波动光学1杨氏双缝干涉

第十二章,波动光学,12-1 光的本性,12-1-1 微粒说与波动说之争,牛顿的微粒说： 光是由光源发出的微粒流。,惠更斯的波动说： 光是一种波动。,12-1-2 光的电磁本性,1801年，英国物理学家托马斯杨（T. Young，1773-1829）首先利用双缝实验观察到了光的干涉条纹，从实验上证实了光的波动性。,1865年，英国物理学家麦克斯韦从他的电磁场理论预言了电磁波的存在，并认为光就是一种电磁波。,电磁波谱,可见光的波长范围： 400 nm 760 nm,12-2 光的相干性,肥皂泡或光碟表面上的彩色花纹，都是光的波动特性所引发的一种现象。,波动光学：以光的波动特性为基础，研究光的传播及其规律的学科。,12-2-1 普通光源的发光机制,光源：发光的物体。,处在基态电子,处在激发态电子,原子模型,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),(-波列持续的时间）,普通光源发光的两个特点：,随机性：每次发光是随机的，所发出各波列的振动方向和振动初相位都不相同。,间歇性：各原子发光是断断续续的，平均发光时间t 约为10-8秒，所发出的是一段长为 L =ct 的光波列。,干涉条件：,频率相同，振动方向相同，有恒定的位相差。,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 *,相干光：能够满足干涉条件的光。 相干光源：能产生相干光的光源。,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),激光光源是相干光源,12-2-2 杨氏双缝实验,设两列光波的波动方程分别为：,因为,结论：光干涉问题的关键在于计算光程差。,1. 所经路程之差为波长的整数倍，则在P点两光振动同相位，振幅最大，干涉加强；,从 S1和 S2发出两条光线在屏上某一点 P 叠加,2. 两列光波所经路程之差为半波长的奇数倍，则在P点两光振动反相位，振幅最小，干涉削弱。,两列光波的传播距离之差：,干涉加强,干涉减弱,光干涉条件：,干涉条纹在屏幕上的分布：,屏幕中央（k = 0）为中央明纹,其中 k 称为条纹的级数,相邻两明纹或暗纹的间距：,双缝干涉,一系列平行的明暗相间的条纹 不太大时条纹等间距； 中间级次低； 条纹位置和波长有关，不同波长的同一级亮条纹位置不同。因此，如果用白光照射，则屏上中央出现白色条纹，而两侧则出现彩色条纹。 条纹间距与波长成正比，因此紫光的条纹间距要小于红光的条纹间距。,说明：,光强公式：,则,光强曲线,若,例1.用白光（390nm-750nm)作光源观察双缝干涉。设缝间距为d, 试求能观察到的清晰可见光谱的级次。,0,1,3,2,因k应取整数，故结果表明，从紫到红排列清晰的可见光谱只有正负各一级,例2. 杨氏双缝的间距为0.2 mm，距离屏幕为1m。 1. 若第一到第四明纹距离为7.5mm，求入射光波长。 2. 若入射光的波长为600 nm，求相邻两明纹的间距。,解,例3. 无线电发射台的工作频率为1500kHz，两根相同的垂直偶极天线相距400m，并以相同的相位作电振动。试问：在距离远大于400m的地方，什么方向可以接受到比较强的无线电信号？,解,取 k = 0，1，2,得,A,B,C,M,1,M,2,*,s,点光源,1.菲涅耳双面镜实验,屏,镜子,12-2-3 其他分波面干涉实验,A,B,C,M,s,1,s,2,1,M,2,*,*,*,s,虚光源,点光源,屏,镜子,A1,B1,C,M,s,1,s,2,1,M,2,*,*,*,s,点光源,1,1,屏,A2,B2,C,M,s,1,s,2,1,M,2,*,*,*,s,点光源,2,2,屏,A,B,C,M,s,1,s,2,1,M,2,*,*,*,s,点光源,1,1,2,2,屏,A,B,C,M,s,1,s,2,1,M,2,*,*,*,s,点光源,1,1,2,2,屏,对于杨氏双缝干涉条纹特征的分析在这里完全适用。 调节角可改变S1和S2之间的距离，改变条纹的疏密。,s,1,s,2,*,M,A,B,B,A,屏,P,.,当屏移到,A,B,位置时，在屏上的P 点应该,出现暗条纹还是明条纹？,问题：,2.劳埃镜实验,s,1,s,2,*,M,A,B,B,A,屏,P,.,当屏移到,A,B,位置时，在屏上的P 点出,现暗条纹。光在镜子表面反射时有相位突变。,称媒质1为光疏媒质，媒质2,为光密媒质。,如果光是从光疏媒质传向光密媒质并在其分界面上反射时将发生半波损失。折射波无半波损失。,n,1,n,2,折射波,反射波,入射波,s,1,s,2,*,M,A,B,B,A,屏,P,.,a,b,c,x1,x2,例4.如图，已知：a=1cm,b=1cm,c=99cm,d=0.2mm,=0.4m,问：屏上能呈现几条明条纹？,解：,明纹的位置,xk,d,s,1,s,2,*,M,A,B,B,A,屏,P,.,a,b,c,x1,x2,xk,K=3, x3=5.05mm,K=4, x4=7.07mm,K=5, x5=9.09mm,所以屏上能呈三条明条纹,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,光程的物理意义：光在媒质中的路程d相当于光在真空中的路程nd，故称为光程，其好处是把光在不同媒质中的传播折算为光在真空中的传播，这时波长均是真空中的波长。,12-2-4 光程,光程差 ： = L2 - L1,相位差和光程差的关系：,光程 L = ( ni di ),设两光源的相位相同，则两光波在P点产生的相位差为,adeg,bh,与,几何路程不等，但光程是相等的。,abc,三点在同一波阵面上，相位相等，到达F 点相位相等，形成亮点，所以透镜的引入不会引起附加的光程差。,a,g,c,b,h,.,.,.,.,.,e,F,屏,.,d,.,二.透镜的等光程性,垂直入射时：,F,屏,a,c,b,.,.,.,abc,三点在同一波阵面上，相位相等，到达F 点相位相等， 形成亮点，透镜的引入同样不会引起附加的光程差。,倾斜入射时：,结论：薄透镜不引起附加的光程差。,例5. 用薄云母片（n = 1.58）覆盖在杨氏双缝的其中一条缝上，这时屏上的零级明纹移到原来的第七级明纹处。如果入射光波长为550 nm，问云母片的厚度为多少？,解：,P 点为七级明纹位置,插入云母后，P点为零级明纹,