光的干涉1.ppt

光的波動(dòng)性 干涉現(xiàn)象衍射現(xiàn)象 光波的特點(diǎn) 波長(zhǎng)短3900 7800 速度高光源在原子內(nèi)部 波動(dòng)光學(xué) 以光的波動(dòng)性為基礎(chǔ) 研究光的傳播及其規(guī)律 第3章光的干涉豐富多彩的干涉現(xiàn)象 水膜在白光下 白光下的肥皂膜 蟬翅在陽(yáng)光下 蜻蜓翅膀在陽(yáng)光下 白光下的油膜 肥皂泡玩過(guò)嗎 等傾條紋 牛頓環(huán) 等厚條紋 測(cè)油膜厚度 平晶間空氣隙干涉條紋 第3章光的干涉 1光的相干性 2分波面法雙光束干涉 3光程和光程差 4分振幅法雙光束干涉 5干涉儀 6 影響條紋對(duì)比度的幾個(gè)因素 基本要求 一 了解普通光源發(fā)光的特點(diǎn) 理解獲得相干光的方法 二 掌握光程的概念以及光程差和相位差的關(guān)系 三 掌握楊氏雙縫干涉的基本裝置及干涉條紋位置的計(jì)算 四 掌握薄膜等厚干涉的基本裝置 平面平行膜 劈尖 牛頓環(huán)等 了解產(chǎn)生 半波損失 的條件 能分析確定干涉條紋的位置 五 了解麥克爾遜干涉儀的工作原理及應(yīng)用 1光的相干性 一 光源 能發(fā)射光波的物體 光源的最基本發(fā)光單元是分子 原子 E2 E1 h E1 E2 能級(jí)躍遷輻射 波列長(zhǎng)L c 可見(jiàn)光的頻率范圍 7 5 1014 3 9 1014Hz 真空中的波長(zhǎng)范圍 400 760nm 相應(yīng)光色 紫 藍(lán) 綠 黃 橙 紅 單色光 具有單一頻率的光 復(fù)色光 由各種頻率組成的光 光波是電磁波 E稱為光矢量 E矢量的振動(dòng)稱為光振動(dòng) 光波中與物質(zhì)相互作用 感光作用 生理作用 的是E矢量 平面簡(jiǎn)諧電磁波 光強(qiáng) 平均能流密度 用I表示 波動(dòng)光學(xué)中主要討論的是相對(duì)光強(qiáng) 因此在同一介質(zhì)中直接把光強(qiáng)定義為 1 普通光源 自發(fā)輻射 發(fā)光的隨機(jī)性 發(fā)光的間歇性 熱光源 結(jié)論 兩個(gè)獨(dú)立的光源不可能成為一對(duì)相干光源 一個(gè)光源的不同部分也不是相干光源 原因 原子發(fā)光是隨機(jī)的 間歇性的 兩列光波的振動(dòng)方向不可能一致 相位差不可能恒定 2 特殊光源 激光光源普通光源發(fā)光 自發(fā)輻射 隨機(jī) 間歇 激光光源發(fā)光 受激輻射 光放大發(fā)出光的頻率相位振動(dòng)方向全相同 激光的相干性比普通光源要好得多 同一塊面積上的點(diǎn)源相干 相干面積 E2 E1 h 2 相干條件 1 頻率相同 2 振動(dòng)方向相同 3 相位差恒定 二 光的相干性 1 光的干涉現(xiàn)象 將光源上一個(gè)發(fā)光點(diǎn)的光分成兩束 各經(jīng)歷不同的路徑再會(huì)合迭加 可滿足相干條件產(chǎn)生干涉 3 相干光源 滿足相干條件的光源 補(bǔ)充條件 1 振幅相差不懸殊 2 光程差不能太大 1 分波陣面方法 三 相干光的獲得 同一波陣面上的不同部分產(chǎn)生次級(jí)波相干 利用光的反射和折射將同一光束分割成振幅較小的兩束相干光 2 分振幅的方法 3 激光光源 受激輻射 頻率 相位 振動(dòng)方向完全一樣 激光可做相干光源 2分波面法雙光束干涉 