01相干光 杨氏双缝干涉

1波动光学波动光学光的干涉（光的干涉（1）2一、光学的研究内容一、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。与物质的相互作用；光学的应用。二、光的两种学说二、光的两种学说牛顿的微粒说牛顿的微粒说光是由发光物体发出的遵循力光是由发光物体发出的遵循力学规律的粒子流。学规律的粒子流。惠更斯的波动说惠更斯的波动说光是机械波，在弹性介质光是机械波，在弹性介质“以太以太”中传播。中传播。绪论绪论3对立对立波动说波动说惠更斯惠更斯微粒说微粒说牛顿牛顿世纪世纪世纪世纪 191720世纪初，光电效应、康普顿效应的发现世纪初，光电效应、康普顿效应的发现光具有粒子性光具有粒子性光具有波粒二象性。光具有波粒二象性。1865年麦克斯韦建立了光的电磁理论年麦克斯韦建立了光的电磁理论光是电磁波。光是电磁波。1808年马吕斯发现光的偏振现象年马吕斯发现光的偏振现象光是横波。光是横波。1850年傅科测出水中光速。年傅科测出水中光速。三、光的本性三、光的本性 光的电磁理论光的电磁理论波动性波动性：干涉、衍射、偏振干涉、衍射、偏振 光的量子理论光的量子理论粒子性粒子性：黑体辐射、光电效应、黑体辐射、光电效应、 康普顿效应康普顿效应4四、光学的分类四、光学的分类量子光学量子光学光的粒子性：研究光与物质相互作光的粒子性：研究光与物质相互作用规律及其应用的学科用规律及其应用的学科20世纪世纪60年代激光问世后，光学有了年代激光问世后，光学有了飞速的发展，形成了飞速的发展，形成了非线性光学非线性光学等现代光学。等现代光学。几何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。光学仪器成象规律。物理光学物理光学以光的波动性和粒子性为基础，研究光现象基本以光的波动性和粒子性为基础，研究光现象基本规律。规律。 波动光学波动光学光的波动性：研究光的传输规律及光的波动性：研究光的传输规律及其应用的学科其应用的学科5 光是电磁波，它具有相互垂直的电场强度矢量和磁光是电磁波，它具有相互垂直的电场强度矢量和磁场强度矢量。场强度矢量。一、光波一、光波相干光相干光红外光：红外光：760nm可见光：可见光：400nm与与760nm之间之间紫外光：紫外光：400nm光的颜色：光的颜色：单色光单色光只含单一波长的光：激光只含单一波长的光：激光复色光复色光不同波长单色光的混合：白光不同波长单色光的混合：白光二、光矢量二、光矢量通常通常电场电场强度强度E的振动称为光振动，的振动称为光振动，电场强度称为光矢量。电场强度称为光矢量。光的强度是由光的能流密度决定的。光的强度是由光的能流密度决定的。定义：光强度定义：光强度202EAI)2cos(0rtEEo6E1E2自发辐射跃迁自发辐射跃迁 = (E2-E1)/h光源的最基本的发光单元是分子、原子。光源的最基本的发光单元是分子、原子。1 1、普通光源、普通光源发光时间发光时间t t 10-8s三、光源的发光特性三、光源的发光特性普通光源普通光源 每个每个原子原子发光是间隙式的发光是间隙式的; 各个原子各个原子的发光的发光是完全独立的是完全独立的, 互不相关。互不相关。它们何时发光完全是不确定的，它们何时发光完全是不确定的，发光频率、振动方向、发光频率、振动方向、初位相以及传播方向等都可能不同初位相以及传播方向等都可能不同;普通光源普通光源 的的不同原子发的光不可能不同原子发的光不可能 产生干涉现象。产生干涉现象。例如例如:普通灯泡发的光普通灯泡发的光; 火焰火焰; 电弧电弧; 太阳光等等。太阳光等等。波列波列波列长波列长 L = tc7可以实现光放大可以实现光放大;单色性好单色性好;相干性好。相干性好。-受激辐射跃迁。受激辐射跃迁。例如例如:氦氖激光器氦氖激光器; 红宝石激光器红宝石激光器; 半导体激光器等等。半导体激光器等等。完全一样的光子完全一样的光子 = (E2-E1) / hE1 E2（频率频率, 相位相位,振动方向振动方向,传播方向传播方向都相同）都相同）2 2、激光光源、激光光源结论：结论：普通光源发出的光波不满足相干条件，不是相干光，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。