哈工大大学物理课件(马文蔚教材)-第17章波动与光学-光的干涉

1第十七章波动光学以直线传播为基础．折射、反射定律物理光学波动光学：以麦克斯韦电磁理论为基础，光的干涉、衍射、偏振量子光学：以量子力学为基础，光与物质作用现代光学非线性光学激光光谱学信息光学全息术光纤通讯集成光学统计光学……….几何光学：2光的电磁理论光矢量：E1.光强可见光：nmnm760390HzHz1414109.3~106.7波长：频率：光强Ｉ200021EHESI220AEI光是一定波段的电磁波32.光谱曲线图谱线及其宽度谱线宽度3.光波的描述理想的单色光场波函数rtrAtrEcos,光场振幅分布:rA0:设原点光场相位分布r单色光准单色光光谱曲线（谱线）220I20I波长强度4rtrAtrEcos,tiritierEeerA~rtierAtrE,~)(~rierArE复振幅:复数表达式1)单色平面波:cos,0rktAtrE~0rkieArE2)单色发散球面波:cos,0rktrAtrE~0rkierArE光强:~~*rErErI51.光波叠加原理遵从波的独立传播原理,多列波交叠区有:,,,21trEtrEtrE条件:介质是线性的,光波服从叠加原理2.光的干涉cosAt,rE:s01111111rktcosAt,rE:s02222222rkt17-1相干光6P*2r*2s1s1r222AI211AIcosAt,rE:s0111111rktcosAt,rE:s0222222rkt相干波频率相同振动方向相同有恒定相位差cos2212221AAAAA1210202rr相位差cos22121IIIII合振幅光的强度或明暗在空间非均匀的稳定分布---光的干涉7从普通光源获得相干光方法:分波前法分振幅法分振动面法3.获得相干光方法普通光源的发光特点:1)一个原子每一次发光只能发出一个波列2)原子的发光是断续的3)各原子的各次发光是完全相互独立的两个普通光源或同一普通光源的不同部分所发出的光是不相干的817-2杨氏双缝干涉实验双镜劳埃德镜一杨氏双缝干涉实验实验装置分波阵面干涉9杨氏干涉条纹P点光强cos22121IIIIIxDdII20cos4122rrdDS1和S2振动方向相同,相位相同021III频率相同xDd2)cos1(20I2cos420I极大k2极小）（12ksin12drrdtgDxd极大k极小）（212k10Dxkd光强极大极小交替出现,形成明暗相间、等亮度、等间距的条纹.明纹中心:暗纹中心:(21)2DxkddDx0,1,2k条纹间距(亮亮或暗暗)xDdIII200cos42cos41,2ksin12drrdtgDxd极大k极小）（212k11..4非定域干涉.,.3分辨率高大小xd,,.2其它为彩色中央亮条纹仍是白的白光照射.,,.1确定光波波长测已知xdD讨论:Dxkd光强极大极小交替出现,形成明暗相间、等亮度、等间距的条纹.明纹中心:暗纹中心:(21)2DxkddDx0,1,2k条纹间距(亮亮或暗暗)xDdIII200cos42cos41,2k12二菲涅耳双棱镜、双面镜和劳埃德镜图菲涅耳双面镜图劳埃德镜图菲涅耳双棱镜暗纹为什么？半波损失！13*三非单色性对干涉条纹的影响（光场的时间相干性）1.干涉条纹可见度(衬度)定义:条纹最清晰时当10minIminmaxminmaxIIII.,,0maxmin光强均匀分布条纹消失时当II14准单色光：中心波长为谱线宽度为干涉条纹消失的位置：波长为+/2成分的第k级明纹与波长为-/2成分的第（k+1）级明纹重合的位置。相干长度)1(22kkM2Mk2.非单色性对干涉条纹的影响15nm150白光mL3104L与m710同数量级He-Ne激光长单色性好相干长度2M波列长度LLM相干时间时间相干性：光源在同一时刻发的光分为两束后又先后到达某一观察点，只有这先后到达的时差小于某一值时才能在观察点产生干涉。uLcL0016光源宽度对干涉条纹影响---光场的空间相干性*四光源大小对干涉条纹的影响（光场的空间相干性）17带光源双缝干涉的强度分布曲线18Bbd0:02211rLSrLSL设光源上边缘处线光源L产生的中央条纹0L与下边缘处线光源N产生的第一级亮纹1N重合。2211:1rNSrNSN空间相干性：具有一定宽度的普通光源发出的光波，要使其波面上的两点（S1和S2）作为次波源能发生干涉现象，这两点之间的距离必须小于某一值。2211NSLSLSNS)(221NSNS12QSdQS1Bbd2Bbd219相干间隔d0：干涉条纹刚好消失时，S1和S2之间的距离bBd0bBdsBbd最大张角s：S1和S2对光源S的中心所张的角s20iiisnL17-3光程薄膜干涉光程:----光所经过的介质的折射率ni与相应的几何路程si乘积.Q光速1n1s1u2s3u3n3s2u2nnnnsnuP几何距离21122112222rrrkrk1122rnrn光程差:2n2r1n1r2s1sP相位差:0201设11222rnrncosAt,rE:s0111111rktcosAt,rE:s0222222rkt22/n11/n光程差相差2一光程21k212k21AAA21AAA加强减弱(k=012……)加强和减弱的条件:相位:k212k21AAA21AAA加强减弱(k=012……)光程差:222亮点薄透镜，近轴光线：透镜不产生附加光程差一般在透镜前找光程差fSS1S20Pxfxddtgdsindk亮2)12(k暗{k{dfk2)12(dfk亮暗条纹间距dfx二透镜不引起附加的光程差23分振幅干涉定域干涉点光源非定域干涉扩展光源的定域干涉bS,时当b0SSbP薄膜干涉三薄膜干涉24n2n1两相干光的光程差2sin222122innek2)12(k亮纹暗纹21，，k21,0，，k当e、n2、n1确定，则相同入射角的入射光线有相同光程差。它们在透镜焦平面上构成同一级条纹，称等倾干涉。2)(12adnbcabn2sincossin2cos212ienen2sincossin2cos222enen2cos22ensinsin21nin由四等倾干涉25等倾干涉条纹261)增透膜对某一特定波长，反射干涉相消，透过相长。43,4ne2)高反膜对某一特定波长使反射率大大加强，透射率相应减少。增透膜、多层膜3)干涉滤光层多层膜可使从白光中获得特定波长范围的光。50.1n玻璃38.12nMgFZnS2MgFZnS2MgFZnS2MgF玻璃27一劈尖22nek)21(k亮纹暗纹21，，k21,0，，k讨论：1）2）3）e相同的条纹在同一级上，称为等厚干涉e=0的棱边处，是暗纹，这是半波损失一例证。任意相邻明（暗）纹间距为LnneL2sin2sinneeekk21劈尖干涉17-4劈尖牛顿环28二牛顿环1)干涉图样：内疏外密中心为暗点的圆环。2）明纹、暗纹条件：22ek)21(k亮纹暗纹21，，k21,0，，k牛顿环293）明（暗）环的半径：222)(eRRr22eeReR2eRr2nRkr2)12(明明环半径暗环半径nkRr暗21，，k21,0，，k22ek)21(k3017-5迈克耳逊干涉仪31平面镜M1平移的距离为2Nd32法布里—珀罗干涉仪(F-P)