1,2…级条纹相消干涉K:暗条纹的级次K=1,2…1,2…级条纹中央明纹可得由kdsin)1,2(k2)12()12(dDkxksinsinDDtgxDxtg由于实际可观察到的干涉条纹与对应的角都很小）…（2,1,0kdDkxk可得由2)12(sinkd明条纹中心的位置★暗条纹中心的位置★★条纹间距dDx三、干涉条纹的特点:双缝干涉条纹是与双缝平行的一组明暗相间彼此等间距的直条纹，上下对称。dDx*条纹间距杨氏双缝实验第一次测定波长这个重要的物理量.相邻两明纹（或暗纹）中心间的距离:dDxxxkk1四、光强分布:S1:y1=A1cos(t+1)S2:y2=A2cos(t+2)•p点合振动)cos(21tAyyy•合振幅A=(A12+A22+2A1A2cos)1/2•强度,cos22121IIIII合振动强度2AI一般当I1=I2=I0(在通常的双缝干涉实验中一般都能满足)2cos420II则)2(光强曲线I02-24-4k012-1-24I0x0x1x2x-2x-1sin0/d-/d-2/d2/d2I0•衬比度为了表示条纹的明显程度,引入衬比度概念衬比度minmaxminmaxIIIIV•当I1=I2=I0时,1minmaxminmaxIIIIV条纹明暗对比鲜明I02-24-44I02I02cos420maxII04min0maxIII此时•当I1=I2时,0minI条纹明暗对比差I02-24-4IminΔx=Dλ/d对于不同的光波，若满足k1λ1=k2λ2出现干涉条纹的重叠。•若用复色光源，则干涉条纹是彩色的。2k1k3k2k1k3k在屏幕上x=0处各种波长的波程差均为零，各种波长的零级条纹发生重叠，形成白色明纹。由于各色光的波长不同，其极大所出现的位置错开而变成彩色的，且各种颜色级次稍高的条纹将发生重叠而模糊不清。例用白光作双缝干涉实验时，能观察到几级清晰可辨的彩色光谱？解:用白光照射时，除中央明纹为白光外，两侧形成内紫外红的对称彩色光谱.当k级红色明纹位置xk红大于k+1级紫色明纹位置x(k+1)紫时，光谱就发生重叠。据前述内容有红红dDkxk紫紫dDkxk)1()1(将红=7600Å，紫=4000Å代入得K=1.1因为k只能取整数，所以应取k=1紫红)1(kk这一结果表明：在中央白色明纹两侧，只有第一级彩色光谱是清晰可辨的。•波长及装置结构变化时干涉条纹的移动和变化①光源S位置改变：•S下移时，零级明纹、干涉条纹整体将如何变化?•S上移时，干涉条纹整体如何变化?条纹间距改变否?•S沿垂直于S1S2方向移动时，干涉条纹位置改变否?②双缝间距d改变：•当d增大时，Δx、零级明纹中心位置、条纹如何变化?•当d减小时，Δx、零级明纹中心位置、条纹如何变化?③双缝与屏幕间距D改变：•当D减小时，Δx、零级明纹中心位置、条纹如何变化?•当D增大时,Δx、零级明纹中心位置、条纹如何变化?讨论频率相同、振动方向平行、相位相同或相位差恒定的两列波相遇时，使某些地方振动始终加强，而使另一些地方振动始终减弱的现象，称为波的干涉现象.干涉条件:波频率相同，振动方向相同，位相差恒定.§3-2相干光既然两列光波叠加能产生干涉现象,为什么室内用两个灯泡照明时,墙上不出现明暗条纹的稳定分布?频率相同和振动方向平行保证叠加时的振幅由决定，从而合振动有强弱之分。位相差恒定则是保证强弱分布稳定所不可或缺的条件。k22）（和122k回忆:波的干涉光源的最基本的发光单元是分子、原子。光是光源中的分子或原子的运动状态发生改变时辐射出来的。●光源(发光体)1.普通光源独立（同一原子不同时刻发的光）独立（不同原子同一时刻发的光）··=(E2-E1)/hE1E2波列波列长L=tc发光时间t10-8s自发辐射跃迁原子发光：方向不定的振动瞬息万变的初位相此起彼伏的间歇振动-------自发辐射结论:普通光源发出的光不是相干光波普通光源、激光光源上述条件对机械波较易满足；但用普通光源要获得相干光就复杂了；这与其发光机理有关。