第三章 光的干涉123节.ppt

1、1，1光源，单色光和相干光2杨氏双缝干涉5光程和光程差1光程2透镜等光程操作：3.1 3.4 3.6 3.16第3章光学干涉2，光学是一门古老而年轻的学科，这意味着人类很早就开始研究光学现象，而年轻是因为光学仍然是一门前沿学科，根据光学原理发展起来的新技术仍在陆续出现，特别是20世纪60年代激光的发明。3。从光学的历史发展和研究内容来看，光学可以分为几何光学：基于光的直线传播规律，研究回射理论、折射理论和各种光学仪器。波动光学：以光波为基础，研究光的传播规律。尤其是光的干涉、衍射和偏振定律。量子光学：根据光的粒子性质和现代量子理论，研究光和物质之间的相互作用规律。在第三章，光的干涉，4，1光源

2、，单色光和相干光，可见光和光源，光是电磁波，它通常指可见光，也就是能引起人们视觉的电磁波。其频率范围为3.91014 Hz8.61014 Hz，真空中的波长范围为350纳米和770纳米。不同频率的光给人不同颜色的感觉，红色、橙色、黄色、绿色、蓝色和紫色。频率从小到大，波长从大到小，5、光源、自发光物体、普通光源、太阳、灯管等。发光的方式是热释光，如白炽灯、太阳；电致发光，如半导体发光二极管；光致发光，如荧光灯，属于自发辐射，非相干光源，激光，受激辐射，相干光源，6.2。单色光、单色光和多色光，只有一种频率的单色光包含多种频率的多色光：频率非常接近的多色光，如钠灯发出的光，波长范围为589.0

3、nm和589.6 nm。普通光源发出的光一般是多色光、棱镜、滤光器、激光装置、7棱镜和滤光器。当多色光通过棱镜时，不同频率的光在玻璃中有不同的传播速度和不同的折射率，所以多色光中不同频率的光会根据不同的折射角被分离，这就是色散。这样，多色光被分成单色光束，单色光束只允许一定频率的光通过并吸收其他颜色的光。多色光通过滤光器后，透射光就是所需的单色光。8.光的相干性，因为光是电磁波，它将具有波动的一般特征。波的一个重要特征是干涉现象，即当两个或几个波叠加时，强度可以在空间上稳定分布。事实上，不仅观察到了光的干涉，而且这种现象在现代科学技术中也得到广泛应用，如全息照相术。光的干涉现象：当两排相干光相

4、遇时，在相遇空间中有一个稳定的明暗分布。9.光干涉的强度分布规律是两束光的强度不随空间位置而变化，是两束光在相遇处的相位差。完全相干光源，相长干涉(亮)，(k=0，1，2，3)，相消干涉(暗)I=I 1 I 2，非相干叠加，均匀强度分布，将随机变化。在观察时间内，平均光强I和P点具有相同的光波频率和相同的振动方向，11。光强随相位差的变化如图所示：12，干涉条纹对比度。为了描述干涉条纹的清晰度，通常用对比度来定量描述。定义为：干涉条纹中的最大光强。干涉条纹中的最小光强。当两束光相干叠加时，强度分布如下，数值越大，干涉条纹越清晰，13，即14。从上述公式可以看出，两束光束的强度越接近，对比度越大

5、，干涉条纹越清晰。因此，当观察两束光束的干涉时，我们总是试图使它们的强度尽可能相等。当对比度差(V 1)时，对比度好(v1=1)。不仅如此，在实验室中，当两个单色光源(如两个钠光源)相遇时，仍然没有明暗分布稳定的干涉现象。为什么？这应该从光源的发光机制开始。原子发光机理光源发光是光源中大量分子或原子进行的微观过程，最基本的发光单位是分子和原子。原子物理学告诉我们，原子由原子核和原子核外的电子组成，电子在原子核周围运动，但是原子的能量是不连续的，原子处于一些离散的能态，这些能态叫做能级，比如氢原子的能级图，最低能态叫做基态，其他较高能态叫做激发态。一般来说，原子处于低能级的激发态或基态，而原子由

6、于外部激发(如原子碰撞和外部辐射)而处于高能级的激发态。处于激发态的原子是不稳定的，它会自发地回到低能级的激发态或基态，这个过程叫做电子跃迁，在跃迁过程中，原子向外发射电磁波，这个辐射光子的过程叫做自发辐射。电磁波携带的能量是原子减少的能量。当发射电磁波的波长在可见光范围内时，就是原子发光的过程，这就是原子发光的机理。19.原子每次发光的持续时间是有限且短暂的，约为108秒。同时，发射的电磁波的能量也是有限的，两个能级之间的差异，所以一个原子的每次发光只能发射有限的长度。具有特定频率和特定振动方向的光波称为波列20。在发光转变之后，原子可以被再次激发到更高的能级，因此它可以再次发光。因此，原子

7、的发光是间歇性的。上面讨论的是原子发光。独立(不同原子发出的光)对于普通光源，光源中有许多原子，这些原子的发光远非同步，因为当这些光源中的原子处于激发态时，它们向低能级的跃迁是完全自发的，并且它们每次发光的时间是完全不确定的。每个原子的发光都是独立且不相关的。普通光源，即每个原子每次都发光，其发光频率和振动方向可能不同。彼此之间的相位差是不确定的，并且干扰现象的概率太小。独立的(同一原子连续发光)即使同一原子在不同时间发光，也不能保证这些波的频率和振动方向相同，因此不可能产生干涉现象。单色光源可以使这些波列的频率基本相同，但当两个相同的光源或同一个光源上的两个部分重叠时，在任何一点上，这些波列

