相干光杨氏双缝干涉

波 动 光 学光 的 干 涉 （ 1） 一 、 光 学 的 研 究 内 容 研 究 光 的 本 性 ； 光 的 产 生 、 传 输 与 接 收 规 律 ； 光与 物 质 的 相 互 作 用 ； 光 学 的 应 用 。二 、 光 的 两 种 学 说牛 顿 的 微 粒 说光 是 由 发 光 物 体 发 出 的 遵 循 力学 规 律 的 粒 子 流 。惠 更 斯 的 波 动 说光 是 机 械 波 ， 在 弹 性 介 质“ 以 太 ” 中 传 播 。绪论 对 立波 动 说惠 更 斯 微 粒 说牛 顿世 纪世 纪 1917 20世 纪 初 ， 光 电 效 应 、 康 普 顿 效 应 的 发 现 光 具 有 粒 子 性 光 具 有 波 粒 二 象 性 。1865年 麦 克 斯 韦 建 立 了 光 的 电 磁 理 论 光 是 电 磁 波 。1808年 马 吕 斯 发 现 光 的 偏 振 现 象 光 是 横 波 。1850年 傅 科 测 出 水 中 光 速 。三 、 光 的 本 性 光 的 电 磁 理 论 波 动 性 ： 干 涉 、 衍 射 、 偏 振 光 的 量 子 理 论 粒 子 性 ： 黑 体 辐 射 、 光 电 效 应 、 康 普 顿 效 应 四 、 光 学 的 分 类 量 子 光 学 光 的 粒 子 性 ： 研 究 光 与 物 质 相 互 作用 规 律 及 其 应 用 的 学 科20世 纪 60年 代 激 光 问 世 后 ， 光 学 有 了飞 速 的 发 展 ， 形 成 了 非 线 性 光 学 等 现 代 光 学 。几 何 光 学以 光 的 直 线 传 播 和 反 射 、 折 射 定 律 为 基 础 ， 研 究光 学 仪 器 成 象 规 律 。物 理 光 学以 光 的 波 动 性 和 粒 子 性 为 基 础 ， 研 究 光 现 象 基 本规 律 。 波 动 光 学 光 的 波 动 性 ： 研 究 光 的 传 输 规 律 及其 应 用 的 学 科 光 是 电 磁 波 ， 它 具 有 相 互 垂 直 的 电 场 强 度 矢 量 和 磁场 强 度 矢 量 。一 、 光 波相干光红 外 光 ： 760nm可 见 光 ： 400nm与 760nm之 间紫 外 光 ： 400nm光 的 颜 色 ：单 色 光 只 含 单 一 波 长 的 光 ： 激 光复 色 光 不 同 波 长 单 色 光 的 混 合 ： 白 光二 、 光 矢 量通 常 电 场 强 度 E的 振 动 称 为 光 振 动 ，电 场 强 度 称 为 光 矢 量 。光 的 强 度 是 由 光 的 能 流 密 度 决 定 的 。定 义 ： 光 强 度 202 EAI )2cos(0 rtEE o E1E2自 发 辐 射 跃 迁 = (E2-E1)/h光 源 的 最 基 本 的 发 光 单 元 是 分 子 、 原 子 。1、 普 通 光 源 发 光 时 间 t 10-8s三 、 光 源 的 发 光 特 性普 通 光 源 每 个 原 子 发 光 是 间 隙 式 的 ; 各 个 原 子 的 发 光是 完 全 独 立 的 , 互 不 相 关 。它 们 何 时 发 光 完 全 是 不 确 定 的 ， 发 光 频 率 、 振 动 方 向 、初 位 相 以 及 传 播 方 向 等 都 可 能 不 同 ;普 通 光 源 的 不 同 原 子 发 的 光 不 可 能 产 生 干 涉 现 象 。例 如 :普 通 灯 泡 发 的 光 ; 火 焰 ; 电 弧 ; 太 阳 光 等 等 。波 列波 列 长 L = tc 可 以 实 现 光 放 大 ;单 色 性 好 ;相 干 性 好 。-受 激 辐 射 跃 迁 。例 如 :氦 氖 激 光 器 ; 红 宝 石 激 光 器 ; 半 导 体 激 光 器 等 等 。完 全 一 样 的 光 子 = (E2-E1) / h E1 E2（ 频 率 , 相 位 ,振 动 方 向 ,传 播 方 向 都 相 同 ）2、 激 光 光 源结 论 ： 普 通 光 源 发 出 的 光 波 不 满 足 相 干 条 件 ， 不 是 相 干 光 ，不 能 产 生 干 涉 现 象 ； 激 光 是 相 干 性 很 好 的 相 干 光 。 