《干涉光双缝干涉》PPT课件.ppt

波动光学 一 光源 1 光源的发光机理 凡能发光的物体称为光源 按发光的激发方式光源可分为 热光源 由热能激发 如白炽灯 碳火 太阳等 冷光源 由化学能 电能或光能激发 如萤火 磷火 日光灯等 作为光学光源的是热光源 12 1光源光的相干性 光通讯 2 可见光的颜色和光谱 光的颜色与频率 波长对照表 折射率各异 四 可见光的波长范围 400 760nm 4000 7600 紫 400 450nm 蓝 450 500nm 绿 500 580nm 黄 580 600nm 橙 600 620nm 红 620 760nm 1 m 2 引起眼睛视觉效应和光化学效应的是光波场中的电场 定义 光矢量 光振动中的电矢量 光振动 电矢量周期性的变化 3 光强 光振动指的是电场强度随时间周期性地变化 光的强度 即平均能流密度 I E02 平面谐波 发光的随机性 发光的间歇性 A 普通光源 由自发 随机 幅射发出的光 E2 E1 E3 光的相干性 相干光源 热光源 没有办法获得相关光了 特点 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 A 普通光源 光的相干性 相干光源 冷光源 A 普通光源 电致发光 电场激发 光致发光 由X射线 放射线 可见光激发 化学发光 由化学能激发 萤火虫 热光源 由热能激发 白炽灯的辐射光谱 B 激光光源 激光器 Laser 由受激幅射产生的光 2 激光光源 受激辐射 E2 E1 h 频率 相位 振动方向完全一样 激光高亮度 高方向性 高单色性和高相干性 1 处于较低能级的粒子在受到外界的激发 吸收了能量时 跃迁到与此能量相对应的较高能级 这种跃迁称为受激吸收 2 1917年爱因斯坦从理论上指出 除自发辐射外 处于高能级E2上的粒子还可以另一方式跃迁到较低能级 他指出当频率为 E2 E1 h的光子 弱光 入射时 也会引发粒子以一定的概率 迅速地从能级E2跃迁到能级E1 同时辐射一个与外来光子频率 相位 偏振态以及传播方向都相同的光子 多次反射 变为强光 这个过程称为受激辐射 实际上 严格的单色光源是没有的 总有一定的波长范围 谱线宽度 2 相干条件 类似与波动相干 1 频率相同 2 振动方向相同 3 相位差恒定 光的干涉现象满足相干条件的两列光在空间中形成的明显的振动加强和振动减弱的稳定图谱的现象 3 相干光源 满足相干条件的光源 光的干涉现象 条件 激光束干涉实验 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 高度相干的光源 将非相干光变为相干光的原则是 同出一源 分之为二 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 分波面法和分振幅法 三 光波的叠加 讨论同方向 同频率的光的叠加 P 设 P点的光强度 P点的合振幅 P P点的光强度 因原子每次发光时间只有10 8秒 每对光波列叠加的时间极短 而人眼的 响应时间 非相干叠加时的光强度等于叠加的两光波的强度之和 无条纹仅仅是亮度增加 纵截面图 纵截面图 2 相干叠加 保持恒定的光波的叠加 P 讨论 若 光场中一点r2 r1不同 有的地方光强增为原来的四倍 亮点 有的地方为零 暗点 光的干涉 不同 则 可见 1 实验装置与条纹分布 明暗相间的等距离的条纹对称分布于中心O点两侧 中央是明条纹 2杨氏双缝实验 点光源 一 杨氏双缝干涉实验 波程差 2 杨氏干涉条纹的位置 干涉加强 明纹中心位置 干涉减弱 暗纹中心位置 K级相差K个波长 中央明条纹 讨论 1 对应不同的k值 将有一对明或暗纹出现在中央明纹两侧 k称之为干涉级 2 杨氏干涉的条纹是等间距的 且S1 S2间距越大 条纹越密 以明纹为例 若为白光入射 条纹两侧出现彩色条纹 干涉级高的条纹重叠 条纹位置 条纹间距 D 不变时 同一级条纹的位置 条纹向中央聚拢 变得密集 flash 条纹向两边分散 变得稀疏 flash 便于观察 d 不变时 同一级条纹的位置 即屏越远越易于观察 d D不变时 同一级条纹的位置 红光条纹间距最大 紫光条纹间距最小 即红光条纹带最宽 紫光条纹带最窄 若为白光入射 条纹两侧出现彩色条纹 4 D a一定时 或 若用白光照射双缝 屏上中心明纹仍为白色 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 实际上 严格的单色光源是没有的 总有一定的波长范围 干涉级高的条纹重叠 I 谱线宽度 I X 高干涉级的条纹看不清了 1 明条纹和暗条纹等间距 与干涉级k无关 两相邻明 或暗 条纹中心的距离称为条纹间距 3 若用多色光源 则干涉条纹是彩色的 2 在 加大波长 干涉现象变得明显 是干涉的通性 k相同时 波长较短的条纹靠近中央 波长较长的条纹远离中央 两种波长同时入射 例1设计利用杨氏双缝干涉测量光波长的试验 方法一 方法二 解 需测得第k级暗条纹中心的位置 需测得相邻两暗条纹中心的距离 二分波前干涉的其它一些实验 1菲涅耳双面镜实验 实验装置 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 2洛埃镜实验 光从光疏介质射向光密介质界面时 在掠射或正射两种情况下 在反射过程中产生 半波损失 存在半波损耗 明条纹 暗条纹 S S1 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 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 用白光照射杨氏双缝 双缝间距为a 缝与屏距为D 试求 能观察到的清晰可见光谱的级次 例2 解 由明纹公式得重叠条件 只有1级完整的光谱 例12 1用单色光照射相距0 4mm的双缝 缝屏间距为1m 1 从第1级明纹到同侧第5级明纹的距离为6mm 求此单色光的波长 2 若入射的单色光波长为4000 的紫光 求相邻两明纹间的距离 3 上述两种波长的光同时照射时 求两种波长的明条纹第1次重合在屏幕上的位置 以及这两种波长的光从双缝到该位置的波程差 解 1 由双缝干涉明纹条件 可得 2 当时 相邻两明纹间距为 3 设两种波长的光的明条纹重合处离中央明纹的距离为x 则有 由此可见 波长为的紫光的第3级明条纹与波长为的橙光的第2级明条纹第1次重合 重合的位置为 双缝到重合处的波程差为 17 3光程和光程差 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 频率不变 结论 光在介质中的波长是真空中波长的倍 光在介质中传播几何路程r后相位的变化为 两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 真空中波长 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 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1 1 光程差 2 相位差 解法2 解法1 例 在路径r1上插入折射率为n 已知 的介质 发现0级干涉极大上移到的三级极大处 求介质长度的数值 例2利用杨氏双缝干涉测量透明材料的折射率 在双缝的一条缝后放一厚度为d 折射率为n的透明薄片 O点的干涉条纹由原来的0级明纹变为第k级明纹 如果d为已知 试求薄片材料的折射率n 解 两光在O点的光程差为 O点为明条纹的条件为 六 关于薄透镜的等光程性 P Q 一点光源P发出的光经薄透镜汇聚于Q点 这事实说明 在薄透镜的光路中 由P点发出的光线经透镜聚焦于Q点 则