光的干涉2011formath.ppt

* 第17章 光的干涉 研究光的本性；光的产生、传输与接收规律； 光与物质的相互作用；光学的应用。 牛顿的微粒说(17-18世纪末) 光是由发光物体发出的遵循力学规律的粒子流。 惠更斯的波动说 光是机械波，在弹性介质“以太”中传播。 一、光学的研究内容 二、光的各种学说 光的电磁说 1887赫兹实验证实光是电磁波----波动性 以麦克斯韦电磁理论为基础，研究光的干涉、衍射、偏振 光的量子说----粒子性 黑体辐射、光电效应、康普顿效应 17.1 相干光 一、光波与光矢量 1．光波的概念： (紫外光)0.40μmλ0.76μm(红外光) 光的速度与折射率：υ = c/n 2．光矢量 电场强度的振动称为光振动，电场强度称光矢量。 3．光强 光的平均能流密度，表示单位时间内通过与传播方向垂直的单位面积的光的能量. I=E02 二、相干光和相干光源 1．相干条件 ①振动方向相同 ②振动频率相同 ③相位相同或相位差保持恒定(初相位+附加相位) 2 ．相干光的获得：分波阵面法 分振幅法 三、光程 光程：在介质中传播的距离折算成真空中的长度。 在介质中传播的波长 两光程之差叫做光程差 相位差 2、光程差 1、光程 例、 n P a 加强 减弱 ( k = 0 1 2……) 加强和减弱的条件 相位: 加强 减弱 ( k = 0 1 2……) 光程差: λ:真空中波长 17.2 杨氏双缝干涉 一、杨氏双逢干涉的实验装置 实验装置 分波阵面干涉 缝宽： 10-4 m 双缝距离 d: 0.1--3 mm 屏到双缝距离 D: 1--10 m 屏上横向观测范围: 1--10 cm P点光强 S1 和 S2 振动方向相同, 频率相同 相位相同 A ? 二、杨氏干涉条纹 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: 条纹间距(亮亮或暗暗) 讨论: 三、杨氏双缝干涉的改进型 （1）菲涅耳双面镜 P （2）劳埃德镜 P M L 与双缝干涉对比： ① 明暗条纹位置反转。 一路光在平面镜反射时，有“半波损失”，光波相位有π的突变。 ② 条纹分布区域限于屏的上半部分。 情况1： n1n2n3 有 有 没有 情况2： n1n2n3 无 无 没有 情况3： n1n2n3 情况4： n1n2n3 ?半波损失条件 光疏介质射向光密介质，即n1n2； ?半波损失只发生在反射光中； n1n2n3 无 n1n2n3 无 n1n2n3 有 n1n2n3 有 (3)菲涅耳双棱镜 双缝干涉 例：杨氏双缝干涉中，若有下列变动，干涉条纹将如何变化。 (1)把整个装置浸入水中 (4)在缝S2处慢慢向上插入一块楔形玻璃片 (5)把缝隙S2遮住，并在两缝垂直平面上放一平面反射镜 (2)两缝宽度稍有不等 (3)分别用红、蓝滤色片各遮住S1和S2 例：微波探测器放在湖岸上，离水面的高度为1米，一微波发射 器(发射波长 21 厘米)从湖面上徐徐升起。当探测器第一次 收到信号极大值时，发射器位于湖面上什么角度？ 解： 四、空间相干性和时间相干性 1. 干涉条纹可见度(衬度)定义 2.空间相干性 衬比度下降 合成光强 1 2 I 1 2 合成光强 非相干叠加 面光源 合成光强 衬比度下降 面光源 合成光强 条纹消失 空间相干性 面光源的极限宽度 条纹清晰 b一定时 相干间隔 相干孔径 光源的角直径 3.时间相干性 (1)准单色光 谱线宽度 (2)非单色性对干涉条纹的影响 合成光强 条纹完全消失 最大相干级次 最大光程差 相干长度 白光光源 ? - (??/2) ? + (??/2) 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 (3)相干长度与相干时间 最大光程差 有限长波列 有一定频宽 等效 相干时间 17.3 等倾干涉 白光下的油膜 肥皂泡玩过吗? 假定：n2 n1 两相干光(2和3)的光程差 亮纹 暗纹 由 薄膜干涉：等倾干涉和等厚干涉 分振幅法获得相干光 薄膜 1 2 (1)干涉定域于无穷远 (2)半波损失 光疏介质 若 光密介质 反射光有半波损失 光程差 入射 透镜不产生附加光程差 或 若 或 (3)光程差取决于入射角 等倾干涉 倾角i相同的光线对应同一条干涉条纹 半反半透 i L S f 屏幕 e f 半反半透 i L S f 屏幕 (4)条纹位置 环中心的级次高 膜变厚，外冒，条纹更密集； 相邻条纹的光程差变化 外密内疏 膜变薄，内陷，条纹更稀疏 透镜 (5)面光源 入射角 i 相同的光线汇聚在同一级干涉条纹上 使用扩展光源图像更清晰 (6)透射光的干涉 与