四 、 光 的 干 涉 现 象 两 束 满 足 相 干 条 件 的 光 称为 相 干 光 .相 应 的 光 源 称 为 相 干 光 源 .光 的 相 干 条 件 振 动 方 向 相 同 振 动 频 率 相 同 有 恒 定 位 相 差 光 程 差 不 太 大 光 强 差 不 太 大“当 两 列 (或 几 列 )满 足 一 定 条 件 的 光 波 在 某 区 域 同 时传 播 时 ,空 间 某 些 点 的 光 振 动 始 终 加 强 ； 某 些 点 的 光振 动 始 终 减 弱 ， 在 空 间 形 成 一 幅 稳 定 的 光 强 分 布 图样 ” ， 称 为 光 的 干 涉 现 象 。要 产 生 干 涉 现 象 ， 两 波 必 须 满 足 相 干 条 件 。 光 的 干 涉 现 象 非 相 干 叠 加 ： I=I1+I2光 的 叠 加 ： cos2 2121 IIIII 21 EEE 2EI 2121 2 EEEE 用 相 位 差 表 示 ：明 条 纹 ： = 2k k=0,1,2,暗 条 纹 ： = (2k+1) k=0,1,2,明 暗 条 纹 条 件相 干 叠 加 ： 五 、 相 干 光 的 获 得1、 分 波 面 法2、 分 振 幅 法 在 同 一 波 面 上 取 两 个 点 ， 使子 波 经 过 不 同 的 路 径 后 再 相 遇 产生 干 涉 的 方 法 为 分 波 面 法 。 如 杨氏 双 缝 干 涉 实 验 。 一 束 光 线 经 过 介 质 薄 膜 的 反 射与 折 射 ， 形 成 的 两 束 光 线 产 生 干 涉 的方 法 为 分 振 幅 法 。 如 薄 膜 、 劈 尖 、 牛顿 环 等 。 原 理 ： 使 同 一 个 点 光 源 发 出 的 光 分 成 两 个 或 两 个以 上 的 相 干 光 束 使 它 们 各 经 过 不 同 的 路 径 后 再 相 遇 以产 生 干 涉 。 pS * 分 波 面 法分 振 幅 法 p薄 膜S * D oS1S2 Pd r1r2 x双缝单缝S 屏 干涉条纹 I光强分布点光源杨氏双缝干涉 杨 氏 在 1801年 首 先 用 实 验 的 方 法 研 究 了 光 的 干涉 现 象 ， 为 光 的 波 动 理 论 奠 定 了 基 础 。一 、 杨 氏 双 缝 干 涉 实 验 装 置 PD oS1S2S d r1r2 x I 两 个 子 波 源 在 P点 引 起的 光 振 动 的 位 相 差 为 ： )(2)( 2121 rr )(2 12 rr 当 时 , k2 ),2,1,0( k当 时 , ( 0,1,2, )k (2 1)k 干 涉 相 长 ， 出 现 明 纹干 涉 相 消 ， 出 现 暗 纹 krr 12即 2 1 (2 1)2kr r 即 二 、 干 涉 相 长 、 相 消 条 件 cos2 2121 IIIII 在 P点 的 合 光 强 ： 2 1 sinr r d x k Dd ),2,1,0( k(2 1)2k Dd ( 0,1,2,3, )k 出 现 明 条 纹出 现 暗 条 纹 由 图 可 得 ： PD oS1S2S d r1r2 x0,1,2,2 1 0,1,2,3,2k kk k 明 纹 暗 纹 tanDx 当 很 小 时 ， sintan 2 1 sin dxr r d D k k Dx dk=0时 ： 00 x零 级 明 纹 位 于 屏 幕 中 央 ， 只 有 一 条 。 I明纹1、 明 纹 位 置 0三 、 讨 论 12341234k=1时 ： 1 Dx d 一 级 明 纹 有 两 条 ， 对 称 分 布 在 屏幕 中 央 两 侧 。 其 它 各 级 明 纹 都 有 两条 ， 且 对 称 分 布 。 暗纹 12344312(2 1) 2 k Dx k d k=0时 ： 1 2Dx d一 级 暗 纹 有 两 条 ， 对 称 分 布 在 屏 幕 中 央 两 侧 。 