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光的干涉与衍射(超经典)
第 14 章
干涉和衍射
14.1 波的叠加 2
14.2 杨氏双缝干涉实验 4
例 14.1:双缝实验 6
14.3 光强分布 6
例 14.2:三缝干涉的光强 8
14.4 衍射 10
14.5 单缝衍射 11
例 14.3:单缝衍射 12
14.6 单缝衍射的光强 12
14.7 双狭缝衍射条纹的光强 15
14.8 衍射光栅 16
14.9 总结 17
14.10 附录:总电场的计算 18
14.11 解题 21
14.11.1 双缝实验 21
14.11.2 相位差 21
14.11.3 干涉增强 22
14.11.4 双缝干涉的光强 23
14.11.5 二级亮条纹 23
14.11.6 双缝衍射的光强 24
14.12 概念题 26
14.13 附加题 26
14.13.1 双缝干涉 26
14.13.2 干涉-衍射条纹 26
14.13.3 三缝干涉 26
14.13.4 双缝干涉的光强 27
14.13.5 二级极大 27
14.13.6 干涉-衍射条纹 27
1
干涉和衍射
14.1 波的叠加
考虑两个或多个波同时经过的空间区域。按照叠加原理,净位移可用矢量或由各个位移的代数
和给出。干涉是基于同样的原理,由两个或多个波叠加组成的复合波。叠加原理的概念见图 14.1.1。
图 14.1.1 波的叠加原理。(b) 干涉相长;(c) 干涉相消。
假定我们有两个波:
叠加后的波为
如果ψ(x ,t) 的振幅大于单个波的振幅 (图14.1.1(b)),则干涉加强;反之则干涉相消 (图14.1.1(c) )。
作为例子,我们来考虑下述两个波在 t = 0 时刻的叠加:
叠加后的波为
这里我们用了
以及 。进一步运用恒等式
2
以及
从而得到
其中 。波叠加的图像见图 14.1.2 。
图 14.1.2 两支正弦波的叠加。
π
我们看到,在 sin(x +φ) 1 时,或x −φ 时,波有最大振幅。这时干涉增强。反之,在
2
x π−φ 2.61rad 时,干涉相消,此时sinπ 0 。
为了形成干涉条纹,入射光必须满足两个条件:
(i) 光源必须是相干的。就是说,来自多个波源的平面波相互间必须保持固定的相位关系。例如,
如果两支波完全不同相φ π ,那么这个相位差就不可能随时间保持不变。
(ii) 光必须是单色的。就是说,光是由单一波长λ 2π/ k
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