波動光學雙縫干涉(1)

1、121717世紀世紀: :提出了兩種不同的學說。提出了兩種不同的學說。牛頓牛頓所主張的所主張的機械微粒說機械微粒說，光是由發(fā)光物體發(fā)出的遵循力學，光是由發(fā)光物體發(fā)出的遵循力學規(guī)律的粒子流。規(guī)律的粒子流。惠更斯惠更斯所倡導的光的所倡導的光的機械波動說機械波動說，認為光是在一種特殊的介，認為光是在一種特殊的介質（稱為以太）中傳播的質（稱為以太）中傳播的機械波。機械波。1919世紀世紀，托馬斯托馬斯 楊楊和和菲涅爾菲涅爾等人，發(fā)展了波動理論，證等人，發(fā)展了波動理論，證明了光的波動性及光的橫波性。明了光的波動性及光的橫波性。1919世紀后半期，世紀后半期，麥克斯韋麥克斯韋建立了電磁場理論，提出建立了電

2、磁場理論，提出光是一種電光是一種電磁波磁波，從而形成了以電磁波理論為基礎的波動光學。，從而形成了以電磁波理論為基礎的波動光學。緒論緒論1.發(fā)展史發(fā)展史32020世紀初，世紀初，電磁波動說在解釋電磁波動說在解釋“熱幅射熱幅射”及及“光電效應光電效應”等實驗時遇到困難。等實驗時遇到困難。 19051905年年愛因斯坦愛因斯坦在在普朗克普朗克量子假說的基礎上，提出了光量子假說的基礎上，提出了光量子理論，認為光是由大量以光速運動的微粒所組成的量子理論，認為光是由大量以光速運動的微粒所組成的粒子流粒子流。 19241924年年法國人法國人德布羅意德布羅意大膽地提出了大膽地提出了“物質波物質波”的概念，的

3、概念，爾后爾后薛定諤、海森伯薛定諤、海森伯等人創(chuàng)建了量子力學，又將二者統一起來。等人創(chuàng)建了量子力學，又將二者統一起來。 光是一個復雜的客體，光在某些方面的行為像光是一個復雜的客體，光在某些方面的行為像波；而另一方面像微粒（波粒二象性）。波；而另一方面像微粒（波粒二象性）。4 幾何光學幾何光學以光的直線傳播和反射、折射定律為基礎，研究光學儀以光的直線傳播和反射、折射定律為基礎，研究光學儀器成象規(guī)律。器成象規(guī)律。 物理光學物理光學以光的波動性和粒子性為基礎，研究光現象基本規(guī)律。以光的波動性和粒子性為基礎，研究光現象基本規(guī)律。波動光學波動光學光的波動性：研究光的傳輸規(guī)律及其應用的光的波動性：研究光的

4、傳輸規(guī)律及其應用的學科學科,包括包括:光的干涉光的干涉,衍射衍射,偏振偏振量子光學量子光學光的粒子性：研究光與物質相互作用規(guī)律及光的粒子性：研究光與物質相互作用規(guī)律及其應用的學科其應用的學科2.光學的分類光學的分類5波動光學波動光學光的干涉光的干涉光的衍射光的衍射光的偏振光的偏振分分波波陣陣面面法法單單縫縫衍衍射射X X 射射線線 的的晶 體晶 體衍衍 射射光光柵柵衍衍射射圓圓孔孔衍衍射射楊楊氏氏雙雙縫縫雙雙鏡鏡勞勞埃埃鏡鏡等傾干涉等傾干涉等厚干涉等厚干涉劈劈尖尖邁克爾遜干涉邁克爾遜干涉 (M(M1 1垂直垂直MM2 2) )邁克爾遜干涉邁克爾遜干涉(M(M1 1不垂直不垂直MM2 2) )偏

5、偏振振光光的的干干涉涉馬馬呂呂斯斯定定律律布布儒儒斯斯特特定定律律薄膜干涉薄膜干涉分振幅法分振幅法牛牛頓頓環(huán)環(huán)6光的干涉7本章內容Contentschapter 15相干光相干光 光程光程分波陣面干涉分波陣面干涉amplitude-splitting interference邁克耳孫干涉儀邁克耳孫干涉儀coherent light optical path Michelson interferometer wavefront-splitting interference分振幅干涉分振幅干涉8一一 光是電磁波光是電磁波)(cos0uztEEx )(cos0uztHHy 平面電磁波方程平面電磁波方

