大學(xué)物理光的干涉課件

1、10-1 10-1 光的相干性光的相干性 10-2 10-2 分波面干涉分波面干涉 10-3 10-3 分振幅干涉分振幅干涉 10-4 10-4 光的光的衍射衍射 10-5 10-5 光柵光柵 10-6 X10-6 X射線射線衍射衍射 10-7 10-7 光的偏振光的偏振 第十章第十章 波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)(Wave Optics) 引言引言：人們對(duì)光的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了一個(gè)否定的否定過(guò)程：人們對(duì)光的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了一個(gè)否定的否定過(guò)程 1 1）光的機(jī)械微粒學(xué)說(shuō)（）光的機(jī)械微粒學(xué)說(shuō)（1717世紀(jì)世紀(jì)-18-18世紀(jì)末）世紀(jì)末） 代表：牛頓代表：牛頓 對(duì)立面：惠更斯對(duì)立面：惠更斯-波動(dòng)說(shuō)波動(dòng)說(shuō) 分歧的焦點(diǎn)：光在水中

2、的速度分歧的焦點(diǎn)：光在水中的速度 空氣水 vv 空氣水 vv 1850年佛科（年佛科（Foucauld）測(cè)定）測(cè)定 空氣水 vv 微粒說(shuō)開始瓦解微粒說(shuō)開始瓦解 2 2）光的機(jī)械波動(dòng)說(shuō)（）光的機(jī)械波動(dòng)說(shuō)（1919世紀(jì)初世紀(jì)初-后半世紀(jì)）后半世紀(jì)） 第十章第十章 波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)(Wave Optics) 預(yù)習(xí)預(yù)習(xí):10.2 2 2）光的機(jī)械波動(dòng)說(shuō)（）光的機(jī)械波動(dòng)說(shuō)（1919世紀(jì)初世紀(jì)初-后半世紀(jì)）后半世紀(jì)） 英國(guó)人楊（英國(guó)人楊（T.uoung)和法國(guó)人菲涅爾和法國(guó)人菲涅爾(A.T.Fresnel) 和馬呂斯通過(guò)干涉、衍射、偏振等實(shí)驗(yàn)證明了光和馬呂斯通過(guò)干涉、衍射、偏振等實(shí)驗(yàn)證明了光 的波動(dòng)性及光

3、的橫波性。的波動(dòng)性及光的橫波性。 性質(zhì)：彈性機(jī)械波，在機(jī)械以太中傳播。性質(zhì)：彈性機(jī)械波，在機(jī)械以太中傳播。 3 3）光的電磁波動(dòng)說(shuō)（）光的電磁波動(dòng)說(shuō)（1919世紀(jì)的后半期世紀(jì)的后半期-） 19世紀(jì)后半期世紀(jì)后半期Maxwell建立電磁理論，提出了建立電磁理論，提出了 光的電磁性，光的電磁性，1887年赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)。年赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)。 4 4）光的量子說(shuō)（）光的量子說(shuō)（2020世紀(jì)初世紀(jì)初-） 電磁波動(dòng)說(shuō)在解釋電磁波動(dòng)說(shuō)在解釋“熱幅射實(shí)驗(yàn)熱幅射實(shí)驗(yàn)”及及“光電效應(yīng)光電效應(yīng)”等等 實(shí)驗(yàn)遇到困難。實(shí)驗(yàn)遇到困難。 1900年普朗克提出了年普朗克提出了“熱輻射量子理論熱輻射量子理論”愛(ài)因斯坦提愛(ài)因斯坦

4、提 出了光子理論，將光看成一束出了光子理論，將光看成一束 以光速以光速C粒子流。與電粒子流。與電 磁波動(dòng)說(shuō)相對(duì)立。二者各自統(tǒng)治著自已的領(lǐng)域。磁波動(dòng)說(shuō)相對(duì)立。二者各自統(tǒng)治著自已的領(lǐng)域。 1924年法國(guó)人德布羅意（年法國(guó)人德布羅意（De.Broglie)大膽地提出了大膽地提出了 “物質(zhì)波物質(zhì)波”的概念，提出了物質(zhì)的波粒二象性，即：的概念，提出了物質(zhì)的波粒二象性，即： 一切物質(zhì)（包括波）既具有波動(dòng)性，又具有粒子性。一切物質(zhì)（包括波）既具有波動(dòng)性，又具有粒子性。 爾后薛定諤、海森伯等人創(chuàng)建了量子力學(xué)，又將二者爾后薛定諤、海森伯等人創(chuàng)建了量子力學(xué)，又將二者 統(tǒng)一起來(lái)。統(tǒng)一起來(lái)。 光是一個(gè)復(fù)雜性的客體，光

