optics(10).ppt

1、3.1光的相干条件coherent condition,3.1.1 光的相干条件,相互独立的光源及不同频率的光的相干性讨论,文献报道:20世纪50年代 Hg 546.1nm 磁场中分裂为二波长有差别的两束光发生了干涉；60年代成功地用高速快门拍摄到两个红宝石激光器形成的干涉条纹。,(时间因子的影响),实矢量波函数,注意：光振动频率极高，E 的瞬时值无法测量,某段时间间隔中的平均能流密度光强,3,4,3,表明：第三项在观测时间内已经经历了若干次振动平均值为零,(1),讨论：条件2),(1),光学拍的周期,可记录到干涉效应,看不到干涉现象,cos 的变化周期为1 和2 的两简谐波所形成 光学拍的周

2、期,要不同频率光波有干涉 足够小应用高速快门及频率相近的两束光,(2),干涉问题时间域的统计平均：讨论相干条件不能离开 观测时间；,B. E1不垂直于E2 是干涉项存在的基础；,在 充分小时，可得到暂态干涉效应，并不要求两束光 频率完全相同和相差完全恒定。,D. 若 较大，远大于 拍的周期 Tb，或光源保持恒定 初相的时间，各暂态干涉效应被匀化而消失。, 稳定干涉,3.1.2 干涉条纹的衬比度,光强极大,光强极小,条纹衬比度：,1. 普通光源的发光特点 随机、间歇,2. 从普通光源中获得相干光的原则 从一个原子一次发光中获得,装置的基本特征,3. 分波前法与分振幅法,3.1.3 相干光的产生方

3、法,从一次发光的波面上取出几部分分割波前再相遇,满足相干条件, 分波前法：, 分振幅法： 一束光线中分出两部分，经上下表面反射再相遇使能量分割后再叠加, 3.2 分波前干涉 wavefront-splitted interference,托马斯杨,英国医生兼物理学家，光的波动说的奠基人之一。 2岁会阅读，4岁能背诵英国诗人的佳作和拉丁文诗，9岁掌握车工工艺，能自制一些物理仪器，914岁自学并掌握了牛顿的微分法，学会多种语言（法、意、波斯、阿拉伯等 。21岁成为英国皇家学会会员。他的一生曾研究过多种学科（物理、数学、医学、天文、地球物理、语言学、动物学、考古学、科学史等 。 1801年 杨氏实验

4、 解释牛顿环和薄膜的 色彩 1803年 提出了半波损失的概念 1807年 能量代替活力 杨氏模量 此外 晶状体调节作用 三原色原理 埃及考古学,ThomasYoung，17731829,十大经典物理实验,1 托马斯杨的双缝演示应用于电子干涉试验 2 伽利略的自由落体试验 3 罗伯特米利肯的油滴试验 4 牛顿的棱镜分解太阳光 5 托马斯杨的光干涉试验 6 卡文迪许扭矩试验 7 埃拉托色尼测量地球圆周 8 伽利略的加速度试验 9 卢瑟福发现核子 10 米歇尔傅科钟摆试验 选自物理世界,一、实验装置及现象,实验条件：S：单色点光源 S1, S2：大小相等，线度小，dZ,挡板,单缝,观察屏,如果你是托

5、马斯杨，你该如何解释光屏上出现的亮条纹（或暗条纹）？,讨论：,二、三维空间中干涉图样的一般分析,观察屏P点相位差：,从S到P的光程差：,P点光强：,等I 面等面等 面,干涉图样: r2 r1 = 定值的点的轨迹,考察两相干点源S1, S2 初相相同，dr1, r2，I1I2,(Constructive interference) (Destructive interference),当R1R2时，相位差：,m = 0, 1, 2, ,三维空间中的干涉图样,平面上的干涉图样三维空间干涉图样与该平面的截线,以S1、S2为焦点、以 S1和S2 的连线为对称轴的旋转双曲面,则有,又S1、S2等大，傍轴

6、近似下 I1= I2I10,三、傍轴近似下的简化,傍轴条件,对P (x, y) 点,由 (1+a)1/21+a/2, |a|1, 当 d2Z2, M2 = (x2+y2)M Z2,傍轴区干涉图样,干涉图样特点:,1. 干涉条纹形状是一族与y轴平行的等距直线,2. 干涉条纹间距（相邻亮纹或相邻暗纹间的距离)为,3. 零级亮纹位于S1，S2中垂面,正负级别条纹在其两侧对称排列,越向外侧干涉条纹的级次越高.,1. 能量的空间分布: 光场的能量密度 非相干时单调缓慢变化（傍轴区近似均匀）相干时振荡式迅速变化,四、几点讨论,2. 干涉图样：3D旋转双曲面族。 2D旋转双曲面族的截线。,傍轴区：平行等距直

7、线,3. 空间周期性: 条纹周期性是光波周期性的另一种体现,一定时，若 变化，则 将怎样变化？,红光波长最大，紫光波长最小,波长越大，条纹间距越大,白光,用白光做双缝干涉实验，在屏上会出现什么现象？,红光,兰光,亮暗相间彩色条纹,你能否根据所学的知识，设计一测量某种可见光波长的方案？,条纹间距 与 的关系如何？,一定时，,双缝间距越大，条纹间距越小,4. 思考：对点光源双孔干涉 (1)若S仍在yz平面，但沿y方向(纸面)移动，干涉图样有无变化？ (2)若S沿x方向(上下)移动，图样有无变化？(上图中虚线),0级中心：=0，上下平移,5、细缝代替小孔,（1）S：点源；S1，S2：小孔.,（2）S

8、：线源，沿y方向延展；S1，S2 ：小孔. 仍有R1R2，条纹与点源S时相同.,（3）S：线源; S1，S2 ：狭缝; S / S1 / S2，均沿y方向延展. 柱面波，只需作一维分析，可增大条纹亮度，傍轴区平行等距.,例：杨氏实验中，d = 0.5 mm, = 500 nm. (1) 若 e = 1mm, Z = ? (2) 若用一折射率 n = 1.5, 厚度 h= 10m 的薄玻璃片G覆盖 缝S2 ，屏上条纹有何变化？,解：(1),(2) 无玻片时，屏上坐标为x处P点相应光程差为 xd/Z, 零级条纹中心在 x = 0处，即O点. 加玻片后玻片引起的附加光程差为 (n 1)h, 故P点光

9、程差为,可知零级条纹中心坐标变为,即干涉条纹保持整体形状不变向下平移10mm.,3.2.2 其它分波前装置,单点(线)源次级双点(线)源,3.2.1 杨氏实验 (Youngs experiment),一. 菲涅耳双面镜,二. 菲涅耳双棱镜,菲涅耳双棱镜 由两个顶角 相同且很小的棱镜结合而成，如图所示。,傍轴近似下，光线偏转角,三. 劳埃德镜,P,M,A 处的条纹是暗纹，这是掠入射时反射光有半波损失的一个实验验证。,杨氏双缝花样 菲涅耳双棱镜花样,劳埃德镜花样,干涉圆环,四.比耶对切透镜,比耶（F.Billet）对切透镜是将一个凸透镜沿直径切成两半，并沿横向分开一点距离而构成，如图所示。,形成的实像点或虚像点，由几何光学可计算,的距离d,干涉圆环下半部,五. 梅斯林实