17-1光的干涉

波动光学第十三章光的本质——波动说与微粒说的交锋1704年，牛顿在出版的《光学》一书中，指出光是从发光体发出的，直线传播的微粒。这种看法被称为微粒说。牛顿1690年，惠更斯在发表的论文《光论》中，从光与声的某些相似性出发，认为光是在以太介质中传播的球面纵波。这就是惠更斯的波动说。惠更斯光的本性—光具有波粒二象性几何光学以光的直线传播为基础，研究光在透明介质中的传播问题。波动光学•光的直线传播定律•光的独立传播定律•光的折射和反射定律以光的波动性为基础，研究光的传播及其规律•光的干涉•光的衍射•光的偏振内容内容量子光学以光和物质相互作用时所显示出的粒子性为基础，来研究光的一系列规律。现代光学反映了光学进一步与各个科技领域的紧密结合•激光、全息摄影、光纤维•光学计算机、傅里叶光学•红外技术、遥感、遥测等内容内容•光和物质的相互作用规律§13-1光的干涉§1光强度光的干涉二、光的干涉、干涉场中光强度的分布一、光强度三、相干光的获得一、光强度•光是某一波段的电磁波•可见光的波长为400━760nm•具有一定频率的光称为单色光•各种频率不同的光复合起来称为复合光光波描述02πcos()EEtr通常将光矢量振幅的平方称为光强。即20EI二、光的干涉干涉场中光强度的分布干涉条件：频率相同，振动方向相同，有恒定的相位差。相干光：能产生干涉现象的光相干光源：能产生相干光的光源干涉：满足相干条件的两列或两列以上的波，它们在空间的重叠区域内各点相遇时，将发生干涉现象。干涉场中光强度的分布111101S:cos(2)rPEEt2220102010202cosIEEEEE2221010201020212cos(2)rrEEEEE222202S:cos(2)rPEEt)cos(:0tEEP2121212122rrrr其中，12122cosIIIII合振幅：相位差：合成光强：干涉强度分布.swf12122cosIIIII2π设1＝2若21,20,1,2,rrkkk21(21),(21)0,1,2,2rrkkk221min)(III221max)(III光强极大若光强极小其中为波程差光强分布曲线干涉图样21II21II三、相干光的获得光源：发光的物体两大类光源：普通光源激光光源普通光源按光的激发分为以下几种：热光源：利用热能激发的光源电致发光：由电能直接转换为光能光致发光：由光激发引起的发光现象化学发光：由化学反应引起的的发光现象普通光源发光的两个特点：间歇性——各原子发光是间歇的，平均发光时间t约为10-8～10-11s，所发出的是一段长为L=ct的光波列。每次发光是随机的，所发出各波列的振动方向和振动初相位都不相同。随机性——两独立光源发出的光不可能产生干涉普通光源发光.swf利用普通光源获得相干光的方法的基本原理是把由光源上同一点发出的光设法分成两部分，然后再使这两部分的光叠加起来。从普通光源获得相干光的两种方法：1.分波阵面法如：杨氏双缝干涉装置2.分振幅法如：薄膜干涉§2杨氏实验劳埃德镜二、劳埃德镜一、杨氏实验一、杨氏实验英国医生兼物理学家托马斯-杨（T.Yang)于1801年首先成功地进行了光干涉实验，并看到了干涉条纹，使光的波动学说得到了证实。杨氏双缝.swf结论：光干涉问题的关键在于计算波程差。由于两列波由同一光束分解出来，因此1=2。