5、是一個(gè)復(fù)雜性的客體，它的本性只能通過(guò)它所表它的本性只能通過(guò)它所表 現(xiàn)的性質(zhì)來(lái)確定，它的某些方面象波而另一方面象微現(xiàn)的性質(zhì)來(lái)確定，它的某些方面象波而另一方面象微 粒（粒（波粒二象性波粒二象性）。但它既不是波，也不是微粒，也）。但它既不是波，也不是微粒，也 不是二者的混合體。不是二者的混合體。 “山重水復(fù)疑無(wú)路，柳暗花明又一村山重水復(fù)疑無(wú)路，柳暗花明又一村” 出現(xiàn)了出現(xiàn)了“相干光學(xué)相干光學(xué)”、“纖維光學(xué)纖維光學(xué)”、“全息光學(xué)與全息技全息光學(xué)與全息技 術(shù)術(shù)”.它是既年輕又古老的科學(xué)。也是現(xiàn)代技術(shù)的基礎(chǔ)它是既年輕又古老的科學(xué)。也是現(xiàn)代技術(shù)的基礎(chǔ) 分類：分類： 1）幾何光學(xué)）幾何光學(xué)-研究光的直線傳播及

6、光學(xué)儀器的制造；研究光的直線傳播及光學(xué)儀器的制造； 2）波動(dòng)光學(xué)）波動(dòng)光學(xué)-研究光的波動(dòng)性；研究光的波動(dòng)性； 3）量子光學(xué)）量子光學(xué)-研究光與物質(zhì)的相互作用。研究光與物質(zhì)的相互作用。 但從但從20 世紀(jì)世紀(jì)50年代起光學(xué)的發(fā)展仍是年代起光學(xué)的發(fā)展仍是“方興未方興未艾艾，前途無(wú)限，前途無(wú)限”。 人們把數(shù)學(xué)、信息論與光的衍射結(jié)合起來(lái)，發(fā)展起一門新的學(xué)科人們把數(shù)學(xué)、信息論與光的衍射結(jié)合起來(lái)，發(fā)展起一門新的學(xué)科 傅里葉光學(xué)傅里葉光學(xué)，把它應(yīng)用到信息處理、像質(zhì)評(píng)價(jià)、光學(xué)計(jì)算等技術(shù)，把它應(yīng)用到信息處理、像質(zhì)評(píng)價(jià)、光學(xué)計(jì)算等技術(shù) 中去。特別是激光的發(fā)明，可以說(shuō)是光學(xué)發(fā)展史上的一個(gè)革命性的中去。特別是激光的發(fā)

7、明，可以說(shuō)是光學(xué)發(fā)展史上的一個(gè)革命性的 里程碑，由于激光具有強(qiáng)度大、單色性好、方向性強(qiáng)等一系列獨(dú)特里程碑，由于激光具有強(qiáng)度大、單色性好、方向性強(qiáng)等一系列獨(dú)特 的性能，自從它問(wèn)世以來(lái)，很快被運(yùn)用到材料加工、精密測(cè)量、通的性能，自從它問(wèn)世以來(lái)，很快被運(yùn)用到材料加工、精密測(cè)量、通 訊、測(cè)距、全息檢測(cè)、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等極為廣泛的技術(shù)領(lǐng)域，取得了訊、測(cè)距、全息檢測(cè)、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等極為廣泛的技術(shù)領(lǐng)域，取得了 優(yōu)異的成績(jī)。優(yōu)異的成績(jī)。 1)顏色顏色是由光波的是由光波的頻率頻率決定的。決定的。 2）引起眼睛視覺(jué)效應(yīng)和光化學(xué)效應(yīng)的是場(chǎng)中的）引起眼睛視覺(jué)效應(yīng)和光化學(xué)效應(yīng)的是場(chǎng)中的電場(chǎng)電場(chǎng)。 u Z X Y E H 定義

8、：定義：光矢量光矢量 -電場(chǎng)矢量電場(chǎng)矢量E 光振動(dòng)光振動(dòng)光矢量周期性的變化光矢量周期性的變化)cos( 0 tEE 一）光矢量、光強(qiáng)度一）光矢量、光強(qiáng)度 可見(jiàn)光波長(zhǎng)可見(jiàn)光波長(zhǎng)nmnm760400 10.1 光的相干性光的相干性 一、光源一、光源 二）光源、普通光源發(fā)光的特點(diǎn)二）光源、普通光源發(fā)光的特點(diǎn) 1）光源）光源-發(fā)光的物體發(fā)光的物體 2）發(fā)光機(jī)理）發(fā)光機(jī)理 -由能級(jí)輻射躍遷發(fā)出的光。由能級(jí)輻射躍遷發(fā)出的光。 E2 E1 E3 2 0 EI 光強(qiáng)：光強(qiáng)：在光學(xué)中，通常把平均能流密度稱為光強(qiáng)，用在光學(xué)中，通常把平均能流密度稱為光強(qiáng)，用 I 表示。表示。 2 0 IE 在波動(dòng)光學(xué)中，主要討論的

