相位差恒定相干光相位差课件

wave opticswave opticswave optics第八章波动光学8 8-1 -1 光和光的相干性光和光的相干性光波中起感光作用的光波中起感光作用的是电场强度是电场强度 E 矢量，称之为矢量，称之为光矢量光矢量。E 矢量的振动称为矢量的振动称为光振动光振动。在波动光学中，主要讨论的是相对光强，在波动光学中，主要讨论的是相对光强，因此在因此在同一介质中直接把同一介质中直接把光强光强定义为：定义为：一、光波的描述方法一、光波的描述方法真空中可见光波长在真空中可见光波长在400nm-760nm。光波是光波是电磁波电磁波红外区红外区可见光可见光紫外区紫外区光波的平均光波的平均能流密度。能流密度。光强光强 8-1 光和光的相干性光波中起感光作用的是电场强度 E 二、光的叠加性二、光的叠加性 相干条件相干条件两频率相同，振动方向相同的单色光波在两频率相同，振动方向相同的单色光波在p点相遇点相遇二、光的叠加性 相干条件两频率相同，振动方向相同的单色1、相干叠加、相干叠加满足相干条件的两束光叠加后满足相干条件的两束光叠加后相位差恒定，有干涉现象，相位差恒定，有干涉现象，若若干涉相长干涉相长干涉相消干涉相消则则1、相干叠加满足相干条件的两束光叠加后相位差恒定，有干涉现象2、非相干叠加、非相干叠加两两独立光源独立光源所发出的光或同一光源的所发出的光或同一光源的不同部位不同部位所所发出的光叠加，发出的光叠加，叠加后光强等于两光束单独照射时的光强之和，叠加后光强等于两光束单独照射时的光强之和，无干涉现象无干涉现象.要使两列波在要使两列波在P处产生相干叠加，处产生相干叠加，两列波的条件：两列波的条件：（1）振动方向相同）振动方向相同（2）频率相同）频率相同（3）相位差恒定）相位差恒定相干光相干光相位差相位差“瞬息万变瞬息万变”2、非相干叠加两独立光源所发出的光或同一光源的不同部位所发出光源的微观客体分子或原子的发光过程光源的微观客体分子或原子的发光过程-量子过程，量子过程，=(E2-E1)/hE1E2能级能级跃迁跃迁辐射辐射波列波列波波列列长长L L=0 0c c，米米的的数数量量级级？两个独立的两个独立的普通普通光源能否成为一对相干光源光源能否成为一对相干光源光源的微观客体分子或原子的发光过程-量子过程，=(1 1、普通光源：自发辐射、普通光源：自发辐射独立独立(不同原子发的光不同原子发的光)独立独立(同一原子先后发的光同一原子先后发的光)发光的随机性发光的随机性 发光的间隙性发光的间隙性？两个独立的两个独立的普通普通光源能否成为一对相干光源光源能否成为一对相干光源1、普通光源：自发辐射独立(不同原子发的光)独立(同一原？两个独立的两个独立的普通普通光源能否成为一对相干光源光源能否成为一对相干光源钠钠光光灯灯A钠钠光光灯灯B两束光两束光不相干！不相干！普通光源发出的光是由光源中各个分子或原子普通光源发出的光是由光源中各个分子或原子发出的波列组成的，而这些波列之间没有固定的相发出的波列组成的，而这些波列之间没有固定的相位关系。因此，来自两个独立光源的光波，即使频位关系。因此，来自两个独立光源的光波，即使频率相同，振动方向相同，它们的相位差也不可能保率相同，振动方向相同，它们的相位差也不可能保持恒定，因而不是相干光；同一光源的两个不同部持恒定，因而不是相干光；同一光源的两个不同部分发出的光，也不满足相干条件。分发出的光，也不满足相干条件。？两个独立的普通光源能否成为一对相干光源钠钠两束光 2.2.激光光源：受激辐射激光光源：受激辐射 =(E2-E1)/hE1E2 完完全全一一样样(频频率率,位位相相,振振动动方方向向,传播方向传播方向)相干光源相干光源2.