光的干涉1.ppt

光的波动性 干涉现象衍射现象 光波的特点 波长短3900 7800 速度高光源在原子内部 波动光学 以光的波动性为基础 研究光的传播及其规律 第3章光的干涉丰富多彩的干涉现象 水膜在白光下 白光下的肥皂膜 蝉翅在阳光下 蜻蜓翅膀在阳光下 白光下的油膜 肥皂泡玩过吗 等倾条纹 牛顿环 等厚条纹 测油膜厚度 平晶间空气隙干涉条纹 第3章光的干涉 1光的相干性 2分波面法双光束干涉 3光程和光程差 4分振幅法双光束干涉 5干涉仪 6 影响条纹对比度的几个因素 基本要求 一 了解普通光源发光的特点 理解获得相干光的方法 二 掌握光程的概念以及光程差和相位差的关系 三 掌握杨氏双缝干涉的基本装置及干涉条纹位置的计算 四 掌握薄膜等厚干涉的基本装置 平面平行膜 劈尖 牛顿环等 了解产生 半波损失 的条件 能分析确定干涉条纹的位置 五 了解麦克尔逊干涉仪的工作原理及应用 1光的相干性 一 光源 能发射光波的物体 光源的最基本发光单元是分子 原子 E2 E1 h E1 E2 能级跃迁辐射 波列长L c 可见光的频率范围 7 5 1014 3 9 1014Hz 真空中的波长范围 400 760nm 相应光色 紫 蓝 绿 黄 橙 红 单色光 具有单一频率的光 复色光 由各种频率组成的光 光波是电磁波 E称为光矢量 E矢量的振动称为光振动 光波中与物质相互作用 感光作用 生理作用 的是E矢量 平面简谐电磁波 光强 平均能流密度 用I表示 波动光学中主要讨论的是相对光强 因此在同一介质中直接把光强定义为 1 普通光源 自发辐射 发光的随机性 发光的间歇性 热光源 结论 两个独立的光源不可能成为一对相干光源 一个光源的不同部分也不是相干光源 原因 原子发光是随机的 间歇性的 两列光波的振动方向不可能一致 相位差不可能恒定 2 特殊光源 激光光源普通光源发光 自发辐射 随机 间歇 激光光源发光 受激辐射 光放大发出光的频率相位振动方向全相同 激光的相干性比普通光源要好得多 同一块面积上的点源相干 相干面积 E2 E1 h 2 相干条件 1 频率相同 2 振动方向相同 3 相位差恒定 二 光的相干性 1 光的干涉现象 将光源上一个发光点的光分成两束 各经历不同的路径再会合迭加 可满足相干条件产生干涉 3 相干光源 满足相干条件的光源 补充条件 1 振幅相差不悬殊 2 光程差不能太大 1 分波阵面方法 三 相干光的获得 同一波阵面上的不同部分产生次级波相干 利用光的反射和折射将同一光束分割成振幅较小的两束相干光 2 分振幅的方法 3 激光光源 受激辐射 频率 相位 振动方向完全一样 激光可做相干光源 2分波面法双光束干涉 一 杨氏双缝二 其他类似装置 干涉主要包含以下几个主要问题实验装置确定相干光束求出相位差 光程差 分析干涉花样给出强度分布应用及其它 杨 T Young 在1801年首先发现光的干涉现象 并首次测量了光波的波长 ThomasYoung 1773 1829 英国物理学家 考古学家 医生 光的波动说奠基人之一 分波阵面法产生的干涉 1 实验装置 一 杨氏双缝实验 观察屏 确定相干光束计算相位差 光程差 根据相长相消条件确定坐标 2 杨氏双缝干涉条纹 波程差 相应明纹位置 干涉加强 干涉减弱 相应暗纹位置 V3 21 2 21 4 21 6 21 7 3 条纹特点 2 明 暗相间的条纹对称分布于中央明纹两侧 3 相邻明 或暗 条纹等间距 与干涉级次k无关 1 干涉条纹是平行于狭缝方向的明暗相间的条纹 相邻两明 或暗 条纹间的距离称为条纹间距 3 相邻明 或暗 条纹等间距 与干涉级次k无关 明纹位置 暗纹位置 21 8 4 条纹位置 其余情况不变时 条纹向中央聚拢 变得密集 条纹向两边分散 变得稀疏 明纹位置 暗纹位置 条纹间距 条纹间距 便于观察 其余情况不变时 即屏越远越易于观察 