16-0,1,3光波及相干条件(南京信息工程大学 大学物理).pdf

第十六 十七章光的干涉 衍射第十六 十七章光的干涉 衍射 主讲 徐飞主讲 徐飞 Nanjing University of Information Science 光的本性光的本性 光与物质相互作用光与物质相互作用 20世纪世纪60年代激光问世后 光学有了飞速年代激光问世后 光学有了飞速 的发展 形成了的发展 形成了现代光学现代光学 1 10 大学物理教案 by 徐飞 3 丰富多彩的干涉现象 水膜在白光下水膜在白光下白光下的肥皂膜白光下的肥皂膜 4 蝉翅在阳光下蝉翅在阳光下蜻蜓翅膀在阳光下蜻蜓翅膀在阳光下 白光下的油膜白光下的油膜肥皂泡玩过吗肥皂泡玩过吗 5 6 等倾条纹等倾条纹牛顿环牛顿环 等厚条纹等厚条纹 测油膜厚度测油膜厚度平晶间空气隙干涉条纹平晶间空气隙干涉条纹 2 10 大学物理教案 by 徐飞 7 一 光 波 1 光源 发射光波的物体称为光源 E 光是电磁波 引起人视觉的是光矢量 8 9 P 2 1 s10 10 108 t 普通光源发光普通光源发光特点特点 原子发光是断续的 原子发光是断续的 每次发光形成一长度每次发光形成一长度 有限的有限的波列波列 各原子各原子 各次发光相互独立 各次发光相互独立 各波列互不相干各波列互不相干 2 普通光源的发光机制 hE 原子能级及发光跃迁原子能级及发光跃迁 基态基态 激激 发发 态态 n E 跃迁跃迁 自发辐射自发辐射 10 原子发光是原子发光是间隙式的的 各个原子的发光是完全独立的各个原子的发光是完全独立的 互不相互不相关关 它们它们何何时时发光完全是不发光完全是不确定确定的的 因此因此 不不同同原子发的光不原子发的光不可可能能产生产生干涉现象干涉现象 自发辐射自发辐射 例如例如 普通普通灯泡灯泡发的光发的光 火焰火焰 电电弧弧 太阳太阳光光等等等等 发光发光频率频率 光的振动光的振动方向方向 光波的光波的初位初位相相 以及光波的传播以及光波的传播方向等都可方向等都可能不能不同同 3 10 大学物理教案 by 徐飞 11 激光光源 完全一完全一样 频率样 频率 相 相位位 振动 传播 振动 传播方向 方向 全全同同光子光子 可可以以实实现光现光放大放大 单色单色性性好好 相干性相干性好好 受受激辐射激辐射 例如例如 氦氖氦氖激光器激光器 红宝石红宝石激光器激光器 半导体半导体激光器激光器等等等等 12 复色光 不同频率单色光的混合光称为复色光 复色光 不同频率单色光的混合光称为复色光 单色光 具有单一频率的光波称为单色光 单色光 具有单一频率的光波称为单色光 3 单色光 复色光 光谱曲线光谱曲线 谱线宽度谱线宽度 0 I 0 2 I 2 2 强强 度度 波长波长 13 14 复色光复色光 1 10 大学物理教案 by 徐飞 15 s10 8 称称为为准单色准单色光光 光光强强 22 0000 11 222 n ISE HEE c 电电矢矢量的振动量的振动称称为光振动为光振动E 16 同同一种一种介介质质中中光光强强的相的相对分布对分布 2 0 IE 沿沿r方向方向传播电磁波电传播电磁波电场分场分量量表示表示为为 00 cos EEk rt 复数复数形形式式 0 0 i k r t E r tE e 或或 0 i ii 0 ee e k rtt E r tEE r 其中其中 0 i 0e k r E rE 复 复振振幅 幅 0 i 0e k r E rE 矢矢量形量形式式 发发散球面散球面波波 0 0 cos E E r tkrt r 17 二 光程 optical path 18 一一般式般式 ii i Ln x 物理物理意义意义 光 光程就程就是光是光在媒在媒质质中中通通过过的几何的几何路路 程程 按按波波数数相相等折合到真空中等折合到真空中的的路程路程 5 10 大学物理教案 by 徐飞 19 波动波动方程方程 振动振动方程方程 00 cos EEt 00 cos x EEt u 00 cos 2 tx EE T 00 cos 2 x EEft 00 cos EEtkx 00 2 cos x EEt 20 1 S 2 S 1 n 1 r 2 r 2 n P 1 11010 1 cos 2 r EEft 2 22020 2 cos 2 r EEft 两者在P的相位差为 21 21 22rr 折算到真空中的波长 得 0 2 21 1 00 2 21 1 0 22 2 n rn r n rn r 21 光光程差程差 2 21 1 n rn r 2 光光在真空中在真空中的波长的波长 也常记为 角波数 k 波数 相位差 k 称为波矢称为波矢 22 不不同同光线通光线通过透镜过透镜要改变要改变传播传播方向方向 会会不不会引起附加会引起附加光光程差程差 A B C a b c F A