不能产生干涉现象；激光是相干性很好的相干光。8四、光的干涉现象四、光的干涉现象两束满足相干条件的光称两束满足相干条件的光称为为相干光相干光.相应的光源称为相应的光源称为相干光源相干光源.光的相干条件光的相干条件振动方向相同振动方向相同振动频率相同振动频率相同有恒定位相差有恒定位相差光程差不太大光程差不太大光强差不太大光强差不太大“当两列当两列(或几列或几列)满足满足一定条件一定条件的光波在某区域同时的光波在某区域同时传播时传播时,空间某些点的光振动空间某些点的光振动 始终始终加强；加强；某些点的光某些点的光振动振动 始终始终减弱，减弱，在空间形成一幅在空间形成一幅稳定稳定的光强分布图的光强分布图样样”，称为，称为光的干涉现象。光的干涉现象。要产生干涉现象，两波必须满足相干条件。要产生干涉现象，两波必须满足相干条件。9光的干涉现象光的干涉现象10非相干叠加：非相干叠加： I=I1+I2光的叠加：光的叠加：cos22121IIIII21EEE 2EI 21212EEEE 用相位差表示：用相位差表示：明条纹：明条纹： =2k k=0,1,2,暗条纹：暗条纹： =(2k+1) k=0,1,2,明暗条纹条件明暗条纹条件相干叠加：相干叠加：11五、五、 相干光的获得相干光的获得1、分波面法、分波面法2、分振幅法、分振幅法 在同一波面上取两个点，使在同一波面上取两个点，使子波子波经过不同的路径后再相遇经过不同的路径后再相遇产产生干涉的方法为分波面法。如杨生干涉的方法为分波面法。如杨氏双缝干涉实验。氏双缝干涉实验。 一束光线经过介质薄膜的反射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、牛方法为分振幅法。如薄膜、劈尖、牛顿环等。顿环等。 原理：原理：使同一个点光源发出的光分成两个或两个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。产生干涉。 pS * *分波面法分波面法分振幅法分振幅法 p薄膜薄膜S *12DoS1S2Pdr1r2x双双缝缝单单缝缝S S屏屏干涉条纹干涉条纹I光强分布光强分布点光源点光源杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉 杨氏在杨氏在1801年首先用实验的方法研究了光的干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。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一、杨氏双缝干涉实验装置13PDoS1S2Sdr1r2xI 两个子波源在两个子波源在P点引起点引起的光振动的位相差为：的光振动的位相差为：)(2)(2121rr )(212rr 当当 时时, k2), 2 , 1 , 0(k当当 时时,(0,1,2,)k (21)k 干涉相长，出现明纹干涉相长，出现明纹干涉相消，出现暗纹干涉相消，出现暗纹krr12即即21(21)2krr 即即二、干涉相长、相消条件二、干涉相长、相消条件cos22121IIIII 在在P点的合光强：点的合光强：1421sinrrdxk Dd), 2 , 1 , 0(k(21)2kDd(0,1,2,3,)k 出现明条纹出现明条纹出现暗条纹出现暗条纹由图可得：由图可得：PDoS1S2Sdr1r2x0,1,2,210,1,2,3,2kkkk明纹暗纹tanDx 当当 很小时，很小时，sintan21sindxrrdD15kk Dxd k=0时：时：00 x零级明纹位于屏幕中央，只有一条。零级明纹位于屏幕中央，只有一条。I明明纹纹1、明纹位置、明纹位置0 0三、讨论三、讨论12341234k=1时：时：1Dxd 一级明纹有两条，对称分布在屏级明纹有两条，对称分布在屏幕中央两侧。幕中央两侧。其它各级明纹都有两其它各级明纹都有两条，且对称分布。条，且对称分布。 暗纹暗纹12344312(21)2kDxkd k=0时：时：12Dxd 一级暗纹有两条，对称分布在屏幕中央两侧。