6、程19.1 光波的一般知識光波的疊加光波的一般知識光波的疊加910二二 光源光源 ( 發(fā)光的物體發(fā)光的物體 )利用化學能、電利用化學能、電能或光能激發(fā)的能或光能激發(fā)的稱為冷光源，例稱為冷光源，例如磷光、輝光等如磷光、輝光等光源光源普通光源普通光源熱光源熱光源冷光源冷光源利用熱能激發(fā)的利用熱能激發(fā)的光源稱為熱光源光源稱為熱光源例如火、太陽、例如火、太陽、白熾燈等；白熾燈等；激光光源激光光源不同光源的激發(fā)方式不同，其發(fā)光機理也不相同。不同光源的激發(fā)方式不同，其發(fā)光機理也不相同。11普通光源的發(fā)光機理普通光源的發(fā)光機理 hE 原子能級及發(fā)光躍遷原子能級及發(fā)光躍遷基態(tài)基態(tài)激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)nE躍遷躍遷自發(fā)輻

7、射自發(fā)輻射一個原子一次發(fā)光所持續(xù)一個原子一次發(fā)光所持續(xù)的時間，約為的時間，約為10 -10 s 。普通光源發(fā)光普通光源發(fā)光特點特點：獨立獨立 ( 同一時刻不同原子發(fā)的光同一時刻不同原子發(fā)的光 )獨立獨立 ( 同一原子不同時同一原子不同時刻發(fā)的光刻發(fā)的光 ) 非相干光非相干光非相干光非相干光12光的相干條件光的相干條件P21滿足相干條件的光稱為滿足相干條件的光稱為相干光相干光。產生相干光的光源稱為產生相干光的光源稱為相干光源相干光源。 對于機械波，相干條件容易實現，而且干涉現象十分明對于機械波，相干條件容易實現，而且干涉現象十分明顯。但是要實現光的干涉比波的干涉困難得多。顯。但是要實現光的干涉比

8、波的干涉困難得多。13分割波振面分割波振面分割振幅分割振幅三三. 獲得相干光的方法獲得相干光的方法 利用普通光源獲得相干光的方法的基本原理是，利用普通光源獲得相干光的方法的基本原理是，把由光源上同一點發(fā)出的光設法分成兩部分，然后再把由光源上同一點發(fā)出的光設法分成兩部分，然后再使這兩部分疊加起來。使這兩部分疊加起來。楊氏干涉楊氏干涉薄膜干涉薄膜干涉分割振動面分割振動面偏振干涉偏振干涉 由于這兩部分光實際上來自由于這兩部分光實際上來自同一原子的同一次發(fā)同一原子的同一次發(fā)光光，所以它們滿足相干條件，因而是相干光。，所以它們滿足相干條件，因而是相干光。1415 1801年英國物理學家年英國物理學家楊氏

9、，楊氏，首先用實驗方法觀首先用實驗方法觀察到了光的干涉現象。察到了光的干涉現象。T.Young(1773-1829)一一 楊氏雙縫干涉楊氏雙縫干涉19.2分波陣面干涉分波陣面干涉英國英國物理學家、醫(yī)生和考古學家，光的物理學家、醫(yī)生和考古學家，光的波動說的奠基人之一波動說的奠基人之一波動光學：波動光學：楊氏雙縫干涉實驗楊氏雙縫干涉實驗生理光學：生理光學：三原色原理三原色原理材料力學：材料力學：楊氏彈性模量楊氏彈性模量考古學考古學 ：破譯古埃及石碑上的文字破譯古埃及石碑上的文字1619-217xk=+1k=-2k=+2k= 0k=-1I楊氏雙縫干涉實驗楊氏雙縫干涉實驗S1S2S*18p1s2ssx

10、ooB實實 驗驗 裝裝 置置d1r2rdD D 、雙縫干涉條紋的位置、雙縫干涉條紋的位置兩個子波源在兩個子波源在P點引起的光振動的位相差為：點引起的光振動的位相差為：)(2)(2121rr cos22121IIIII 在在P點的合光強：點的合光強：19 2)12(12 krr即即干涉相長（干涉相長（明紋明紋）干涉相消（干涉相消（暗紋暗紋） krr 12即即21 )(2)(2121rr 2)(212 rr波程差：波程差：12rr 當當 時，時， k2 ), 2 , 1 , 0( k1)當當 時，時， )12( k), 2 , 1( k2)20p1s2ssxooBd1r2rdD D 2)12( k

