光学与波动学 第三章 光的干涉_第1页
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波动光学 光学概述 一 光的机械微粒学说 17世纪 18世纪末 代表 牛顿 对立面 惠更斯 波动说 分歧的焦点 光在水中的速度 1850年傅科 Foucauld 测定 微粒说开始瓦解 二 光的机械波动说 19世纪初 后半世纪 英国人托马斯 杨 T Young 和法国人菲涅尔 A T Fresnel 通过干涉 衍射 偏振等实验证明了光的波动性及光的横波性 性质 弹性机械波 在机械以太中传播 2 三 光的电磁说 19世纪的后半期 19世纪后半期Maxwell建立电磁理论 提出了光的电磁性 1887年赫兹用实验证实 性质 电磁波在电磁以太中传播 四 光的量子说 20世纪初 电磁波动说在解释 热幅射实验 及 光电效应 等实验遇到困难 1900年普朗克提出了 热幅射量子理论 爱因斯坦提出了光子理论 将光看成一束粒子流与电磁波动说相抗衡 二者各自统治着自已的领域 3 1924年法国人德布罗意 De Broglie 大胆提出了 物质波 的概念 尔后薛定谔 海森伯等人创建了量子力学 又将二者统一起来 光是一个复杂的客体 它的本性只能通过它的表现来确定 它的某些方面象波而另一方面象微粒 波粒二象性 但它既不是经典的波 也不是经典的微粒 也不是二者的混合体 4 量子光学 以光的量子理论为基础 研究光与物质相互作用的规律 光学通常分为以下三部分 几何光学 以光的直线传播规律为基础 主要研究各种成象光学仪器的理论 波动光学 以光的电磁性质为基础 研究光的传播规律 主要是干涉 衍射 偏振 波动光学对光的描述 光是电磁波 可见光波长 与物质相互作用 感光 生理作用 的主要是矢量 光矢量 矢量的振动称为光振动 振动方程 波动方程 1 光源 lightsource 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 3 1光源的相干性 2 激光光源 受激辐射 E2 E1 h 完全一样 1 普通光源 自发辐射 独立 同一原子先后发的光 独立 不同原子发的光 传播方向 频率 相位 振动方向 2 光的单色性 例 普通单色光 10 2 100 激光 10 8 10 5 可见光 103 3 光的相干性 相干光 满足相干条件的几束光 相干条件 振动方向相同 频率相同 有恒定的相位差 相干光相遇时合成光的振动 P点 振幅 P点光强 相位差 非相干光源 I I1 I2 非相干叠加 4 光程 光程差 媒质中 n 媒质中波长 光程 光程差 光程 A 如果同频率两束光 在不同媒质中经过相等的光程 几何路程等否 不等 经过时间等否 相位变化等否 等 等 B 透镜的等光程性 透镜不产生附加光程差 讨论 问 说明 从与光线垂直的面到焦点 各光线等光程 5 相位差和光程差的关系 6 干涉的条件 相长干涉 明条纹 同一束光 相消干涉 暗条纹 光程 光程差 干涉结果 19 衬比度差 V 1 衬比度好 V 1 振幅比 决定衬比度的因素 光源的宽度 光源的单色性 干涉条纹可反映光的全部信息 强度 相位 7 条纹衬比度 对比度 反衬度 contrast 当光从光疏媒质 折射率较小 入射到光密媒质 折射率较大 再反射回光疏媒质时 在反射点 反射光损失半个波长 作光程差计算时 在原有光程差的基础上加或减半波长 作位相差计算时 在原有相位差的基础上加或减 8 半波损失 9 普通光源获得相干光的途径 分波阵面法 分振幅法 实例 22 中央明纹 一级暗纹 一级暗纹 一级明纹 一级明纹 二级暗纹 二级暗纹 分波阵面干涉 1双缝干涉 平面波 球面波 2双缝干涉 p r1 r2 单色平行光入射 d D d d 10 4m D m 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 2 光强公式 若I1 I2 I0 则 光强曲线 k级明纹位置 k级暗纹位置 杨氏双缝干涉 分波阵面法 光程差 28 1 屏上相邻明条纹或相邻暗条纹间距为 一系列平行等间距的明暗相间的条纹 当 条纹不易被分辨 若已知 可测波长 2 条纹的强度分布 29 当用白光作为光源时 在零级白色中央条纹两边对称地排列着几条彩色条纹 3 条纹间距 正比于光波波长 I 白光照射 彩色谱带 30 3 干涉问题分析的要点 1 搞清发生干涉的光束 2 计算波程差 光程差 4 求出光强公式 画出光强曲线 3 搞清条纹特点 形状 位置 级次分布 条纹移动等 4 其他分波面干涉实验 要求明确以下问题 1 如何获得的相干光 2 明 暗纹条件 3 干涉条纹特点 形状 间距 级次位置分布 32 例1用白光光源进行双缝实验 若用一个纯红色的滤光片遮盖一条缝 用一个纯蓝色的滤光片遮盖另一条缝 则 A 干涉条纹的宽度将发生改变 B 产生红色和蓝色的两套彩色干涉条纹 C 干涉条纹的亮度将发生改变 D 不产生干涉条纹 选 D 波长不同的光不是相干光 例2在双缝干涉实验中 设缝是水平的 若双缝所在的平板稍微向下平移 其它条件不变 则屏上的干涉条纹 A 向下平移 且间距不变 B 向上平移 且间距不变 C 不移动 但间距改变 D 向上平移 且间距改变 S1与S2相对S不对称 上短下长 零极明纹下移 但间距与此无关 选 A 例3 如图所示 用波长为的单色光照射双缝干涉实验装置 若将一折射率为 劈角为 的透明劈尖b插入光线2中则当劈尖b缓慢地向上移动时 只遮住S2 屏C上的干涉条纹 A 间隔变大 向下移动 B 间隔变小 向上移动 C 间隔不变 向下移动 D 间隔不变 向上移动 选 C 例4 如图所示 S1和S2为两个同向的相干点光源 从S1和S2到观察点P的距离相等 即 S1P S2P 相干光束1和2分别穿过折射率为n1和n2 厚度皆为t的透明薄片 它们的光程差等于多少 例5用双缝干涉实验测某液体的折射率 光源为单色光 观察到在空气中的第三级明纹正好与液体中的第四级明纹重合 求 折射率 解 空气中双缝干涉条纹第三级明纹位置 液体中双缝干涉条纹第四级明纹位置 该问题反映了杨氏双缝干涉实验的应用 38 厚度均匀薄膜在无穷远处的等倾条纹 3 6薄膜干涉 filminterference 等厚条纹 equalthicknessfringes 薄膜干涉是分振幅干涉 日常中见到的薄膜干涉 肥皂泡上的彩色 雨天地上油膜的彩色 昆虫翅膀的彩色 膜为何要薄 光的相干长度所限 膜的薄 厚是相对的 与光的单色性好坏有关 普遍地讨论薄膜干涉是个极为复杂的问题 实际 意义最大的是厚度不均匀薄膜表面的等厚条纹和 分振幅干涉 39 光程差 可能有的半波损失 薄膜干涉 干涉结果 明纹 注意 此处k等于几 代表第几级明纹 这种情况也表示第几条明纹 注意 k 0是零级明纹 也是第一条明纹

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