10 光的干涉.ppt
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1、第第10章章 光的干涉光的干涉 10.2 双缝干涉双缝干涉 10.3 薄膜干涉薄膜干涉10.1 光源光源 光波的叠加光波的叠加对人眼或感光材料起作用的只是电矢量对人眼或感光材料起作用的只是电矢量10.1 光源光源 光波的叠加光波的叠加一一.光是电磁波光是电磁波电磁波电磁波电振动矢量电振动矢量(电矢量电矢量)磁振动矢量磁振动矢量(磁矢量磁矢量)坡印亭矢量坡印亭矢量电磁波谱电磁波谱p12r1r2二光源的振动传到二光源的振动传到P点时,各自的振动方程为点时,各自的振动方程为:1 2 E0E10E20如图,如图,1和和2为两光源为两光源同一直线上同频率的简谐运动的合成振动:同一直线上同频率的简谐运动的
2、合成振动:1.光光波波的叠加的叠加 相干条件相干条件二二.光波的叠加光波的叠加光的干涉光的干涉光波的叠加(只讨论光波的叠加(只讨论电振动电振动)相干条件相干条件(即两光源能产生干涉现象的条件):(即两光源能产生干涉现象的条件):振动方向相同,频率相同,相位差恒定。振动方向相同,频率相同,相位差恒定。若在同一媒质中,则:若在同一媒质中,则:其中其中2.光源及其发光机理光源及其发光机理光源:能发光的物体即为光源:能发光的物体即为光源。光源。物体的发光方式:化学发光、热辐射、电致发光、光致发光等物体的发光方式:化学发光、热辐射、电致发光、光致发光等 =(E2-E1)/hE1E2能级跃迁辐射能级跃迁辐
3、射波列波列(脉冲)(脉冲)波列长波列长L=c不不论论哪哪种种发发光光方方式式,本本质质上上都都是是:物物质质的的原原子子或或分分子子由由高高能能量量状状态变到低能量状态时,多余的能量会以光的形式释放出来。态变到低能量状态时,多余的能量会以光的形式释放出来。物体发光的本质:物体发光的本质:其最基本发光单元是原子或分子其最基本发光单元是原子或分子普通光源普通光源(自发辐射)自发辐射)独立独立(不同原子发的光不同原子发的光)独立独立(同一原子先后发的光同一原子先后发的光)各脉冲的频率各脉冲的频率,位相位相,振动方向振动方向,传播方向是随机的传播方向是随机的激光光源激光光源(受激辐射)受激辐射)=(E
4、2-E1)/hE1E2 完完全全一一样样(频频率率,位位相相,振动方向振动方向,传播方向传播方向)例例3.如何获得相干光如何获得相干光(即由普通光源获得相干光的途径)(即由普通光源获得相干光的途径)pS*分波面法分波面法分振幅法分振幅法p薄膜薄膜S S*例:例:菲涅耳双棱镜菲涅耳双棱镜洛埃镜洛埃镜薄膜干涉薄膜干涉4.相干长度简介(大纲不要求)相干长度简介(大纲不要求)5.光源的单色性光源的单色性单色光单色光:具有单一波长的光:具有单一波长的光复色光复色光:由不同不成的光组合而成的光。如太阳光、:由不同不成的光组合而成的光。如太阳光、汞灯发出的光等。汞灯发出的光等。生活中,生活中,“这衣服的颜色
5、好正!这衣服的颜色好正!”指的就是单色性好。指的就是单色性好。太阳光谱太阳光谱波长增加波长增加单色光单色光准单色光准单色光复色光复色光1.1.光程光程光程差光程差 真空中真空中dab 媒质中媒质中abndn n媒质媒质 n n媒质中波长媒质中波长光程光程:L L=ndnd 真空中波长真空中波长三三.光程与光程差光程与光程差p12r1r2r1、r2 称为称为光程光程r2-r1 称为称为光程差光程差n1n2nmd1d2dm 光程差光程差:=LL2 2-L-L1 1例例光路中存在介质膜的情形光路中存在介质膜的情形S1S2r1r2dnpP点点:2.使用透镜不会产生附加光程差使用透镜不会产生附加光程差S