11、dD暗紋暗紋 dDk x明紋明紋,2, 1 ,0kDx tansin sin12drr Dxd 2)12( k干涉干涉減弱減弱 k Dxd 干涉加強干涉加強,2,1 ,0 k,2,1 ,0 k21k=0時：時：00 x零級明紋位于屏幕中央，只有一條。零級明紋位于屏幕中央，只有一條。IO明明紋紋dDkxk 明紋位置：明紋位置：012341234k=1時：時：dDx 1 一級明紋有兩條，對稱分布在屏一級明紋有兩條，對稱分布在屏幕中央兩側。幕中央兩側。 其它各級明紋都有兩條，且對稱分布。其它各級明紋都有兩條，且對稱分布。暗紋暗紋各級暗紋都有兩條，對稱分布在屏幕中央兩側。各級暗紋都有兩條，對稱分布在屏

12、幕中央兩側。dDkxk2)12( 暗紋位置：暗紋位置：22條紋間距：條紋間距：a. 相鄰明紋間距：相鄰明紋間距：kkxxx 1dDkdDkx )1(b. 相鄰暗紋間距：相鄰暗紋間距：kkxxx 1dDkdDkx2)12(21)1(2 相鄰明紋與相鄰暗紋的間距都相同，相鄰明紋與相鄰暗紋的間距都相同，dD dD 平行等距明暗相間的直條紋。平行等距明暗相間的直條紋。2)12( kdD暗紋暗紋 dDk x明紋明紋,2, 1 ,0k232. 雙縫干涉條紋的特點雙縫干涉條紋的特點 條紋分布條紋分布: 與縫平行的明暗相間的條紋對稱分布于中心與縫平行的明暗相間的條紋對稱分布于中心 o 點兩側。點兩側。 1xd

13、 條紋間距條紋間距:相鄰明紋和相鄰暗紋等間距，與條紋級次無關。相鄰明紋和相鄰暗紋等間距，與條紋級次無關。dxkD 方法一：方法一：dxD 方法二：方法二： D、d 一定時，由條紋間距可算出單色光的波長。一定時，由條紋間距可算出單色光的波長。x xD dDx 24 若兩種不同波長的單色光入射，干涉若兩種不同波長的單色光入射，干涉條紋會發(fā)生重疊。條紋會發(fā)生重疊。2 k1 k3 k1 k2 k3 k0 k白光白光照射時，出現照射時，出現彩色彩色條紋。條紋。25討論討論) 1(k條紋間距條紋間距 dDx 明暗明暗條紋的位置：條紋的位置：2)12( kdD暗紋暗紋 dDk x明紋明紋,2, 1 ,0k1

14、）條紋間距條紋間距 與與 的關系的關系 ;若若 變化變化 ，則，則 將怎樣變化？將怎樣變化？xDd、 一定時，一定時， 26 一定時，若一定時，若 變化，則變化，則 將怎樣變化？將怎樣變化？Dd、x1）272） 條紋間距條紋間距 與與 的關系如何？的關系如何？xd 一定時，一定時，D、 28干涉項干涉項*雙縫干涉光強分布雙縫干涉光強分布 cos22010220210EEEEE cos22121IIIII合光強合光強若若021III 2 其中其中 )2(cos420 II kI ,402)12(,0 k則則29 2345234004II光光 強強 分分 布布 圖圖0 dD2 dD4 dD2 dD

15、4 x )2(cos420 II kI ,402)12(,0 k30P1M2MLCd2sD1、菲涅爾雙鏡、菲涅爾雙鏡1ss二、其它分波陣面干涉二、其它分波陣面干涉312、洛埃鏡、洛埃鏡 半波損失半波損失 ：光從：光從光疏介質光疏介質（折射率較小、光速（折射率較小、光速較大的介質）射向較大的介質）射向光密介質光密介質（折射率較大、光速較（折射率較大、光速較小的介質）時反射光的相位較之入射光的相位突變小的介質）時反射光的相位較之入射光的相位突變了了 ， 相當于反射光與入射光之間附加了半個波長相當于反射光與入射光之間附加了半個波長的波程差，稱為半波損失。的波程差，稱為半波損失。1sPM2sdDPL32解解 （1） , 2, 1,0,kkdDxk 141414kkdDxxx nm5001414 kkxDd （2）mm0 . 3 dDx 例：例：以單色光垂直照射到相距為以單色光垂直照射到相距為0.2mm的雙縫上，的雙縫上，雙縫與屏幕的垂直距離為雙縫與屏幕的垂直距離為1m。1) 從第一級明紋到同側的第四級明紋的距離為從第一級明紋到同側的第四級明紋的距離為 7.5mm，求單色光的波長；，求單色光的波長；2) 若入射光的波長為若入射光的波