P21普通光源发光特点：原子发光是断续的，每次发光形成一个短短的波列,各原子各次发光相互独立，各波列互不相干.●普通光源获得相干光的途径pS*•分波面法:把光波的波阵面分为两部分，如：杨氏双缝干涉，双镜干涉，洛埃镜干涉•分振幅法:利用两个反射面产生两束反射光，例如：劈尖干涉，牛顿环，薄膜干涉。·p薄膜S*•分振动面法---偏振光干涉•原理：由普通光源获得相干光，必须将同一光源上同一点或极小区域（可视为点光源）发出的一束光分成两束，让它们经过不同的传播路径后，再使它们相遇，这时，这一对由同一光束分出来的光的频率和振动方向相同，在相遇点的相位差也是恒定的，因而是相干光。2相干光的产生振幅分割法波阵面分割法*光源1s2s•劳埃德镜1sM2sdD•实验装置与原理：M为一背面涂黑的玻璃片，从狭缝S1射出的光，一部分直接射到屏幕P上，另一部分经过玻璃片反射后到达屏幕，反射光看成是由虚光源S2发出的，S1、S2构成一对相干光源，在屏幕P上可以看到明、暗相间的干涉条纹。P•半波损失原因：当光从光疏介质射向光密介质时，反射光的相位发生了π跃变，或者反射光产生了λ/2附加的光程差，即“半波损失”。解释：光的电磁理论（菲涅耳公式）可以解释半波损失。现象：当屏幕P移至P’处，从S１和S２到L点的光程差为零，但是观察到暗条纹，验证了反射时有半波损失存在。1sPM2sdDP'L例题如图离湖面h=0.5m处有一电磁波接收器位于C，当一射电星从地平面渐渐升起时，接收器断续地检测到一系列极大值.已知射电星所发射的电磁波的波长为20.0cm,求第一次测到极大值时，射电星的方位与湖面所成的角度.AChB212解计算波程差BCACr22)2cos1(ACsinhACAChB2122)2cos1(sinhr极大时krhk4)12(sinh4arcsin174550410020arcsin21...-mm1k取2/考虑半波损失时，附加波程差取均可，符号不同，取值不同，对问题实质无影响.k注意AChB2123.激光光源：受激辐射E1E2=(E2-E1)/h可以实现光放大;单色性好;相干性好。例如:氦氖激光器;红宝石激光器;半导体激光器等等。完全一样（频率,相位,振动方向,传播方向都相同）从激光光源的发光面上各点发出的光都是频率,相位,振动方向都相同的相干光波。•光的单色性实际原子的发光:是一个有限长的波列,所以不是严格的余弦函数,只能说是准单色光:在某个中心频率（波长）附近有一定频率（波长）范围的光。衡量单色性好坏的物理量是谱线宽度理想的单色光：具有恒定单一波长(或频率)的简谐波，它是无限伸展的。例:普通单色光:10-2100A激光：10-810-5A00II0I0/2谱线宽度由各种频率(或波长)复合而成的光波;(如白光、太阳光)•复色光问题介质对干涉条纹的影响？•在S2后加透明介质薄膜，干涉条纹如何变化？★光程★光程差当光在不同介质中传播时，其传播速度不同，因此在不同的介质中，光波波长不同。ur2在同种介质中，只要知道波程差△r，即可确定两相干光的相位差§3-5光程·S1S2r1r2dnp一、光程光程差•真空中··dabλdab2真•媒质中··abndλn媒质dnab2媒n─媒质中波长─真空中波长nnvnvcn即：真媒nnd2nncuucuun222121由波的折射定律真空中的波长介质的折射率光程L=nd光在介质中传播的距离折算成真空中的长度。结论光在折射率为n的介质中通过几何路程d所发生的相位变化,相当于光在真空中通过nd的路程所发生的相位变化.定义:…………n1n2nmd1d2dm光程L=(nidi)12rnr光程差*1sP1r*2s2rnλ2πΔ相位差真媒nnd2例:,2,1,0,kk,2,1,0π2,kk干涉加强干涉减弱,2,1,0,2)12(kk,2,1,0,π)12(kk例1·S1S2r1r2dnpP:122LL122rnddrdnrr1212真空中波长为的单色光，在折射率n的透明介质中从A传播到B，两处相位差为3，则沿此路径AB间的光