9、是相對(duì)光強(qiáng)，因此在同一介在波動(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：質(zhì)中直接把光強(qiáng)定義為： 光源最基本的發(fā)光單元是分子、原子光源最基本的發(fā)光單元是分子、原子 3）普通光源發(fā)光的特點(diǎn)）普通光源發(fā)光的特點(diǎn) 在同一時(shí)間有大批原子發(fā)光，但不同步；在同一時(shí)間有大批原子發(fā)光，但不同步； 每個(gè)原子都是斷斷續(xù)續(xù)發(fā)每個(gè)原子都是斷斷續(xù)續(xù)發(fā) 光，每次發(fā)光時(shí)間極短光，每次發(fā)光時(shí)間極短 （10-8s），一次只能發(fā)出一個(gè)有限長(zhǎng)度的波列。），一次只能發(fā)出一個(gè)有限長(zhǎng)度的波列。 各原子的各次發(fā)光是相互獨(dú)立，互不關(guān)聯(lián)的，同一原各原子的各次發(fā)光是相互獨(dú)立，互不關(guān)聯(lián)的，同一原 子先后發(fā)出的光及同一瞬間不同

10、原子子先后發(fā)出的光及同一瞬間不同原子發(fā)出的光的頻率、發(fā)出的光的頻率、 振動(dòng)方向、初相位、發(fā)光的時(shí)間均是隨機(jī)的。振動(dòng)方向、初相位、發(fā)光的時(shí)間均是隨機(jī)的。 結(jié)論：普通光源發(fā)出的光為非相干光結(jié)論：普通光源發(fā)出的光為非相干光 且同一光源上不同點(diǎn)發(fā)出的光也是非相干光。且同一光源上不同點(diǎn)發(fā)出的光也是非相干光。 1 S 2 S p 1 E 2 E 1 r 2 r 二、光的相干性二、光的相干性 要使兩列波在要使兩列波在P處產(chǎn)生相干疊加處產(chǎn)生相干疊加 兩列光波應(yīng)滿足：兩列光波應(yīng)滿足： （1 1）頻率相同）頻率相同 （2 2）振動(dòng)方向相同）振動(dòng)方向相同 （3 3）具有固定的相位差）具有固定的相位差 相相 干干 光

11、光 將非相干光變?yōu)橄喔晒獾脑瓌t是：將非相干光變?yōu)橄喔晒獾脑瓌t是： 原則：原則：同出一源，分之為二同出一源，分之為二 二）相干光的獲得二）相干光的獲得 1）分波陣面法）分波陣面法 r1 r2 屏屏 從光源發(fā)出的同一個(gè)從光源發(fā)出的同一個(gè) 波振面上取兩部分作波振面上取兩部分作 為相干光源，這兩個(gè)為相干光源，這兩個(gè) 相干光源產(chǎn)生的次級(jí)相干光源產(chǎn)生的次級(jí) 波相遇時(shí)就可以發(fā)生波相遇時(shí)就可以發(fā)生 干涉干涉 2)分振幅法分振幅法 S P 薄膜薄膜 S P 透透 鏡鏡 透透 鏡鏡 利用光在透明介質(zhì)薄膜利用光在透明介質(zhì)薄膜 表面的反射和折射，將表面的反射和折射，將 同一束光分割成振幅較同一束光分割成振幅較 小的兩

12、束相干光小的兩束相干光 三、光程三、光程 光程差光程差 1）介質(zhì)中光的速度與波長(zhǎng)）介質(zhì)中光的速度與波長(zhǎng) n 真空真空 介質(zhì)介質(zhì) i r n r i sin sin c n n: 介質(zhì)折射率：介質(zhì)折射率： 光在介質(zhì)中的波長(zhǎng)光在介質(zhì)中的波長(zhǎng) c nn 光在介質(zhì)中傳播時(shí)波長(zhǎng)變短了光在介質(zhì)中傳播時(shí)波長(zhǎng)變短了 結(jié)論：結(jié)論： 這將帶來(lái)什么問(wèn)題呢？這將帶來(lái)什么問(wèn)題呢？ 光在介質(zhì)中的速度：光在介質(zhì)中的速度： c 0 S ab c 24 6 設(shè)波源初相設(shè)波源初相0，則質(zhì)點(diǎn)，則質(zhì)點(diǎn)a、b、c的相位分別的相位分別 落后：落后： 一般而言：當(dāng)波傳播距離一般而言：當(dāng)波傳播距離r時(shí)，時(shí)，r處的質(zhì)點(diǎn)相位落后處的質(zhì)點(diǎn)相位落后