V3 V3 其余情况不变时 红光条纹间距最大 紫光条纹间距最小 V3 若用白光照射双缝 屏上中央明纹仍为白色 两侧对称分布各级紫内红外的彩色条纹 更高级次的彩色条纹可能会发生重叠 白光入射的杨氏双缝干涉照片 红光入射的杨氏双缝干涉照片 您能判断0级条纹在哪吗 光的干涉条纹强度分布公式 杨氏干涉中 条纹最亮 0 条纹最暗 与前述一致 V3 4 光强分布 光强公式 若I1 I2 I0 则 光强曲线 洛埃镜的干涉 M 或 二 其他类似装置 劳埃镜费涅耳双面镜费涅耳双棱镜 处理办法 等效双缝 思考 为什么光程差公式中出现了 洛埃镜实验 1实验装置 平板玻璃M下表面涂黑 光源S1向M掠入射 2分析 实验结果的分析方法与前面相似 但是 观察屏的下半部分没有条纹 它验证了光波由光疏介质射向光密介质时 在分界面上反射的光存在有半波损失这一事实 实验内容如下 当屏幕E移至处 即E与M边缘接触 则波程差为 满足明纹条件 L处为明纹 但实验结果是暗纹 表明反射光有 的位相突变 验证了半波损失 V3 V3 光从光疏介质射向光密介质界面时 在反射过程中产生 的位相跃变 即 半波损失 结论 因此对两相干光中有一支存在半波损失的情形应有 M1 M2 S 双面镜的干涉 1实验装置 虚光源S1 S2 S1S2平行于WW 菲涅耳双面镜实验 平面镜M1 M2 夹角 很小 2计算公式 明条纹中心的位置 屏幕上O点在两个虚光源连线的垂直平分线上 屏幕上明暗条纹中心对O点的偏离x为 暗条纹中心的位置 D d S 双棱镜 双棱镜的干涉 杨氏双缝花样双棱镜花样 劳埃镜花样 干涉现象的条纹分布决定于两束相干光的相位差 两相干光处于同一介质 两相干光处于不同介质 3光程和光程差 两光之间的几何路程差 为便于解决两相干光经不同介质后相遇迭加的位相差 引入光程的概念 一 光程和光程差 1 光程 光在真空中的传播速度c 光在介质中的传播速度u 光在介质中的波长 结论 光在介质中的波长是真空中波长的倍 21 10 光在介质中传播几何路程r后相位的变化为 两同相相干光源的光到达相遇点的相位差是 不能用几何路程差而必须用光程差计算相位差 光在某一介质中所传播的几何路程r和该介质的折射率n的乘积nr 光程 2 光程的意义 光在介质中的光程 相同时间内光在真空中走的几何路程 结论 决定干涉强弱的是相位差或光程差而不是几何路程差 光程 两个同相的相干光源发出的相干光的干涉条纹明暗条件 光程差 相位差 3 光程差干涉条件 明纹 暗纹 由光程差确定 21 11 1 光程折射率与几何路程的乘积等效真空路程 光程差 21 11 已知r1 r2 n l 相干光S1 S2初相相同 求 相干光S1 S2到达P点的光程差 和相位差 例如 1 光程差 2 相位差 A B C的相位相同 在F点会聚 互相加强 A B C各点到F点的光程相等 结论 薄透镜不会引起各相干光之间的附加光程差 二 透镜的等光程性 装置1 装置2 两个装置的得到的相干光线的光程差相同都等于 观察结果与装置1相同 用白光照射杨氏双缝 双缝间距为d 缝与屏距为D 试求 能观察到的清晰可见光谱的级次 例1 讲义P594例21 1 解 由明纹公式得重叠条件 只有1级完整的光谱 例题2 用薄云母片 n 1 58 覆盖在杨氏双缝的其中一条缝上 这时屏上的零级明纹移到原来的第七级明纹处 如果入射光波长为5500 问云母片的厚度为多少 讲义P607习题21 9 解 原七级明纹P点处 插入云母后 P点为零级明纹 V3 解 P点明纹 干涉加强 为第三级 由已知可有 求 1 该单色光波长 1 2 若另一波长 2照射 发现第四级明纹正好与 1的第五级明纹重合 求 2 课堂练习 1 已知 解 1 由双缝干涉条纹间距公式得 2 由双缝干涉明纹公式得 2 杨氏双缝的间距为0 2mm 距离屏幕为1m 1 若第一到第四明纹距离