激光光源：受激辐射=(E2-E1)/hE1E2pS*分波分波阵阵面法面法分振幅法分振幅法p薄膜薄膜S S*三、普通光源获得相干光的途径（方法）三、普通光源获得相干光的途径（方法）1 1 分波阵分波阵面面法法 杨氏干涉杨氏干涉2 2 分振幅法分振幅法 薄膜薄膜干涉干涉3 3 分振动面法分振动面法 偏振光干涉偏振光干涉 将光源上同一点发出的光分成两部分，在空间经历不同将光源上同一点发出的光分成两部分，在空间经历不同路径后，它们再相遇、产生干涉路径后，它们再相遇、产生干涉pS*分波阵面法分振幅法p薄膜S*三、普通光源获得相干两束两束初相初相相同的相干光在相同的相干光在真空中真空中传播时的干涉情况传播时的干涉情况干涉现象决定于两束相干光的位相差干涉现象决定于两束相干光的位相差,两束相干光通过不同的介质时，位相差不能单纯由两束相干光通过不同的介质时，位相差不能单纯由几何路程差决定几何路程差决定?两束初相相同的相干光在真空中传播时的干涉情况干涉现象决定于两光从光从A到到B：n n介质介质介质介质r真空真空真空真空AB传播速度传播速度介质中的波长介质中的波长相位差相位差四四、光程和光程差光程和光程差 在介质中传播的波长，折算成真空中波长的关系。在介质中传播的波长，折算成真空中波长的关系。光从A到B：n介质r真空真空AB传播速度介质中的波长相位差四将将光在介质中所走的路程，折算为在真空中的路程。光在介质中所走的路程，折算为在真空中的路程。（即将光在介质中的传播，折算为在真空中的传播（即将光在介质中的传播，折算为在真空中的传播.）光波在介质中传播时，其相位变化，不但与传播的几光波在介质中传播时，其相位变化，不但与传播的几何路程有关，而且还与介质的折射率有关。何路程有关，而且还与介质的折射率有关。为了便于描述同一波长的光在不同介质中传播变化为了便于描述同一波长的光在不同介质中传播变化的相位：的相位：光程光程n n介质介质介质介质r真空真空真空真空AB将光在介质中所走的路程，折算为在真空中的路程。（即将光在介质光程是在相同的时间内光在真空中通过的路程光程是在相同的时间内光在真空中通过的路程便于比较光在不同介质中所走路程的长度。便于比较光在不同介质中所走路程的长度。12m3光程是在相同的时间内光在真空中通过的路程12m3光程之差称为光程差光程之差称为光程差光程之差称为光程差光程差光程差若两相干光源是同位相的若两相干光源是同位相的两相干光源同位相，干涉条件两相干光源同位相，干涉条件光程差若两相干光源是同位相的两相干光源同位相，干涉条件不同光线通过透镜要改变传播方向，不同光线通过透镜要改变传播方向，会不会引起附加光程差？会不会引起附加光程差？问题问题A、B、C 的位相的位相相同，在相同，在F点会聚，点会聚，互相加强互相加强A、B、C 各点到各点到F点的光程都相等。点的光程都相等。AaF比比BbF经过的几何路程长，但经过的几何路程长，但BbF在透镜在透镜中经过的路程比中经过的路程比AaF长，透镜折射率大于长，透镜折射率大于1，折算成光程，折算成光程，AaF的光程与的光程与BbF的光程相等。的光程相等。解解释释使用透镜不会引起各相干光之间的附加光程差。使用透镜不会引起各相干光之间的附加光程差。不同光线通过透镜要改变传播方向，问题A、B、C 的位相相同，8 8-2 -2 分波阵面干涉分波阵面干涉 一、杨氏双缝干涉实验一、杨氏双缝干涉实验1、实验装置、实验装置S1S2S*k=+1k=-2k=+2k=0k=-1I8-2 分波阵面干涉 一、杨氏双缝干涉实验1、实验2、杨氏干涉条纹、杨氏干涉条纹D D d dP点的光强决定于两束光到达时的相位差点的光强决定于两束光到达时的相位差，即决定于两束光的光程差即决定于两束光的光程差 光程差：光程差：2、杨氏干涉条纹D dP点的光强决定于两束光到达时的相明暗条纹条件：明暗条纹条件：明纹：明纹：暗纹：暗纹：明暗条纹条件：明纹：暗纹：明暗条纹位置：明暗条纹位置：明纹明纹暗纹暗纹明暗条纹位置：明纹暗纹3、实际应用、实际应用杨氏干涉可用于测量波长。