8、的振动方向都不可能相同，相位差也不可能保持恒定，因此组合振幅就不稳定，也就不会出现干涉现象。由于原子发光具有上述特性，从实践到理论，获得相干光成为光干涉现象研究中最重要的问题。本章内容除了用干涉的一般原理分析干涉现象外，主要说明获得相干光的原理和实用装置。24，5。获得相干光，普通光源，激光，使用普通光源获得相干光的基本原理是从同一点发出。因为这两部分光的相应部分来自相同发光原子的相同发光，它们将满足相干条件并成为相干光。将同一光源发出的光分成两部分有两种方法，即分波法和分幅法。激光有很好的相干性。相干光源，25，2“分光法”获得相干光杨氏双缝干涉实验。首先是杨氏双缝实验，英国物理学家托马斯杨

9、在1801年首次用实验方法研究了光的干涉现象，为光的波动理论奠定了实验基础。实验装置，如图所示，在普通单色光源后面平行放置两个屏幕，靠近光源的屏幕上开一个长狭缝S，相当于一个线光源，另一个屏幕上开两个平行于S的长狭缝S1和S2。两个狭缝之间的距离非常小，并且屏幕E，27，被放置在两个狭缝的后面。实验现象，当光源照射狭缝S时，屏幕E上出现一系列稳定的明暗条纹，这些条纹与狭缝平行，条纹之间的距离相等。28岁。实验解释表明，当一个原子发射的波列照射到狭缝S上时，它通过狭缝S形成一个圆柱形光波，然后进入狭缝S1和S2，光通过S1和S2形成两个在空间上重叠的圆柱形光波。单色光源照射狭缝s，且由光源发射光

10、由许多原子发射的许多独立的波列组成。29，因为狭缝S1和S2彼此平行，彼此靠近，并且到S的距离相等，所以S1和S2位于S发射的光波的相同波前上，所以它们具有相同的频率和相同的相位。S1和S2发射的光波的振动方向(电场强度方向)近似平行。因此，从S1和S2发射的两列光波是相干光。因为S1和S2是同一个波前的两个部分，这种获得相干光的方法被称为分裂波前法。30，但在S1和S2，每个波列都发出相干光。位差总是一样的。因此，每个波列的干涉强度分布是相同的。光源发出光由许多原子发出的许多独立的波列组成。下面，用干涉原理分析杨氏双缝干涉实验中的光强分布。这种分布以不同的色调显示在屏幕上。31，2。强度分布

11、定律，考虑到屏幕上的任意点，到狭缝S1和S2的距离分别为r1和r2。在图示的设备中，狭缝S1和S2在相同的波前上，因此S1和S2是相同相位的相干波源，点P处的波强度仅由从S1和S2到点P，32的波程差决定。强度分布定律，假设S1和S2之间的距离为d，中点为m、和点与点之间的角度为，并使S2 P的垂直线S1C远离S1。正常情况下，Dd Dx非常小，从m到屏幕的距离是d，垂直脚是o，以o为坐标原点，p点的坐标是x，33，34。2.光强分布规律和干涉构造条件(条纹)，条纹的中心是条纹，称为零级条纹或中心条纹。这个公式给出了每个条纹的位置。强度分布规律，干涉消除(暗线)条件，36，37，讨论，条纹间距

12、，相邻两条亮线或暗线之间的间距，与波长成正比，当单色光照射时，它是亮条纹和暗条纹，当白光照射时，它是彩色条纹，中心仍然是白色条纹，并且随着阶数的增加，不同颜色的条纹重叠，导致模糊。例1。在杨氏双缝实验中，蓝色和绿色光源的波长分别为1=440和2=540。尝试计算条纹完全重叠的顺序。杨氏干涉条纹中亮条纹的位置是，条纹重叠，40。在上面的双缝实验中，在S2之前加一块玻璃，发现屏幕上亮条纹和暗条纹的位置会移动，这说明P点两个光振动的相位差发生了变化。为什么？问题在哪里？41，因为通过不同介质的光引起的相位差不同，所以相位差不再是42，5光程和光程差。为了方便地比较和计算光通过不同介质引起的相位差，引

13、入了光程的概念，即光程和光程差。当光通过介质传播时，光振动的相位沿着传播方向逐点落后，以指示介质中光的波长。43.相同频率的光在不同介质中传播时，其波长是不同的，这表明光在真空中的波长，是介质的折射率。用上面的公式代替。根据正确的公式，它表示光在真空中传播时产生的相位差，它是光通过介质时产生的相位差。N21被称为第二介质相对于第一介质的相对折射率，波介质1是真空，其被称为第二介质的折射率，通过上述公式为0，45。因此，当具有相同频率的光在折射率为n的介质中传播时，由穿过距离r的光引起的相位差与由在真空中行进并穿过距离nr的光引起的相位差相同。称为对应于光路R的光路，R是光穿过介质的实际路径，而光路nr是在真空中产生相同相位差的路径。实际上，根据相同的相位变化，46，光程差，穿过介质的光路被转换成真空中的光路。借助光路的概念，可以利用真空中光的波长来计算光在不同介质中传播的相位变化。在折射率为n的介质中有两个相干光源S1和S2，介质中任意点P到光源S1和S2的距离分别为r1和r2。从S1和S2到点p的光程分别为nr1和nr2，光程差和相位差为47。在示例1中，存在折射率分别为n1和n