波動光學(xué)第1講-光的干涉-楊氏雙縫干涉課件

波動光學(xué)第1講——光的干涉楊氏雙縫干涉主要內(nèi)容§1光源、單色光與相干光、光程§2楊氏雙縫干涉實驗波動光學(xué)第1講主要內(nèi)容§1光源、單色光與相干光、光程§21幾何光學(xué)：以光的直線傳播規(guī)律為基礎(chǔ)研究反射、折射、散射及研究各種光學(xué)儀器的理論。波動光學(xué)：以光的波動性為基礎(chǔ)研究光的傳播規(guī)律特別是光的干涉、衍射及偏振的規(guī)律。量子光學(xué)：以光的粒子性及近代量子理論為基礎(chǔ)研究光與物質(zhì)相互作用的規(guī)律。波動光學(xué)幾何光學(xué)：以光的直線傳播規(guī)律為基礎(chǔ)研究波動光學(xué)：以光的波動性2§1光源、單色光與相干光一．可見光與光源

1、可見光頻率范圍:3.9×1014Hz—8.6×1014Hz波長范圍:400nm—760nm赤橙黃綠青藍(lán)紫2、光源自身能發(fā)光的物體普通光源屬于自發(fā)輻射，非相干光源激光器屬于受激輻射，相干光源§1光源、單色光與相干光一．可見光與光源1、可見3二.光的單色性1、單色光與復(fù)色光只含有一種頻率的光——單色光含有多種頻率的光——復(fù)色光準(zhǔn)單色光：頻率很接近的復(fù)色光如鈉燈發(fā)出的光：波長范圍在589.0nm～589.6nm2、獲得單色光的方法三棱鏡濾光片激光器件二.光的單色性1、單色光與復(fù)色光只含有一種頻率的光——單4三.光的相干性光的干涉現(xiàn)象：當(dāng)兩列相干光相遇時,在相遇空間出現(xiàn)明暗穩(wěn)定分布的現(xiàn)象1、原子的發(fā)光機(jī)理三.光的相干性光的干涉現(xiàn)象：1、原子的發(fā)光機(jī)理5●●●●

一個原子每一次發(fā)光就只能發(fā)出一段長度有限，頻率一定和振動方向一定的光波這樣一段光波稱作一個波列波列波列長L=c●●●●一個原子每一次發(fā)光就只能發(fā)出一段長度有限，頻6普通光源◆各個原子各次發(fā)光，發(fā)光頻率、振動方向、彼此位相差是不確定的，出現(xiàn)干涉現(xiàn)象的概率非常小。獨立(不同原子發(fā)的光)··◆同一原子不同次發(fā)光，也不能保證這些波列的頻率，振動方向都相同，而且位相差也不可能保持恒定，因此，也就不可能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。普通光源◆各個原子各次發(fā)光，發(fā)光頻率、振動方向、彼此位相差是72、相干光的獲得

利用普通光源獲得相干光的方法的基本原理是把由光源同一點發(fā)出的光設(shè)法分成兩部分，然后再使這兩部分疊加起來。

分波陣面法分振幅法在同一波面上兩固定點光源，發(fā)出的光產(chǎn)生干涉的方法為分波面法。如楊氏雙縫干涉實驗（圖1）一束光線經(jīng)過介質(zhì)薄膜的反射與折射，形成的兩束光線產(chǎn)生干涉的方法為分振幅法。如薄膜干涉（圖2）。PSS1S2SS12P圖1圖22、相干光的獲得利用普通光源獲得相干光的方法的基本原8四、光程光在介質(zhì)中傳播的距離折算成真空中的長度。在介質(zhì)中傳播的波長，折算成真空中波長兩光程之差叫做光程差相位差：2、光程差1、光程的引入和光程的概念四、光程光在介質(zhì)中傳播的距離折算成真空中的長度。在介質(zhì)中傳播9當(dāng)用透鏡觀測干涉時，不會帶來附加的光程差。3、透鏡不引起附加的光程差當(dāng)用透鏡觀測干涉時，不會帶來附加的光程差。3、透鏡不引起附加10