一 楊氏雙縫二 其他類似裝置 干涉主要包含以下幾個(gè)主要問(wèn)題實(shí)驗(yàn)裝置確定相干光束求出相位差 光程差 分析干涉花樣給出強(qiáng)度分布應(yīng)用及其它 楊 T Young 在1801年首先發(fā)現(xiàn)光的干涉現(xiàn)象 并首次測(cè)量了光波的波長(zhǎng) ThomasYoung 1773 1829 英國(guó)物理學(xué)家 考古學(xué)家 醫(yī)生 光的波動(dòng)說(shuō)奠基人之一 分波陣面法產(chǎn)生的干涉 1 實(shí)驗(yàn)裝置 一 楊氏雙縫實(shí)驗(yàn) 觀察屏 確定相干光束計(jì)算相位差 光程差 根據(jù)相長(zhǎng)相消條件確定坐標(biāo) 2 楊氏雙縫干涉條紋 波程差 相應(yīng)明紋位置 干涉加強(qiáng) 干涉減弱 相應(yīng)暗紋位置 V3 21 2 21 4 21 6 21 7 3 條紋特點(diǎn) 2 明 暗相間的條紋對(duì)稱分布于中央明紋兩側(cè) 3 相鄰明 或暗 條紋等間距 與干涉級(jí)次k無(wú)關(guān) 1 干涉條紋是平行于狹縫方向的明暗相間的條紋 相鄰兩明 或暗 條紋間的距離稱為條紋間距 3 相鄰明 或暗 條紋等間距 與干涉級(jí)次k無(wú)關(guān) 明紋位置 暗紋位置 21 8 4 條紋位置 其余情況不變時(shí) 條紋向中央聚攏 變得密集 條紋向兩邊分散 變得稀疏 明紋位置 暗紋位置 條紋間距 條紋間距 便于觀察 其余情況不變時(shí) 即屏越遠(yuǎn)越易于觀察 V3 V3 其余情況不變時(shí) 紅光條紋間距最大 紫光條紋間距最小 V3 若用白光照射雙縫 屏上中央明紋仍為白色 兩側(cè)對(duì)稱分布各級(jí)紫內(nèi)紅外的彩色條紋 更高級(jí)次的彩色條紋可能會(huì)發(fā)生重疊 白光入射的楊氏雙縫干涉照片 紅光入射的楊氏雙縫干涉照片 您能判斷0級(jí)條紋在哪嗎 光的干涉條紋強(qiáng)度分布公式 楊氏干涉中 條紋最亮 0 條紋最暗 與前述一致 V3 4 光強(qiáng)分布 光強(qiáng)公式 若I1 I2 I0 則 光強(qiáng)曲線 洛埃鏡的干涉 M 或 二 其他類似裝置 勞埃鏡費(fèi)涅耳雙面鏡費(fèi)涅耳雙棱鏡 處理辦法 等效雙縫 思考 為什么光程差公式中出現(xiàn)了 洛埃鏡實(shí)驗(yàn) 1實(shí)驗(yàn)裝置 平板玻璃M下表面涂黑 光源S1向M掠入射 2分析 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析方法與前面相似 但是 觀察屏的下半部分沒(méi)有條紋 它驗(yàn)證了光波由光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)時(shí) 在分界面上反射的光存在有半波損失這一事實(shí) 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下 當(dāng)屏幕E移至處 即E與M邊緣接觸 則波程差為 滿足明紋條件 L處為明紋 但實(shí)驗(yàn)結(jié)果是暗紋 表明反射光有 的位相突變 驗(yàn)證了半波損失 V3 V3 光從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)界面時(shí) 在反射過(guò)程中產(chǎn)生 