ch15-2.ppt

* ? 本章共8讲 第四篇 振动与波动第15章 波的干涉、衍射和偏振 §15.2 光的干涉 一、光的相干性 颜色： 红 ~ 紫 广义：电磁波 狭义： 可见光，电磁波中的狭窄波段 1. 光 光矢量： 光振动： 光强： 相对光强： 光波： 交变电磁场在空间传播 2.光波与机械波相干性比较 相同： (2) 光强分布： 干涉项 (1) 相干条件 振动方向相同 频率相同 相位差恒定 相长 相消 相长 相消 (3) 不同： 机械波源与光波波源特征不同 容易满足相干条件 难以满足相干条件 一般光源的发光机制：被激发到较高能级的原子跃迁到低能级时，辐射出能量。 例：氢原子光谱巴耳末系（可见光） 一个原子，一次跃迁，发出一个光波波列 3 …5 4 2 频率一定 振动方向一定 初相一定 持续时间有限: 波列长度有限: 断续、脉冲式 非严格单色波 不同原子发光、或同一原子各次发光 频率 振动方向 初相 具有随机性 难以满足相干条件 均匀分布，非相干叠加 两普通光源或同一光源的不同部分是不相干的 0 发展状况： (1) 激光：产生机理不同，具有相干性 普通光源：自发辐射 完全相同 激光：受激辐射 频率 相位 偏振态 传播方向 (2) 快速光电接收器件 ——皮秒技术 可以观察到十分短暂的干涉，甚至两个独立光源的干涉。 3.从普通光源获得相干光 思路：将同一点光源、某一时刻发出的光分成两束，再引导其相遇叠加 (1) 分波阵面法 将同一波面上两不同部分作为相干光源 (2)分振幅法（分振幅~分能量） 将透明薄膜两个面的反射（透射）光作为相干光源 ① ② ③ ⑤ ④ 在分别讨论两种方法以前，先建立一个重要概念 4.光程、光程差 相干光源 相干光源 相干光在相遇点 P 叠加的合振动强度取决于两分振动的相位差 如何简化？ 思路：设法将光在介质中传播的距离折合成光在真空中的距离， 折合原则：在引起光波相位改变上等效。 结论：光在折射率为 n 的介质中前进 x 距离引起的相位改变与在真空中前进 nx 距离引起的相位改变相同. 介质中 x 距离内波数： 真空中同样波数占据的距离 介质折射率 l ￠ x 真空 介质 ？ 定义： 等效真空程 S1 S2 r1 r2 n1 n2 P 光程差：等效真空程之差 光程差引起的相位差： 统一为： 光程差 真空中波长 当 相长 ~ 明 相消 ~ 暗 若 当 明 暗 常见情况： (1)真空中加入厚 d 的介质、增加（n-1）d 光程 (2)光由光疏介质射到光密介质界面上反射时附加 (证明参看 姚启均 “光学教程”P37) 折射率n较小 n较大 （半波损失） (3)薄透镜不引起附加光程（物点与象点间各光线等光程） 证明请参看理科光学教程 二、分波面两束光的干涉 1、杨氏双缝实验 Thomas Young 1773--1829 英国医生、科学家托马斯.杨1801年用双缝干涉实验证明了光的波动性，并首先测出太阳光的平均波长： 该实验对光的波动说的复苏起到关键作用，在物理学史上占重要地位。 “尽管我仰慕牛顿的大名，但我并不因此非得认为他是百无一失的。我……遗憾地看到他也会弄错，而他的权威也许有时甚至阻碍了科学的进步。” 当同一束光的两部分从不同的路径，精确地或者非常接近地沿同一方向进入人眼，则在光线的路程差是某一长度的整数倍处，光将最强，而在干涉区之间的中间带则最弱，这一长度对于不同颜色的光是不同的。 原稿中的插图和论述 装置（原理图）： 单缝 双缝 屏 明暗纹条件 屏 单缝 双缝 d 明 暗 明 暗 k 取值与条纹级次一致 条纹特点 * * k =+1 k =-2 k =+2 k = 0 k =-1 k =+1 k =-2 k =+2 k =-1 … … I 因为人眼分辨本领有限。光强太小处～暗。 思考：为什么暗纹看上去也有宽度？ 条纹宽度 ：相邻两明（暗）纹中心间距。 条纹形态： 平行于缝的等亮度、等间距、明暗相间条纹 条纹亮度： 条纹宽度： 条纹变化： 双缝间距越小，条纹越宽 屏幕距双缝越远，条纹越宽 632.8nm的氦氖激光器产生的干涉条纹 589.3nm的钠黄光产生的干涉条纹 S * 白光照射双缝: 零级明纹：白色 其余明纹：彩色光谱 高级次重叠。 练习：用白光光源进行双缝干涉实验，求清晰可辩光谱的级次 最先重叠： 未重叠的清晰光谱只有一级。 2.其它分波阵面干涉 ? 菲涅耳双棱镜 光源S0的象S1和S2为相干光源。 ? 菲涅耳双面镜 光源S的象S1和S2为相干光源。 S ③ 洛埃镜 注: 光源S和其象S′构成相干光源。 干涉条纹只存在于镜上方。 当屏移到镜边缘时，屏与镜接触处出现暗条纹 －－－ 证明光在镜子表面反射时有相位突变π。