楊氏在1801年首先用實驗的方法研究了光的干涉現(xiàn)象，為光的波動理論確定了實驗基礎(chǔ)。一.楊氏雙縫實驗§2楊氏雙縫干涉實驗楊氏在1801年首先用實驗的方法研究了光的干涉現(xiàn)象，為光111、實驗裝置S1S2SE1、實驗裝置S1S2SE12S1S2SE2、實驗現(xiàn)象當(dāng)光源照射狹縫S時，在屏幕E上出現(xiàn)一系列穩(wěn)定的與狹縫平行、條紋間距彼此相等的明暗相間的條紋。S1S2SE2、實驗現(xiàn)象當(dāng)光源照射狹縫S13●3、實驗解釋由S1和S2

射出的光束來自同一光波波陣面的不同部分，因此它們具有相同的頻率和相位。這種獲得相干光的方法稱作分波陣面法。

●3、實驗解釋由S1和S2射出的光束來自同一光14二.明暗紋條件●●

S1和S2到P點的波程差二.明暗紋條件●●S1和S2到P點的波15二.明暗紋條件設(shè)S1和S2的距離為d，中點為M，

PM與MO的夾角為θ，從S1做S2P垂線S1C。通常情況下，D＞＞d，θ很小●●M到屏幕的距離為D，垂足為o

，以o為坐標(biāo)原點，P點的坐標(biāo)為x二.明暗紋條件設(shè)S1和S2的距離為d，PM與M16●●二.明暗紋條件通常情況下，D＞＞d，θ很小●●二.明暗紋條件通常情況下，17二.明暗紋條件干涉明紋的條件條紋的中央為明紋，稱為零級(或中央)明紋●●干涉暗紋的條件二.明暗紋條件干涉明紋的條件條紋的中央為明紋，稱為零級(或18IO0明紋●●暗紋明紋IO0明紋●●暗紋明紋19干涉條紋圖樣632.8nm的氦氖激光器產(chǎn)生的干涉條紋589.3nm的鈉黃光產(chǎn)生的干涉條紋干涉條紋圖樣632.8nm的氦氖激光器產(chǎn)生的干涉條紋589.20

◆條紋間距◆條紋圖樣當(dāng)單色光照射時，為明暗相間的條紋當(dāng)白光照射時，為彩色條紋（中央為白色條紋）條紋明暗相間平行等距◆條紋移動討論向兩邊移動向兩邊移動向中央移動◆條紋間距◆條紋圖樣當(dāng)單色光照射時，為明暗相間的條21討論條紋特點1、中央明紋2、明暗相間3、平行等距4、對稱分布

以中央明條紋為中心、兩側(cè)對稱分布的、平行等距的明暗相間的直條紋討論條紋特點1、中央明紋以中央明條紋為中心、兩側(cè)對稱22線光源S的兩個虛像相當(dāng)于楊氏雙縫實驗中的雙縫，楊氏實驗中的有關(guān)結(jié)論在此成立。S2SBPM2M1AOA與屏距離S：線光源B：S1P：A：M1、M2：障礙物屏平面鏡鏡交線鏡面夾角S與A距離注：S發(fā)光經(jīng)兩個鏡面反射均有半波損失。三．菲涅耳雙棱鏡干涉線光源S的兩個虛像相當(dāng)于楊氏雙縫實驗中的雙縫，楊氏實驗中的有23三．菲涅耳雙棱鏡干涉SS1S2虛光源與屏間距。分析光程時，不考慮半波損失。楊氏雙縫干涉實驗的分析結(jié)果仍成立。虛像間距。三．菲涅耳雙棱鏡干涉SS1S2虛光源與屏間距。分析光程時，不24SSPS：線光源M：平面鏡P：屏MS發(fā)光照射M時為掠射，直射光與反射光相干S與S間距S與屏距離實驗發(fā)現(xiàn)，屏靠近鏡時，鏡右端不明反暗，驗證了電磁理論預(yù)言的半波損失四．洛埃鏡干涉實驗SSPS：線光源M：平面鏡P：屏MS發(fā)光照射M時為掠25例1：波長為632.8

nm的激光，垂直照射在間距為1.2mm的雙縫上，雙縫到屏幕的距離為500mm，求兩條第4級明紋的距離。解：44Io由明紋公式：兩條4級明紋的距離為：例1：波長為632.8nm的激光，垂直照射在間距為26例2：在雙縫干涉實驗中，用波長為632.8nm的激光照射一雙縫，將一折射率為n=1.4