一级暗纹有两条，对称分布在屏幕中央两侧。 其它各级暗其它各级暗纹都有两条，纹都有两条，且对称分布。且对称分布。2、暗纹位置、暗纹位置00163、条纹间距、条纹间距kkxxx1相邻明纹与相邻暗纹的间距都相同，相邻明纹与相邻暗纹的间距都相同，D d k=1 时相邻明（或暗）条纹间的距离称为条纹间距。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，亮纹与暗纹交替排列，条纹明暗相间平行等距。条纹明暗相间平行等距。171k2k3k2k1k3k五、复色光源的干涉条纹五、复色光源的干涉条纹若用复色光源，则干涉条纹是彩色的。若用复色光源，则干涉条纹是彩色的。干涉级次越干涉级次越高重叠越容高重叠越容易发生。易发生。六、杨氏干涉的应用六、杨氏干涉的应用可用于测量波长。可用于测量波长。632.8nm的氦氖激光器产生的干涉条纹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的钠黄光产生的干涉条纹四、干涉条纹图样四、干涉条纹图样xD d 18例例1： 波长为波长为 632.8 nm 的激光，垂直照射在间距为的激光，垂直照射在间距为 1.2 mm 的双缝上，双缝到屏幕的距离为的双缝上，双缝到屏幕的距离为 500 mm，求，求两条第两条第4级明纹的距离。级明纹的距离。解：解：Io由明纹公式由明纹公式：kk Dxd 两条两条 4 级明纹的距离为：级明纹的距离为：2k Dxd339102 .110500108 .63242xm101 .234419例例2：白色平行光垂直入射到间距为白色平行光垂直入射到间距为 d=0.25mm 的双缝的双缝上，距缝上，距缝 50cm 处放置屏幕，分别求第一级和第五级明处放置屏幕，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纹彩色带的宽度。（设白光的波长范围是从400.0nm 到到 760.0nm）。）。 解：解：由公式由公式/xkDd可知波长范围可知波长范围/xkDd 为为 时，明纹彩色宽度为时，明纹彩色宽度为当当 k =1 时，第一级明纹彩色带宽度为时，第一级明纹彩色带宽度为25.0/1040076050061xmm72.0k=5 第五级明纹彩色带宽度为第五级明纹彩色带宽度为xx155mm6 .320 例例3：用用1450nm和和2600nm的两种光正入的两种光正入射于双缝，若射于双缝，若D、d已知，求屏上这两种光第二次已知，求屏上这两种光第二次重叠的位置。（不含中央明纹）重叠的位置。（不含中央明纹） 解：设重叠处解：设重叠处1为第为第k1级，级，2为第为第k2级，则有：级，则有：1 122kdkdxDD436004502112 kk;k,k4312 第一次：第一次：;k,k8612 第二次：第二次：dDdDx2186 21实验装置：实验装置：Ld 1S2S虚光源虚光源 、21SSWW平行于平行于dLkxdLkx212 明条纹中心的位置明条纹中心的位置2, 1, 0k屏幕上屏幕上O 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 O点的偏离点的偏离x x为：为：暗条纹中心的位置暗条纹中心的位置S1S2S2M1MWWLdox光栏一、菲涅耳双面镜实验一、菲涅耳双面镜实验22三、半波损失三、半波损失(1) 当光从折射率当光从折射率大大的光密介质，的光密介质，入射于折射率入射于折射率小小的光疏介质的光疏介质时，反射光没有半波损失。时，反射光没有半波损失。(2) 当光从折射率当光从折射率小小的光疏介质，的光疏介质，入射于折射率入射于折射率大大的光密介质时，则的光密介质时，则反射光有半波损失。反射光有半波损失。1n2n21nn 有有半波损失半波损失没有没有半波损失半波损失二、二、 洛埃镜实验洛埃镜实验S SMLdpQ pQBA光栏W当屏幕当屏幕W移至移至B处，从处，从 S 和和 S 到到B点的光程差点的光程差为零，但是观察到暗条为零，但是观察到暗条纹，纹，验证了反射时有半验证了反射时有半波损失存在。波损失存在。1n2n21nn