杨氏干涉可用于测量波长。方法一方法一：测出：测出x方法二：方法二：测出测出 x两两相邻明（或暗）条纹间的距离称为条纹间距。相邻明（或暗）条纹间的距离称为条纹间距。若用复色光源，除中央明纹外的干涉条纹是彩色的。若用复色光源，除中央明纹外的干涉条纹是彩色的。(1)明暗相间的条纹对称分布于中心明暗相间的条纹对称分布于中心O点两侧；点两侧；干涉条纹特点干涉条纹特点：(2)相邻明条纹和相邻暗条纹等间距，与干涉级相邻明条纹和相邻暗条纹等间距，与干涉级k无关；无关；3、实际应用杨氏干涉可用于测量波长。方法一：测出x方法二：测4、思考、思考？若将杨氏双缝干涉装置从空气中移到水中，若将杨氏双缝干涉装置从空气中移到水中，干涉条纹将如何移动。干涉条纹将如何移动。？若将杨氏双缝干涉装置光屏前、后移动，若将杨氏双缝干涉装置光屏前、后移动，干涉条纹将如何变化。干涉条纹将如何变化。？若将杨氏双缝干涉装置中双缝间距增大、若将杨氏双缝干涉装置中双缝间距增大、减少，干涉条纹将如何变化。减少，干涉条纹将如何变化。4、思考？若将杨氏双缝干涉装置从空气中移到水中，干涉条二二 分波前干涉的其它一些实验分波前干涉的其它一些实验1 菲涅耳双面镜实验：菲涅耳双面镜实验：实验装置实验装置：虚光源虚光源 、平行于平行于明条纹中心的位置明条纹中心的位置屏幕上屏幕上O点在两个虚光源连线的垂直平分线上，屏幕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上明暗条纹中心对O点的偏离点的偏离 x为：为：暗条纹中心的位置暗条纹中心的位置光栏二 分波前干涉的其它一些实验1 菲涅耳双面镜实验：实验装2、洛埃镜实验、洛埃镜实验光栏 当屏幕当屏幕 E 移至移至E处，从处，从 S1和和 S2 到到 L点的光点的光程差为零，但是观察到程差为零，但是观察到暗条纹暗条纹，验证了反射时验证了反射时有半波损失存在。有半波损失存在。2、洛埃镜实验光栏 当屏幕 E 移至E处，从问：（问：（1）原来的零级条纹移至何处？（原来的零级条纹移至何处？（2）若）若原来的原来的零级零级成为原来的第成为原来的第 k 级明条纹处，其厚度级明条纹处，其厚度 h 为多少？为多少？例例1：S2 缝上覆盖的介质厚度为缝上覆盖的介质厚度为 h，折射率为，折射率为n，设入射光的波长为设入射光的波长为.解：解：（1）从从S1和和S2发出的相干光所对应的光程差发出的相干光所对应的光程差当光程差为零时，对应零条纹当光程差为零时，对应零条纹的位置应满足：的位置应满足：所以零级明条纹下移所以零级明条纹下移问：（1）原来的零级条纹移至何处？（2）若原来的零级成为原来解（解（2）原来原来 k 级明条纹位置满足：级明条纹位置满足：设有介质时，原来第设有介质时，原来第 k 级级明纹移到原来明纹移到原来零级明条纹零级明条纹处处，它必须同时满足：，它必须同时满足：解（2）原来 k 级明条纹位置满足：设有介质时，原来第 k 练习：练习：已知双缝间距已知双缝间距d=0.60mm,缝和屏缝和屏幕间距幕间距D=1.50m，若测得相邻两明条纹间距，若测得相邻两明条纹间距x=1.50mm。（1 1）求入射光的波长？）求入射光的波长？（2 2）若以折射率）若以折射率n=1.30，厚度厚度L=0.01mm的透明薄膜的透明薄膜遮住一缝，原来的中央明遮住一缝，原来的中央明条纹将变成第几级明条纹条纹将变成第几级明条纹？解解:（1 1）练习：已知双缝间距d=0.60mm,缝和屏幕间（2）未遮薄膜时，）未遮薄膜时，中央明条纹光程差为中央明条纹光程差为:遮上薄膜后光程差为遮上薄膜后光程差为:设此处为设此处为k k级明纹，则级明纹，则:（2）未遮薄膜时，中央明条纹光程差为:遮上薄膜后光程差为:设