的透明的介質(zhì)薄片插入一條光路，發(fā)現(xiàn)屏幕上中央明紋移動了3.5個條紋，求介質(zhì)薄片的厚度d。例2：在雙縫干涉實驗中，用波長為632.8nm的激光27解：由于中央明紋移動了3.5個條紋，則插入的介質(zhì)薄片所增加的光程差為3.5個波長，對應(yīng)原屏幕中央o點兩條光線的光程差也為3.5。o’DS1S2Sar1r2Iood解：由于中央明紋移動了3.5個條紋，則插入的介質(zhì)薄片所28在原屏幕中央o點兩光線的光程差為：對于o點：DS1S2ar1r2od在原屏幕中央o點兩光線的光程差為：對于o點：DS1S2ar129作業(yè)題：習(xí)題16.12、16.14、16.15；預(yù)習(xí)內(nèi)容：§16.4-16.5復(fù)習(xí)內(nèi)容：本講作業(yè)題：習(xí)題16.12、16.14、16.15；預(yù)習(xí)內(nèi)容30波動光學(xué)第1講——光的干涉楊氏雙縫干涉主要內(nèi)容§1光源、單色光與相干光、光程§2楊氏雙縫干涉實驗波動光學(xué)第1講主要內(nèi)容§1光源、單色光與相干光、光程§231幾何光學(xué)：以光的直線傳播規(guī)律為基礎(chǔ)研究反射、折射、散射及研究各種光學(xué)儀器的理論。波動光學(xué)：以光的波動性為基礎(chǔ)研究光的傳播規(guī)律特別是光的干涉、衍射及偏振的規(guī)律。量子光學(xué)：以光的粒子性及近代量子理論為基礎(chǔ)研究光與物質(zhì)相互作用的規(guī)律。波動光學(xué)幾何光學(xué)：以光的直線傳播規(guī)律為基礎(chǔ)研究波動光學(xué)：以光的波動性32§1光源、單色光與相干光一．可見光與光源

1、可見光頻率范圍:3.9×1014Hz—8.6×1014Hz波長范圍:400nm—760nm赤橙黃綠青藍(lán)紫2、光源自身能發(fā)光的物體普通光源屬于自發(fā)輻射，非相干光源激光器屬于受激輻射，相干光源§1光源、單色光與相干光一．可見光與光源1、可見33二.光的單色性1、單色光與復(fù)色光只含有一種頻率的光——單色光含有多種頻率的光——復(fù)色光準(zhǔn)單色光：頻率很接近的復(fù)色光如鈉燈發(fā)出的光：波長范圍在589.0nm～589.6nm2、獲得單色光的方法三棱鏡濾光片激光器件二.光的單色性1、單色光與復(fù)色光只含有一種頻率的光——單34三.光的相干性光的干涉現(xiàn)象：當(dāng)兩列相干光相遇時,在相遇空間出現(xiàn)明暗穩(wěn)定分布的現(xiàn)象1、原子的發(fā)光機(jī)理三.光的相干性光的干涉現(xiàn)象：1、原子的發(fā)光機(jī)理35●●●●

一個原子每一次發(fā)光就只能發(fā)出一段長度有限，頻率一定和振動方向一定的光波這樣一段光波稱作一個波列波列波列長L=c●●●●一個原子每一次發(fā)光就只能發(fā)出一段長度有限，頻36普通光源◆各個原子各次發(fā)光，發(fā)光頻率、振動方向、彼此位相差是不確定的，出現(xiàn)干涉現(xiàn)象的概率非常小。獨立(不同原子發(fā)的光)··◆同一原子不同次發(fā)光，也不能保證這些波列的頻率，振動方向都相同，而且位相差也不可能保持恒定，因此，也就不可能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。普通光源◆各個原子各次發(fā)光，發(fā)光頻率、振動方向、彼此位相差是372、相干光的獲得

利用普通光源獲得相干光的方法的基本原理是把由光源同一點發(fā)出的光設(shè)法分成兩部分，然后再使這兩部分疊加起來。

分波陣面法分振幅法在同一波面上兩固定點光源，發(fā)出的光產(chǎn)生干涉的方法為分波面法。如楊氏雙縫干涉實驗（圖1）一束光線經(jīng)過介質(zhì)薄膜的反射與折射，形成的兩束光線產(chǎn)生干涉的方法為分振幅法。如薄膜干涉（圖2）。PSS1S2SS12P圖1圖22、相干光的獲得利用普通光源獲得相干光的方法的基本原38四、光程光在介質(zhì)中傳播的距離折算成真空中的長度。在介質(zhì)中傳播的波長，折算成真空中波長兩光程之差叫做光程差相位差：2、光程差1、光程的引入和光程的概念四、光程光在介質(zhì)中傳播的距離折算成真空中的長度。在介質(zhì)中傳播39當(dāng)用透鏡觀測干涉時，不會帶來附加的光程差。3、透鏡不引起附加的光程差當(dāng)用透鏡觀測干涉時，不會帶來附加的光程差。3、透鏡不引起附加40

