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第十二章光的干涉
函数与极限 * 第二篇 光学 第十四章 光的干涉 物理光学 篇 序 光 学 几何光学 量子光学 利用波动理论,研究光的典型波动行为 波的干涉、波的衍射、波的偏振等 波动光学 第十二章 光的干涉 光波的叠加原理 干涉的明、暗条纹出现的位置条件,光强计算公式 光程差 将相位差条件转化为光程差条件 几种典型仪器的干涉原理 杨氏双缝干涉、薄膜干涉、劈尖干涉、牛顿环干 涉、迈克尔逊干涉 内容结构 §11-1 光源 光波的叠加 一 有关光波、光源的基本概念 光波:由变化的电场、磁场相互激发,由近及远传播形成的波 光波依靠自身传播,不需要传播媒质 在真空中的传播速率为c。光波是横波 光波的颜色:不同频率的光波能引起人视觉的不同颜色 光的频谱:按光的波长(或频率)顺序排列而成的频谱图 可见光波长范围4000?~7000? 光矢量:电磁波中引起化学与视觉效应的电场强度E矢量 光振动:电场强度E矢量的周期变化称为光振动 光的强度:光的强度正比于光振动的振幅平方 光源:能够发射光波的物体,称为光源 二 光源发光的物理机制 1.原子存在状态 分离定态 能级 基态与激发态 2.原子的发光机制 原子中电子从激发态向基态跃, 并以光波形式释放能量的过程 3.原子发光的普遍规律 具有确定频率和振动方向的分离谱。 不同谱线可以构成一个谱线系 不同谱线系可以有共同的光谱项 任意谱线都可以写为两光谱项之差。 普通光源光谱的频率、相位、偏振方向是随机的 三 光波的叠加 例:利用波的叠加原理讨论两束同频率、同振动方向的光 波叠加情况 由光的波动理论,在空间相遇点P的振动分别为 由叠加原理,两列波在公共区域内的合成振动为 其中 定义光的强度 讨论:A.非相干叠加 结论:非相干叠加时,光波的光强为各分裂光束在叠加点光 强之和。且在叠加点不产生光强的强弱变化 B.相干叠加 如果在宏观长时间内光波的相差能保持恒定,则 结论:如果在宏观长时间内光波的相差能保持恒定,则在 叠加区域光的强度会随空间位置不同形成稳定的强、弱 相间分布(即明、暗分布) 光的干涉:多束频率相同、相差恒定、具有相同的偏振方 向(或有相同方向的偏振分量)的光波在其叠加区域形成光 强的稳定强弱相间分布现象,称为光的干涉。 相干光条件:频率相同、相差恒定、具有相同的偏振方向 (或有相同方向的偏振分量) §11-2 光程和光程差 一 光程和光程差的基本概念 1.折射率 设光线从真空入射介质,折射率定义为 设光线从介质1入射介质2,折射率的 定义为 式中, 称为相对折射率。即介质2相对于介质1的折射率 一般意义下介质的折射率都是指介质相对于真空的折射率 2.光程和光程差 例:设光在真空中的波长为?,求光在真空中传递m个波长 的几何空间距离和光在折射率为n的介质中传播m个波长 几何空间距离分别为多少? 解:因 光在真空中传递m个波长的几何距离 光在折射率为n的介质中传播m个波 长几何空间距离 即 定义:光在介质中的几何空间距离与该介质的折射率的乘积 称为光在介质中传播的光程。 例:如图,同光源发出的光线分别在折射率为n1、n2的两 种介质中传播相同几何空间距离。 求:两条光线的光程差和终点处的相位差 解:光程差为 相位差由真空中计算公式 由图知 可得在介质中有 即 式中 讨论:A.相长干涉条件 B.相消干涉条件 干涉条件由相位差条件转换为直观的光程差条件了 二 常见仪器的等光程性 结论:薄透镜对近轴光线不产生附加光程差 §11-3 双缝干涉实验 空间相干性 一 获得相干光源的方法 将同一光源发出的光波分成两部分:分波阵面法和分振幅法 二 杨氏双缝干涉实验——分波阵面方法 1.实验装置 2.实验原理 A.获得相干光源的方法——分波阵面法 B.波的叠加原理 3.实验现象 O点两侧形成稳定的明暗相间、距离相等的条纹 用不同波长的单色光作实验,明暗条纹的间距不同。波长愈 长,条纹间距愈大 用白光作实验时, O点处的条纹为白 色,两侧形成由紫 到红的彩色条纹 4.理论解释:屏幕上出现明暗条纹的位置 由实验装置图,可得相位差为 而 因 讨论 设入射波的波长为? A.出现明条文的条件 暗条纹的条件为 B.明、暗条纹的间距 明暗条纹的间距与m无关,间距是相等 C.光的强度分布 由 当 时, 明暗条纹对比鲜明 当 时, 明暗条纹对比不鲜明 例:已知白光的波长范围是4000?~7000?,用白光做杨氏干 涉实验,实验的双缝间距为0.5mm,屏幕距缝5m 求:与屏幕中心x=21mm处形成亮纹的可见光波波长。 解:由于不同波长在屏幕上形成的明暗条纹
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