其 它 各 级 暗纹 都 有 两 条 ，且 对 称 分 布 。2、 暗 纹 位 置 00 3、 条 纹 间 距 kk xxx 1相 邻 明 纹 与 相 邻 暗 纹 的 间 距 都 相 同 ，D dk=1 时 相 邻 明 （ 或 暗 ） 条 纹 间 的 距 离 称 为 条 纹 间 距 。亮 纹 与 暗 纹 交 替 排 列 ， 条 纹 明 暗 相 间 平 行 等 距 。 1k 2k 3k2k 1k3k五 、 复 色 光 源 的 干 涉 条 纹若 用 复 色 光 源 ， 则 干 涉 条 纹 是 彩 色 的 。 干 涉 级 次 越高 重 叠 越 容易 发 生 。六 、 杨 氏 干 涉 的 应 用可 用 于 测 量 波 长 。632.8nm的 氦 氖 激 光 器 产 生 的 干 涉 条 纹589.3nm的 钠 黄 光 产 生 的 干 涉 条 纹 四 、 干 涉 条 纹 图 样 x D d 例 1： 波 长 为 632.8 nm 的 激 光 ， 垂 直 照 射 在 间 距 为 1.2 mm 的 双 缝 上 ， 双 缝 到 屏 幕 的 距 离 为 500 mm， 求两 条 第 4级 明 纹 的 距 离 。解 ： Io由 明 纹 公 式 ：k k Dx d两 条 4 级 明 纹 的 距 离 为 ：2k Dx d 3 39102.1 10500108.63242 x m101.2 3 44 例 2： 白 色 平 行 光 垂 直 入 射 到 间 距 为 d=0.25mm 的 双 缝上 ， 距 缝 50cm 处 放 置 屏 幕 ， 分 别 求 第 一 级 和 第 五 级 明纹 彩 色 带 的 宽 度 。 （ 设 白 光 的 波 长 范 围 是 从 400.0nm 到 760.0nm） 。 解 ： 由 公 式 /x kD d 可 知 波 长 范 围 /x kD d 为 时 ， 明 纹 彩 色 宽 度 为当 k =1 时 ， 第 一 级 明 纹 彩 色 带 宽 度 为 25.0/10400760500 61 x mm72.0k=5 第 五 级 明 纹 彩 色 带 宽 度 为xx 15 5 mm6.3 例 3： 用 1 450nm和 2 600nm的 两 种 光 正 入射 于 双 缝 ， 若 D、 d已 知 ， 求 屏 上 这 两 种 光 第 二 次重 叠 的 位 置 。 （ 不 含 中 央 明 纹 ） 解 ： 设 重 叠 处 1为 第 k1级 ， 2为 第 k2级 ， 则 有 ：1 1 2 2k d k dx D D 43600450 2112 kk ;k,k 43 12 第 一 次 ： ;k,k 86 12 第 二 次 ： dDdDx 21 86 实 验 装 置 ： Ld 1S 2S虚 光 源 、21SS WW平 行 于 dLkx dLkx 2 12 明 条 纹 中 心 的 位 置 2,1,0 k屏 幕 上 O点 在 两 个 虚 光 源 连 线 的 垂 直 平 分 线 上 ， 屏 幕上 明 暗 条 纹 中 心 对 O点 的 偏 离 x为 ：暗 条 纹 中 心 的 位 置S1S2S 2M1M W WLd ox光 栏一 、 菲 涅 耳 双 面 镜 实 验 三 、 半 波 损 失(1) 当 光 从 折 射 率 大 的 光 密 介 质 ，入 射 于 折 射 率 小 的 光 疏 介 质时 ， 反 射 光 没 有 半 波 损 失 。(2) 当 光 从 折 射 率 小 的 光 疏 介 质 ，入 射 于 折 射 率 大 的 光 密 介 质 时 ， 则反 射 光 有 半 波 损 失 。 1n 2n 21 nn 有 半 波 损 失没 有 半 波 损 失二 、 洛 埃 镜 实 验 SS MLd pQpQBA光 栏 W当 屏 幕 W移 至 B处 ， 从 S 和 S 到 B点 的 光 程 差为 零 ， 但 是 观 察 到 暗 条纹 ， 验 证 了 反 射 时 有 半波 损 失 存 在 。 1n 2n 21 nn