楊氏在1801年首先用實驗的方法研究了光的干涉現(xiàn)象，為光的波動理論確定了實驗基礎(chǔ)。一.楊氏雙縫實驗§2楊氏雙縫干涉實驗楊氏在1801年首先用實驗的方法研究了光的干涉現(xiàn)象，為光411、實驗裝置S1S2SE1、實驗裝置S1S2SE42S1S2SE2、實驗現(xiàn)象當(dāng)光源照射狹縫S時，在屏幕E上出現(xiàn)一系列穩(wěn)定的與狹縫平行、條紋間距彼此相等的明暗相間的條紋。S1S2SE2、實驗現(xiàn)象當(dāng)光源照射狹縫S43●3、實驗解釋由S1和S2

射出的光束來自同一光波波陣面的不同部分，因此它們具有相同的頻率和相位。這種獲得相干光的方法稱作分波陣面法。

●3、實驗解釋由S1和S2射出的光束來自同一光44二.明暗紋條件●●

S1和S2到P點的波程差二.明暗紋條件●●S1和S2到P點的波45二.明暗紋條件設(shè)S1和S2的距離為d，中點為M，

PM與MO的夾角為θ，從S1做S2P垂線S1C。通常情況下，D＞＞d，θ很小●●M到屏幕的距離為D，垂足為o

，以o為坐標(biāo)原點，P點的坐標(biāo)為x二.明暗紋條件設(shè)S1和S2的距離為d，PM與M46●●二.明暗紋條件通常情況下，D＞＞d，θ很小●●二.明暗紋條件通常情況下，47二.明暗紋條件干涉明紋的條件條紋的中央為明紋，稱為零級(或中央)明紋●●干涉暗紋的條件二.明暗紋條件干涉明紋的條件條紋的中央為明紋，稱為零級(或48IO0明紋●●暗紋明紋IO0明紋●●暗紋明紋49干涉條紋圖樣632.8nm的氦氖激光器產(chǎn)生的干涉條紋589.3nm的鈉黃光產(chǎn)生的干涉條紋干涉條紋圖樣632.8nm的氦氖激光器產(chǎn)生的干涉條紋589.50

◆條紋間距◆條紋圖樣當(dāng)單色光照射時，為明暗相間的條紋當(dāng)白光照射時，為彩色條紋（中央為白色條紋）條紋明暗相間平行等距◆條紋移動討論向兩邊移動向兩邊移動向中央移動◆條紋間距◆條紋圖樣當(dāng)單色光照射時，為明暗相間的條51討論條紋特點1、中央明紋2、明暗相間3、平行等距4、對稱分布

以中央明條紋為中心、兩側(cè)對稱分布的、平行等距的明暗相間的直條紋討論條紋特點1、中央明紋以中央明條紋為中心、兩側(cè)對稱52線光源S的兩個虛像相當(dāng)于楊氏雙縫實驗中的雙縫，楊氏實驗中的有關(guān)結(jié)論在此成立。S2SBPM2M1AOA與屏距離S：線光源B：S1P：A：M1、M2：障礙物屏平面鏡鏡交線鏡面夾角S與A距離注：S發(fā)光經(jīng)兩個鏡面反射均有半波損失。三．菲涅耳雙棱鏡干涉線光源S的兩個虛像相當(dāng)于楊氏雙縫實驗中的雙縫，楊氏實驗中的有53三．菲涅耳雙棱鏡干涉SS1S2虛光源與屏間距。分析光程時，不考慮半波損失。楊氏雙縫干涉實驗的分析結(jié)果仍成立。虛像間距。三．菲涅耳雙棱鏡干涉SS1S2虛光源與屏間距。分析光程時，不54SSPS：線光源M：平面鏡P：屏MS發(fā)光照射M時為掠射，直射光與反射光相干S與S間距S與屏距離實驗發(fā)現(xiàn)，屏靠近鏡時，鏡右端不明反暗，