大学物理-16第十六讲光波,相干光,双缝干涉,光程,光程差,半波损失(002)

1,第三篇 波动光学,几何光学研究光的直线传播及光学仪器的制造。,波动光学研究光的波动性。,以牛顿的微粒说为代表（1718世纪）,主要内容：光的直线传播、反射、折射定律。,主要内容：光的干涉、衍射、偏振、电磁本性等。,代表人物：杨氏、菲涅耳、麦克斯韦等（19世纪）,量子光学研究光与物质的相互作用.（20世纪初）,现代光学以信息光学为核心（20世纪60年代开始),2,实验示意图,一、双缝干涉定量分析,10-1 双缝干涉,波程差,3,由波的干涉条件得,明暗纹位置,波程差,4,1.第k级干涉条纹对称分布在中央明纹两侧。,2.双缝干涉条纹等间距，与干涉级次无关:,3.条纹间距,讨论,且只有d 足够小，D足够大，才可观 察到干涉现象。,4. d、D 固定时， x ，所以,当用白光入射时，除中央条纹是白色外，其它各级明条纹将随 的不同而错开，形成由紫到红的彩色条纹，高级次的干涉条纹将重叠。,5,10-2 双缝干涉的光强分布,一、两光叠加时的总光强,合振幅,人眼的视觉暂留效应使人只能观察到光强的时间（周期）平均值.,6,1.非相干叠加,非相干光，在 内 经历由02 的所有变化。,非相干叠加时光强等于两光波的强度之和。,2.相干叠加,对于相干光，位相差 恒定，所以,7,相干叠加,叠加点的光强随 的不同而异。,若 ，则,当,条纹清晰度下降。,令,则,8,菲涅尔双面镜,可以证明：,M1 M2是夹角为 的平面反射镜,10-2 分波阵面干涉法的其他实验,9,洛埃镜实验,平面反射镜,（明纹）,（暗纹）,此处总为暗纹，但几何路径相等，说明光反射时产生半波损失！,10,引起眼睛视觉效应和光化学效应的是光波场中的 电场。,10-4 普通光源、光的相干性,光波指人眼可见波段的电磁波：400nm760nm,通常也包括可见光两侧紫外和红外电磁波。,光强,光矢量定义为光振动中的电矢量,人眼对于颜色的感觉由光波的频率决定。,11,一、普通光源,光源能够发光的物体叫光源。,光源分类：,普通光源，激光光源。,冷光源,普通光源,电致发光电场激发；,光致发光由X射线、放射线、紫外光、 可见光激发；,化学发光由化学能激发（如萤火虫）,热光源由热能激发,12,二、普通光源的发光特点,任一时刻有大量原子、分子同时发光。,每个原子分子发光都是间歇性的，每次发光时间极短（10-8s），一次只能发出一个有限长度的波列。,一个原子一次发出的一个波列是振动方向一定、振幅不变或缓慢变化的正弦波。,同一原子先后发出的光以及同一时间不同原子发出的光的频率、振动方向、初相位等都是各不相同的，具有随机性。,普通光源所发的光为非相干光。同一光源上不同点发出的光也是非相干光。,三、普通光源的相干性,13,四、相干光的获得（从普通光源）,典型实验：杨氏双缝干涉,1.分波阵面法,在同一波阵面上分出两部分S1、S2, 形成相干光源。,只有从同一光源的同一点才可能获得相干光。,14,2.分振幅法,P,透镜,通过上下表面反射，把入射光分为两部分，相当于将入射光强（振幅）分为两部分再叠加。,15,一、光程差与相位差,光在媒质中的速度,1.光在媒质中的波长,光在媒质中传播时波长变短了，为真空中波长的1/n（光的频率不会因媒质而改变）。,10-6 光程、光程差,若光在介质n中走过几何路程 r，则相位改变,16,光在介质中传播距离r所引起的相差与光在真空中传播几何路程nr 所引起的相差相同。,2.光程,定义光程等于光在介质中传播的几何路程与介质折射率的乘积：L = nr,故光程nr表示：在（与光从介质中传播几何路径r的）相同时间内，光在真空中所走过的路程。,光在介质中传播几何路程 r所用的时间与其在真空中传播 nr路程所用的时间相同。,17,设两相干光分别在两种介质中传播，则相位差,3.光程差与相位差,借助光程的概念，可将光在介质中传播的路径折算到光在真空中走过的路程，以便于比较。,两光的光程差,相干光通过不同介质时，决定其相位差的不是两光的几何路程差，而是其光程差。,18,例：双缝干涉中，入射光波长为，双缝至屏的距离为D，在一缝后放一厚为b的透明薄膜，此时中央处仍为一明纹，求该明纹的干涉级次及条纹移动的距离x。,O,解：,依题意，此时O点光程差,第 k 级明纹位置,19,二、关于薄透镜近轴光线的等光程性,P,H,在薄透镜的光路中，由P点发出的光线经透镜聚焦于H点，则这些光线的光程是相等的。,（几何路径不相等）,相等的光程所传播的时间相同,对透镜聚焦的解释：等光程点形成焦点。,20,三、反射光的相位突变和额外光程差,半波损失光在两种介质的介面反射时发生相位 的改变。,在下列情况下半波损失一定会发生：,光是正入射(i = 0)，或掠入射(i = 90o)，且光从光疏媒质进入光密媒质，则反射波有半波损失；其它入射角时情况较复杂。,光从浸于另一种均匀介质中的薄膜的上下表面反射时，两光之间一定有附加程差 / 2。,21,薄膜浸入另一种介质中，有半波损失。,则上表面的反