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文档简介
1、波动光学 目录 第三章 光的干涉 第四章 光的衍射 第五章 光的偏振,第三章 光的干涉(Interference of light),3.1 光源的发光特性,一. 光源,光源的最基本发光单元是分子、原子, = (E2-E1)/h,E1,E2,能级跃迁辐射,波列长L = c,1. 普通光源:自发辐射,独立(不同 原子发的光),独立(同一原子先后发的光),2. 激光光源:受激辐射, = (E2-E1)/h,完全一样(频率,位相,振动方向,传播方向),二. 光的相干性,1. 两列光波的叠加(只讨论电振动),P:,非相干光源,I = I 1 + I 2 非相干叠加,完全相干光源,相长干涉(明),(k
2、= 0,1,2,3),相消干涉(暗),(k = 0,1,2,3),2. 条纹衬比度(对比度,反衬度),3.普通光源获得相干光的途径,p,S *,分波面法,分振幅法,p,薄膜,S *,衬比度差 (V 1),衬比度好 (V = 1),振幅比,决定衬比度的因素:,光源的宽度,光源的单色性,4.两束光相干的条件(相干光),由前面的分析并结合机械波相干的特点,可得出 光束相干的条件是:,振动方向相同,频率相同,相位差恒定。,相干条件,3.2 双缝干涉,一. 双缝干涉,p,r1,r2,单色光入射,d ,D d (d 10 -4m, D m),波程差:,相位差:,明纹,暗纹,条纹间距,(1) 一系列平行的明
3、暗相间的条纹;,(3) 中间级次低;,明纹: k ,k =1,2,3(整数级),暗纹: (2k+1)/2 (半整数级),(4),条纹特点:,(2) 不太大时条纹等间距;,某条纹级次 = 该条纹相应的 (r2-r1)/,二 . 光强公式,若 I1 = I2 = I0 ,则,光强曲线,3 其他分波面干涉实验(自学),3 空间相干性,一. 空间相干性的概念,光源宽度对干涉条纹衬比度的影响,设光源宽度为b,B,D,I,非相干叠加,+1L,0N,0M,0L,二. 极限宽度,当光源宽度b增大到某个宽度b0时,干涉条,设Bd和b,(一级明纹),纹刚好消失,b0称为光源的极限宽度。,( B b0 ,d ),光
4、源的极限宽度,时,才能观察到干涉条纹。,三. 相干间隔和相干孔径角,1. 相干间隔,若 b 和 B一定,则要得到干涉条纹,必须,d0越大,光场的空间相干性越好。,2. 相干孔径角,相干孔径角, 0 越大空间相干性越好。,激光光源可以不受以上限制,在0 范围内的光场中,正对光源的平面上的任意两点的光振动是相干的。,四. 应用举例,1.测遥远星体的角直径:,考虑到衍射的影响,有,2.屏上条纹消失时,反射镜M1M4间的距离就是d0, 测猎户座星,nm,测得,得,使d =d0则条纹消失,一. 光的非单色性,1.理想的单色光,2.准单色光、谱线宽度,准单色光:在某个中心波长(频率)附近有一定波长(频率)
5、范围的光。,谱线宽度:,(1) 自然宽度,Ei+1,Ei+1,Ei,Ei,4 时间相干性,造成谱线宽度的原因,(2) 多普勒增宽,(3) 碰撞增宽,二. 非单色性对干涉条纹的影响,干涉的最大级次,三. 相干长度与相干时间,1.相干长度,两列波能发生干涉的最大波程差,:中心波长,只有同一波列分成的两部分经不同的光程再相遇时才能发生干涉。,波列长度就是相干长度,光通过相干长度所需时间,2.相干时间,5 光程,一. 光程、光程差,真空中,媒质中, n媒质中波长,光程 : L = nd, 真空中波长,光程差 : = L2 - L1,例,P:,二.使用透镜不会产生附加光程差,物点到象点各光线之间的光程差
6、为零,相位差和光程差的关系:,光程 L = ( ni di ),6 薄膜干涉 (一), 等厚条纹,一. 劈尖(劈形膜),夹角很小的两个平面所构成的薄膜,1、2两束反射光来自同一 束入射光,它们可以产生干涉 。,e,n,n,n,A,反射光2,反射光1,入射光(单色平行光垂直入射),(设n n ),A: 1、2的光程差,明纹:,暗纹:,同一厚度e对应同一级条纹等厚条纹,光程差可简化为图示情况计算。,实际应用中,大都是平行光垂直入射到劈尖上。,考虑到劈尖夹角极小, 反射光1、 2在膜面的,条纹间距,又,二. 牛顿环,光程差:,(1),(k = 0, 1, 2, ),(2),第k个暗环半径,暗环:,三
7、. 等厚条纹的应用,1. 劈尖的应用,测波长:已知、n,测L可得,测折射率:已知、,测L可得n,测细小直径、厚度、微小变化,测表面不平度,2. 牛顿环的应用,测透镜球面的半径R: 已知, 测 m、rk+m、rk,可得R 。,测波长: 已知R,测出m 、 rk+m、rk, 可得。,检验透镜球表面质量,7 薄膜干涉(二), 等倾条纹,一. 点光源照明时的干涉条纹分析,L,f,P,o,r环,B,i,r,A,C,D,2,1,S,i,i,i,光束1、2的光程差:,得,或,明纹,暗纹,倾角i相同的光线对应同一条干涉条纹 等倾条纹。,形状:,条纹特点:,一系列同心圆环,r环= f tg i,条纹间隔分布:,内疏外密,条纹级次分布:,e一定时,,波长对条纹的影响:,膜厚变化时,条纹的移动:,二. 面光源照明时,干涉条纹的分析,只要入射角i相同,都将汇聚在同一个干涉环上(非相干叠加),三. 应用:增透(射)膜和增反射膜 (自学书P130例2),8 迈克耳逊干涉仪
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