6、 acbS物点到象点各光线之间的光程差为零物点到象点各光线之间的光程差为零相位差和光程差的关系:相位差和光程差的关系:光程光程 L L=(n ni i d di i)例例 频频率率为为100Hz,传传播播速速度度为为300m/s的的平平面面简简谐谐波波,波波线线上上两两点振动的位相差为点振动的位相差为/3/3,则此两点距离为,则此两点距离为 。解:解:则:则:位相差位相差=k波程差波程差一一.杨氏杨氏(Tomas.Yang)双缝干涉双缝干涉pr1 r2 xx0 xI xxDdo单单色色光光入入射射、由由分分振振幅法得到相干光源幅法得到相干光源d,D d (d 10-4m,D m)波程差波程差:
7、t时刻,二光源的振动传到时刻,二光源的振动传到P点时,各自的振动相位为点时,各自的振动相位为:明纹明纹 暗纹暗纹 10.2 双缝干涉双缝干涉此处此处因为单缝到双缝等距离因为单缝到双缝等距离则相位差则相位差光强分布光强分布Why?See below条纹间距条纹间距(1)(1)一系列平行的明暗相间的条纹;一系列平行的明暗相间的条纹;(3)(3)中间级次低;中间级次低;明纹明纹:k k,k k=1,2,3(=1,2,3(整数级整数级)暗纹暗纹:(2(2k k+1)/2(+1)/2(半整数级半整数级)(4)(4)条纹特点条纹特点:(2)(2)不太大时条纹等间距;不太大时条纹等间距;某条纹级次某条纹级次
8、=该条纹相应的该条纹相应的(r r2 2-r-r1 1)/)/Why?光强分布公式光强分布公式例例推导:双缝干涉装置中,屏上的光强分布公式。推导:双缝干涉装置中,屏上的光强分布公式。光波的强度光波的强度解:解:1 2 E0E10E20pr1 r2 xxDdo12光源光源1和和2在在p点引起的振动方程分别为点引起的振动方程分别为:p点的合振动的振动方程为点的合振动的振动方程为对光源对光源1和和2有:有:代入代入其中,其中,I0 2-2 4-4 k012-1-24I0 x0 x1x2x-2x-1sin 0 /d-/d-2 /d2 /d光强曲线光强曲线光强分布光强分布例例 在杨氏双缝实验中,设两缝之
9、间的距离为在杨氏双缝实验中,设两缝之间的距离为0.2 mm,在距双缝,在距双缝1 m远的屏上观察干涉条纹。若入射光是波长远的屏上观察干涉条纹。若入射光是波长400 nm至至760 nm的的白光,问屏上离零级明纹白光,问屏上离零级明纹20 mm处,哪些波长的光在此处加强?处,哪些波长的光在此处加强?(1 nm=10-9 m)(06级考题级考题)pr1 r2 xxDdo解:解:明纹明纹暗纹暗纹 零级明纹零级明纹k=0,其位置在,其位置在x=0处处.与与 无关无关(即任何颜色的光的即任何颜色的光的零级明纹均在零级明纹均在x=0处处)x=20即即k只能取只能取6、7、8、9、10=400、444、50
10、0、5714、6667 nm400 nm760 nm二二.菲涅耳双镜(双面镜、双棱镜)菲涅耳双镜(双面镜、双棱镜)菲涅耳双棱镜菲涅耳双棱镜菲涅耳双面镜菲涅耳双面镜交叠区菲涅耳双棱镜和双面镜的干涉条纹计算与菲涅耳双棱镜和双面镜的干涉条纹计算与杨氏双缝的情况完全一样杨氏双缝的情况完全一样交叠区观察屏观察屏观察屏观察屏三三.洛埃镜与半波损失洛埃镜与半波损失交叠区交叠区平面镜成像平面镜成像洛埃镜洛埃镜半波损失半波损失观察屏观察屏所以所以B点应为亮纹,点应为亮纹,S1和和S2 为两相干光源,为两相干光源,又又但实际上但实际上B点却为暗纹,点却为暗纹,表表明明两两相相干干光光源源的的振振动动传传到到B点点
11、时时反反相相,也也即即在在B点点,反反射射光光相相对对于于入入射射光光有有半半波损失波损失垂直入射垂直入射光疏媒质光疏媒质光密媒质光密媒质入射光入射光反射光反射光折射光折射光光从光疏媒质向光密媒质垂直入射光从光疏媒质向光密媒质垂直入射(i0)或掠入射或掠入射(i90)时时,会有半波,会有半波损损失失现现象。象。i90干涉条纹计算与杨氏双缝的情况完全一样干涉条纹计算与杨氏双缝的情况完全一样例例 如图所示,在洛埃镜实验中,光源如图所示,在洛埃镜实验中,光源S到平面镜到平面镜M的垂直距离的垂直距离为为a,考虑半波损失,若距,考虑半波损失,若距O点距离为点距离为x的的P点处恰好是从点处恰好是从O点数点
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