第一章-光的干涉.ppt

主要内容 1 0光的电磁理论1 1波动的叠加性和相干性1 2由单色波叠加所形成的干涉图样1 3分波面双光束干涉1 4干涉条纹的可见度 光波的时间相干性和空间相干性 1 5菲涅耳公式1 6分振幅薄膜干涉 一 等倾干涉1 7分振幅薄膜干涉 二 等厚干涉1 8迈克耳孙干涉仪1 9法布里 珀罗干涉仪多光束干涉1 10光的干涉应用举例牛顿环 第1章光的干涉 InterferenceofLight 2 本章重点 1 干涉的基本理论和处理方法2 杨氏干涉3 等倾干涉和等厚干涉4 迈克尔逊干涉仪的原理5 牛顿环及其应用 3 一 光的本质 1 光的本质是电磁波 在真空中的传播的速度与电磁波的传播速度是一样的 即为c 2 光在介质中的传播速度 3 光在透明介质中的折射率 光在真空的传播速度c和在介质中的传播速度v之比 即 上式把光学和电磁学这两个不同的领域中的物理量的联系起来了 对于透明介质 在光频波段有 因此 光波的频率仅由光源频率决定而与传播介质无关 光在介质中的波长为 4 5 E Hv方向 是E H的方向 4 光波是横波 电磁波是横波 电场强度 磁场强度及光的传播方向三者符合右手螺旋法则 由维纳实验的理论分析可以证明 对人的眼睛或感光仪器起作用的是电场强度 因此 我们所说的光波中的振动矢量通常指的是电场度 6 二 光波段 光强度 1 可见光波段 390nm 760nm 真空中波长 7 5 1014Hz 4 1 1014Hz光的颜色由光的频率决定 2 人眼最敏感的色光波长 555nm附近 敏感波长555nm 7 3 光强度 通俗地讲 人眼感受或光检测仪观测到光的强度都是平均能流密度 能流密度 是指单位时间内通过与波的传播方向垂直的单位面积的能量 也即通过单位面积的功率 我们检测光波的存在和强弱 是通过光和物质的相互作用 但是 任何检测器件都有一定的响应时间 都不能检测电磁波能流密度的瞬时值 只能检测其在响应时间内的平均值 光振动周期T 10 14秒 人眼响应时间 10 1秒 灵敏的光检测器响应时间 10 9秒 定义 光强度是平均能流密度 用I来表示 同一种介质中两光波强度相比较 由于许多场合下 我们只讨论光强的相对分布 因此令光强等于振幅的平方 即 上式定义的光强称为相对光强 或 任何波动传递的平均能流密度与振幅的平方成正比 一 机械波的独立性和叠加性 1 波的独立性 从几个振源发出的波相遇于同一区域时 各自保持自己的特性 频率 振幅和振动方向等 按照自己原来的传播方向继续传播前进 彼此不受影响 此即所谓的独立性原理 2 波的叠加性 两列波在相遇处的振动是按瞬时矢量叠加的 即某一时刻的合位移是各分位移的矢量和 1 1波动的独立性 叠加性和相干性 对光波的叠加就是光波中的电场矢量在空间某点的振动的合成 3 干涉 如果两波频率相同 在观察时间内波动不中断 而且在相遇处振动方向几乎沿着同一直线 那么它们叠加后产生的合振动可能在有些地方加强 在有些地方减弱 这一强度按空间周期性变化的现象称为干涉 4 干涉图样 叠加区域内振动强度的非均匀分布就是干涉图样 干涉花样 干涉图 二 干涉现象是波动的特性 1 波动的特征 是能量以振动的形式在物质中依次转移 物质本身并不随波移动 2 干涉现象是光波动性的证明 凡强弱按一分布的干涉图样出现的现象 都可作为该现象具有波动本性的最可靠 最有力的实验证据 三 相干与不相干 假定简谐振动 沿同一直线振动 同频率 不同位相 振动方程写为 叠加 即为代数和 因为沿同一直线振动 其中 1 两列波在相遇处的振动叠加 由于实际观察到的总是在较长时间内的平均强度 平均强度的计算方法 2 相遇处的振动叠加后的平均强度 是观察时间 因为振动的强度正比于振幅的平方 一般情况下两个振动叠加时 合振动的强度不等于分振动强度之和 若在任意时刻初位相差 则上式末项积分值为 合成振动的平均强度为 3 相干叠加 干涉相长 干涉相消 如果相位差为其他值 合振动的强度介于Imax和Imin之间 若A1 A2 则 根据前后的分析 可以得到两列或两列以上的波在空间一点相遇能产生干涉 或相干叠加 的条件为 1 频率相同 3 振动方向相同 2 两振动的相位差保持不变 若在观察时间内 振动时断时续 以致它们的初相位各自独立地做不规则的改变 在0 2 之间取一切值且概率均等 则有 平