B C 的的位位相相相相同同 在在F点点会聚会聚 互相 互相加加强强 A B C 各点各点到到F点的光点的光程都程都相相等等 AaF比比BbF经经过过的几何的几何路程路程长 长 但但BbF在透镜在透镜 中中经经过过的的路程路程比比AaF长 长 透镜折透镜折射射率大率大于于1 折折 算算成光成光程程 AaF的光的光程程与与BbF的光的光程程相相等等 解解 释释 使用透镜不会引起各相干光之间的附加光程差 6 10 大学物理教案 by 徐飞 23 24 25 独立 独立 同一原子不同时刻同一原子不同时刻发的光 振动方向 发的光 振动方向 相位差也很难相同 相位差也很难相同 独立 原子的发光独立 原子的发光 完全是偶然的 完全是偶然的 不不 同原子同一时刻同原子同一时刻发发 的光 彼此独立 的光 彼此独立 对两个普对两个普通通光光源源 不 不能构成能构成相干光相干光源源 不 不能能 产生产生干涉干涉现象现象 波的独立波的独立性性 叠加性和叠加性和相干相干性性 三 相干条件 coherent condition 26 光干涉的必要条件 1 10 大学物理教案 by 徐飞 27 28 1 两列光波的叠加 12 p 1 2 r1 r2 1101110 cos EEkr t 2202220 cos EEkr t P 12 00 cos EEE Ek r t 222 010201020 2cosEEEE E 22112010 21 2010 2 krkr rr 其中其中 20 10 0 0 E 2 E 1 E 29 非非相干光相干光源源cos0 I I 1 I 2 非非相干相干叠加叠加 完全相干光完全相干光源源 cos0 干涉干涉图图干涉干涉图图 cos 1212 2IIII I cos 1212 2IIII I 平平均均光光强强为 为 30 k 0 1 2 3 2 k max1212 2IIIII I min1212 2IIIII I 21 k k 0 1 2 3 2 干涉判据 cos1 cos1 干涉干涉图图 相长干涉 明 相长干涉 明 相消干涉 暗 相消干涉 暗 8 10 大学物理教案 by 徐飞 31 21 2010 21 22 2 rrrr 频率相同 振动方向相同 相位差频率相同 振动方向相同 相位差恒定恒定 20 1 2 210 1 2 k k k k 干涉干涉加加强强 干涉 干涉减弱减弱 干涉干涉判据判据 相干条相干条件件 总结总结 所以所以干涉干涉判据判据也也可以写成可以写成 2 0 1 2 2 21 0 1 2 2 kk kk 一一般般相相等等 32 分波面与分振幅 33 关于波线 波面和波前 波线波线 或 或波射线波射线 从从波源波源沿沿各传播各传播方向方向所画所画的的带箭带箭 头头的线 的线 波波面面 或 或相相面面 波 波阵阵面 面 波波在在传播传播过程中过程中 所所有振有振 动相动相位位相相同同的点的点连连成的成的面面 波波前前 最前面的波面 最前面的波面 即即波源最初振动状态传播到各点波源最初振动状态传播到各点 所连成的面 所连成的面 在各向同性的均匀介质中 在各向同性的均匀介质中 波线 波面波线 波面 根据波前的形状可以把波分为根据波前的形状可以把波分为平面波平面波 球面波球面波 柱面波柱面波等 等 平面波平面波 波线波线 波面波面 球面波球面波 波线波线 波面波面 34 球面波的波面与波线球面波的波面与波线 波波面面 波线波线 在在各各向同向同性性媒媒质质中中波线和波波线和波面面垂垂直直 1 10 大学物理教案 by 徐飞 35 解解 例例1 如图如图 在 在S2P 间间插入折射插入折射率为率为n 厚度为 厚度为d 的的介质介质 求求光光由由S1和和S2到到 p 的相位差的相位差 21 2 rdndr 21 2 1 rrnd 2 36 两束平行相干光 每一束都以照明强度I照射某个表面彼此同 相地合并在一起 则合并光照射表面的强度将为 I2B 2IC 4ID 5IA 单色光从空气射入水中 下列哪些说法是正确的 单色光从空气射入水中 下列哪些说法是正确的 A A 波长变短 光速变慢 波长变短 光速变慢 B B 波长不变 频率变大 波长不变 频率变大 C C 频率不变 光速不变 频率不变 光速不变 D D 波长不变 频率不变 波长不变 频率不变 来自不同光源的两束白光来自不同光源的两束白光 例如两束手电筒的光 照射在同例如两束手电筒的光 照射在同 一区域内 是不能产生干涉花样的 这是由于 一区域内 是不能产生干涉花样的 这是由于 A A 白光是由许多不同波长的光构成的 白光是由许多不同波长的光构成的 B B 两光源发出不同强两光源发出不同强度度的光 的光 C C 不同波长的光速是不相同的 不同波长的光速是不相同的 D D 两两个个光源光源独立独立 不是相干光源 不是相干光源 37 在相同在相同