210,1,2,rrkk加强21(21)21,2,3,rrkk减弱杨氏双缝波程差干涉条件角很小,dDDxtansin加强,2,1,0kkDxd减弱,3,2,1212kkDxdsin12drrr2r1xPSs1s2DdOQO1干涉条纹在屏幕上的分布0,1,2,Dxkkd屏幕中央（k=0）为中央明纹21(1,2,)2Dxkkd其中k称为条纹的级次暗纹：明纹：01-12-2明纹级数12-1-2暗纹级数相邻明纹或暗纹的间距dDxxxk1k条纹为等间距分布复色光照射双缝时条纹?dss1s2PODxr1r2•影响条纹宽度的因素：（1）双缝间距杨氏双缝干涉的讨论:dss1s2PODxr1r2dss1s2PODxr1r2dDxdx1dss1s2PODxr1r2杨氏双缝干涉的讨论:•影响条纹宽度的因素：（2）屏与缝间距dss1s2PODxr1r2dss1s2PODxr1r2dDxDxdss1s2PODxr1r2杨氏双缝干涉的讨论:•影响条纹宽度的因素：（3）光波的波长dss1s2PODxr1r2dss1s2PODxr1r2dss1s2PODxr1r2dDxxass1s2PODxr1r2杨氏双缝干涉的讨论:•上下移动光源时，观察条纹的移动。ass1s2PODxr1r2条纹上移向下移动光源时，则：ass1s2PODxr1r2ass1s2PODxr1r2向上移动光源时，则：条纹下移二、劳埃德镜劳埃德镜.swf例杨氏双缝的间距为0.2mm，距离屏幕为1m。（1）若第一到第四明纹距离为7.5mm，求入射光波长。（2）若入射光的波长为600nm，求相邻两明纹的间距。解14144,1kkdDxxxmm3m103102.01061337dDx,2,1,0kkdDxA5000m10514105.71102.0733144,1kkxDd§3半波损失光程一、光波的反射和折射半波损失二、光程用光程差表述相干条件三、透镜不引起额外的光程差1n2n一、光波的反射和折射半波损失折射光r反射光'i反射定律：入射光线、反射面的法线和反射光线共面，且。'ii折射定律：入射光线、反射面的法线和折射光线共面，且有关系：2112sinsinnnnrivcn折射率两种介质相比较，光在其中传播较快的一种叫光疏介质；光在其中传播较慢的一种叫光密介质。n入射光i半波损失当光由光疏介质射向光密介质，在界面上发生反射时，在反射点处反射光的光矢量相对于入射光光矢量的相位发生大小为的突变。当光由光密介质射向光疏介质，在界面上发生反射时，不发生相位突变。折射时没有半波损失。二、光程用光程差表述相干条件两束相干光的相位差一般可表示为：21212122rrrr如果两束光在两种不同介质中传播：11221122,cvcvvvnnnn则相位差为：212122112121222rrrrnrnrnn干涉条纹的一般条件：对光干涉起决定作用的不是这两束光的几何路程之差，而是两者的光程差。结论：221122110,1,2,210,1,2,2nrnrkknrnrkk明纹暗纹光程：nr光程是光在介质中通过的路程折合到同一时间内在真空中通过的相应路程。光程的物理意义光程的物理意义.swf从物点发出的不同光线，经不同路径通过薄透镜后会聚成为一个明亮的实像，说明从物点到像点，各光线具有相等的光程。三、透镜不引起额外的光程差平行于透镜主光轴的平行光会聚在焦点F，从波面A上各点到焦点F的光线，A1F、A2F、A3F，是光程的。平行于透镜副光轴的平行光会聚于后焦面上F’，从波面B上各点到F’的光线B1F、B2F、B3F，是等光程的。点光源S发出球面波经透镜后成为聚向像点S’的球面波，S的波面C上的各点到像点S’的光线C1S’,C2S’、C3S’，是等光程的。透镜不引起额外的光程差.swf杨氏双缝干涉的讨论:•在缝后加一薄玻璃片，观察条纹的移动。ass1s2PODxr1r2ass1s2PODxr1r2薄玻璃片盖住上缝时：则条纹上移ass1s2PODxr1r2薄玻璃片盖住下缝时：则条纹下移例用薄云母片（n=1.58）覆盖在杨氏双缝的其中一条缝上，这时屏上的零级明纹移到原来的第七级明纹处。如果入射光波长为5500A，问云母片的厚度为多少？解：Po1r2rd1s2s原七级明纹P点处插入云母片后，P点为零级明纹012nddrr17ndm106.6158.1105500717610nd712rr