的位相躍變 即 半波損失 結(jié)論 因此對(duì)兩相干光中有一支存在半波損失的情形應(yīng)有 M1 M2 S 雙面鏡的干涉 1實(shí)驗(yàn)裝置 虛光源S1 S2 S1S2平行于WW 菲涅耳雙面鏡實(shí)驗(yàn) 平面鏡M1 M2 夾角 很小 2計(jì)算公式 明條紋中心的位置 屏幕上O點(diǎn)在兩個(gè)虛光源連線的垂直平分線上 屏幕上明暗條紋中心對(duì)O點(diǎn)的偏離x為 暗條紋中心的位置 D d S 雙棱鏡 雙棱鏡的干涉 楊氏雙縫花樣雙棱鏡花樣 勞埃鏡花樣 干涉現(xiàn)象的條紋分布決定于兩束相干光的相位差 兩相干光處于同一介質(zhì) 兩相干光處于不同介質(zhì) 3光程和光程差 兩光之間的幾何路程差 為便于解決兩相干光經(jīng)不同介質(zhì)后相遇迭加的位相差 引入光程的概念 一 光程和光程差 1 光程 光在真空中的傳播速度c 光在介質(zhì)中的傳播速度u 光在介質(zhì)中的波長(zhǎng) 結(jié)論 光在介質(zhì)中的波長(zhǎng)是真空中波長(zhǎng)的倍 21 10 光在介質(zhì)中傳播幾何路程r后相位的變化為 兩同相相干光源的光到達(dá)相遇點(diǎn)的相位差是 不能用幾何路程差而必須用光程差計(jì)算相位差 光在某一介質(zhì)中所傳播的幾何路程r和該介質(zhì)的折射率n的乘積nr 光程 2 光程的意義 光在介質(zhì)中的光程 相同時(shí)間內(nèi)光在真空中走的幾何路程 結(jié)論 決定干涉強(qiáng)弱的是相位差或光程差而不是幾何路程差 光程 兩個(gè)同相的相干光源發(fā)出的相干光的干涉條紋明暗條件 光程差 相位差 3 光程差干涉條件 明紋 暗紋 由光程差確定 21 11 1 光程折射率與幾何路程的乘積等效真空路程 光程差 21 11 已知r1 r2 n l 相干光S1 S2初相相同 求 相干光S1 S2到達(dá)P點(diǎn)的光程差 和相位差 例如 1 光程差 2 相位差 A B C的相位相同 在F點(diǎn)會(huì)聚 互相加強(qiáng) A B C各點(diǎn)到F點(diǎn)的光程相等 結(jié)論 薄透鏡不會(huì)引起各相干光之間的附加光程差 二 透鏡的等光程性 裝置1 裝置2 兩個(gè)裝置的得到的相干光線的光程差相同都等于 觀察結(jié)果與裝置1相同 用白光照射楊氏雙縫 雙縫間距為d 縫與屏距為D 試求 能觀察到的清晰可見(jiàn)光譜的級(jí)次 例1 講義P594例21 1 解 由明紋公式得重疊條件 只有1級(jí)完整的光譜 例題2 用薄云母片 n 1 58 覆蓋在楊氏雙縫的其中一條縫上 這時(shí)屏上的零級(jí)明紋移到原來(lái)的第七級(jí)明紋處 如果入射光波長(zhǎng)為5500 問(wèn)云母片的厚度為多少 講義P607習(xí)題21 9 解 原七級(jí)明紋P點(diǎn)處 插入云母后 P點(diǎn)為零級(jí)明紋 V3 解 P點(diǎn)明紋 干涉加強(qiáng) 為第三級(jí) 由已知可有 求 1 該單色光波長(zhǎng) 1 2 若另一波長(zhǎng) 2照射 發(fā)現(xiàn)第四級(jí)明紋正好與 1的第五級(jí)明紋重合 求 2 課堂練習(xí) 1 已知 解 1 由雙縫干涉條紋間距公式得 2 由雙縫干涉明紋公式得 2 楊氏雙縫的間距為0 2mm 距離屏幕為1m 1 若第一到第四明紋距離