13、 r 2 與波長(zhǎng)有關(guān)。與波長(zhǎng)有關(guān)。 若光波分別在真若光波分別在真 空和介質(zhì)中傳播空和介質(zhì)中傳播 r1=r2 P點(diǎn)落后的相位不一樣點(diǎn)落后的相位不一樣 S1 S2 r1 r2 P 介質(zhì)介質(zhì) 波長(zhǎng)不一樣！波長(zhǎng)不一樣！ 真空真空 2）光程）光程 1 2 r S1 S2 r1 r2 P 介質(zhì)介質(zhì) 真空真空 真空中的相位變化真空中的相位變化: 介質(zhì)中的相位變化介質(zhì)中的相位變化: 2 2 r n r / 2 2 2 2 nr 計(jì)算時(shí)只要將折射率乘幾何路程即可！計(jì)算時(shí)只要將折射率乘幾何路程即可！ 相位改變與幾何路程和折射率有關(guān)相位改變與幾何路程和折射率有關(guān) 光程光程=折射率折射率 幾何路程幾何路程 = n r

14、 定義：定義： 11r n 1 1 2 r S1 P1 光程的意義：光程的意義： 兩相干光在不同介質(zhì)中傳播時(shí)，若光程相同兩相干光在不同介質(zhì)中傳播時(shí)，若光程相同 則落后光源的相位相同；則落后光源的相位相同； 22r n S2 P2 P1點(diǎn)落后點(diǎn)落后S1的相位：的相位： 11 2 rn P2點(diǎn)落后點(diǎn)落后S2的相位：的相位： 2 2 2 r 22 2 rn 2211 rnrn若：若： P1、 、P2點(diǎn)落后 點(diǎn)落后S1、 、S2的相位相同 的相位相同 1 2 11r n 1 1 1 v r t S1 P1 若兩相干光的光程相同時(shí)，則傳播的時(shí)間相同。若兩相干光的光程相同時(shí)，則傳播的時(shí)間相同。 22r n

15、 S2 P2 n1介質(zhì)介質(zhì) 中傳播的時(shí)間：中傳播的時(shí)間： c rn 11 2211 rnrn若：若： 1 2 1 1 / nc r n2介質(zhì)介質(zhì) 中傳播的時(shí)間：中傳播的時(shí)間： 2 2 2 v r t 2 2 / nc r c rn 22 21 tt 即傳播的時(shí)間相同。即傳播的時(shí)間相同。 結(jié)論：光程為一折合量，它是在相位改變相同或傳播時(shí)結(jié)論：光程為一折合量，它是在相位改變相同或傳播時(shí) 間相同的條件下，把光在介質(zhì)中傳播的路程折合成在真間相同的條件下，把光在介質(zhì)中傳播的路程折合成在真 空中傳播的路程。空中傳播的路程。 3)光程差光程差 )( 1122 rnrn 2 光在真空中的波長(zhǎng)光在真空中的波長(zhǎng)

16、若兩相干光源不是同相位的若兩相干光源不是同相位的 0 2 , k (2 1) 2 k 0,1,2k 干涉相長(zhǎng)（明） 兩相干光源同相位，兩相干光源同相位， 0,1,2k 干涉相消（暗） S1 S2 r1 r2 P 2 干涉條件干涉條件 關(guān)于薄透鏡的等光程性關(guān)于薄透鏡的等光程性 P Q 一點(diǎn)光源一點(diǎn)光源P發(fā)出的光經(jīng)薄透鏡匯聚于發(fā)出的光經(jīng)薄透鏡匯聚于Q點(diǎn)，形成一亮點(diǎn)點(diǎn)，形成一亮點(diǎn) 這事實(shí)說(shuō)明：這事實(shí)說(shuō)明： 在焦點(diǎn)處各光線是同相的，發(fā)生相長(zhǎng)干涉在焦點(diǎn)處各光線是同相的，發(fā)生相長(zhǎng)干涉 不同光線通過(guò)透鏡要改變傳播方向，不同光線通過(guò)透鏡要改變傳播方向， 會(huì)不會(huì)引起附加光程差？會(huì)不會(huì)引起附加光程差？ 問(wèn)題問(wèn)題 這些光線的光程是相等的（幾何路徑不相等）這些光線的光程是相等的（幾何路徑不相等） P P” Q P P” 當(dāng)當(dāng)P點(diǎn)移至無(wú)限遠(yuǎn)點(diǎn)移至無(wú)限遠(yuǎn) 等光程等光程 等光程等光程 Q 焦焦 點(diǎn)點(diǎn) 焦焦 平平 面面 使用透鏡不引起附加的光程差使用透鏡不