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第十四章 波动光学 §14－1 相干光一.光波的概念能够引起人眼视觉的那部分电磁波称为可见光。广义而言，光包含红外线与紫外线。 红外光：波长λ0.76μm。 可见光：波长λ在0.40μm与0.76μm之间。 紫外光：波长λ0.40μm光的颜色由光的频率决定，而频率一般仅由光源决定，与介质无关。 单色光——只含单一波长的光，如激光。 复色光——不同波长单色光的混合，如白光。 说明: 光是一种电磁波，是电磁场中电场强度矢量与磁感应强度矢量周期性变化在空间的传播； 实验证明，电磁波中能引起视觉和使感光材料感光的原因主要是振动着的电场强度，因而我们只关心电场的振动，并把电场的简谐振动称为光振动，电场强度称为光矢量。即光振动实质上是指电场强度按简谐振动规律作周期性变化。 在波动光学中，当谈到光强时，通常是指光的相对强度，因为在做波动光学实验时，重要的是比较各处光的相对强度，并不需要知道各处的光强的绝对数值是多少。根据波的强度与其振幅平方成正比的关系，光强可以表示为： 其中E0为光振动 的振幅。 二 .光的相干性 1．什么是光的干涉现象？ 与机械波类似，光的干涉现象表现为在两束光的相遇区域形成稳定的、有强有弱的光强分布。即在某些地方光振动始终加强（明条纹），在某些地方光振动始终减弱（暗条纹），从而出现明暗相间的干涉条纹图样。光的干涉现象是波动过程的特征之一。 2．相干条件 两束光称为相干光的条件，即只要这两束光在相遇区域 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 那么在两束光相遇的区域内就会产生干涉现象。 3．相干光与相干光源 两束满足相干条件的光称为相干光，相应的光源称为相干光源。 4．光的干涉条件——干涉相长（加强）或干涉相消（减弱）的条件 用相位表示： 用波程差表示 机械波波源：可以连续振动，发出连续不断的正弦波。 普通光源发光机理： 同一原子：瞬时性（10-8s）、间歇性、偶然性、随机性 不同原子：独立性 结论：普通光源发出的光不是相干光，不能产生干涉现象。 三．相干光的获得 由普通光源获得相干光，必须将同一光源上同一点或极小区域（可视为点光源）发出的一束光，利用反射或折射将它一分为二，分成两束，让它们经过不同的传播路径后，再使它们相遇，这时，这一对由同一光束分出来的光的频率和振动方向相同，在相遇点的相位差也是恒定的，因而是相干光。 方法：振幅分割法：利用两个反射面产生两束反射光. 分波阵面法：把光波的阵面分为两部分。 §17－2 杨氏双缝干涉、洛埃镜、双镜 一．杨氏双缝干涉实验 按照惠更斯原理，S1、S２是由同一光源S形成的，满足振动方向相同，频率相同，相位差恒定的相关条件，故是S1、S２相关光源 双缝干涉的波程差 明条纹： 正负号表示干涉条纹在O点两侧，呈对称分布，当k=0时，x=0，表示屏幕中心为零级明条纹，对应的光程差为δ=0，k=1,2,3,…的明条纹分别称为第一级、第二级、第三级，……明条纹。 暗条纹： 式中正负号表示干涉条纹在O点两侧，呈对称分布，k=1,2,3,…的暗条纹分别称为第一级、第二级、第三级，……暗条纹。 条纹间距：相邻明纹中心或相邻暗纹中心的距离称为条纹间距，它反映干涉条纹的疏密程度。明纹间距和暗纹间距均为 上式表明条纹间距与级次无关。 讨论： 当干涉装置和入射光波长一定，即d’、d、λ一定时，Δx也一定。这说明双缝干涉条纹是明暗相间的等距的直条纹。 当d’、λ一定时，Δx与d成反比。所以观察双缝干涉条纹时双缝间距要小，否则因条纹过密而不能分辨. 若已知d’、d，由于Δx与波长λ成正比，故对于不同的光波，其波长也不同，明暗条纹的间距Δx也不同；若用白光照射，除中央因各色光重叠仍为白色外，两侧因各色光波长不同而呈现彩色条纹，同一级明条纹形成一个由紫到红的彩色条纹。 重级：对于两种不同的光波，若其波长满足k1λ1= k2λ2，则λ1的第k1级明条纹与λ2的第k2级明条纹在同一位置上，这种现象称为干涉条纹的重叠。 例2 以单色光照射到相距为0.2mm的双缝上，双缝与屏幕的垂直距离为10m。（1）从第一级明纹到同侧的第四级明纹间的距离为75mm，求单色光的波长；（2）若入射光的波长为600nm，求相邻两明纹间的距离。 解（1）根据双缝干涉明纹的条件 以k=1,4代入上式，得 所以??? 已知代入上式，得λ=500nm （2）当λ=600nm时，相邻两明纹间距离为 二．光程和光程差 真空中波长为λ的单色光，在折射率为n介质中传播时，波长变为λn=λ/n，，通过长为l的路程后，相位改变量为