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主要内容

主要内容. §1.1 光的电磁理论 §1. ２ 波动的独立性，叠加性和相干性 §1.3 由单色波叠加所形成的干涉图样 §1. ４ 分波面双光束干涉 § １ .5 干涉条纹的可见度 光波的时间相干和空间相干性 §1.6 菲涅耳公式 §1.7 分振幅薄膜干涉（一） —— 等倾干涉 §1.8 分振幅薄膜干涉（二） —— 等厚干涉 §1. ９ 迈克耳逊干涉仪 §1.10 法布里 - 珀罗干涉仪 多光束干涉 §1.11 光的干涉应用举例 牛顿环. 第一章光的干涉 教学要求： 1 、掌握光的相干条件和光程的概念；

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Presentation Transcript

  1. 主要内容 §1.1 光的电磁理论 §1.２ 波动的独立性，叠加性和相干性 §1.3 由单色波叠加所形成的干涉图样 §1.４ 分波面双光束干涉 §１.5 干涉条纹的可见度 光波的时间相干和空间相干性 §1.6菲涅耳公式 §1.7 分振幅薄膜干涉（一）——等倾干涉 §1.8 分振幅薄膜干涉（二）——等厚干涉 §1.９ 迈克耳逊干涉仪 §1.10 法布里-珀罗干涉仪 多光束干涉 §1.11 光的干涉应用举例 牛顿环

  2. 第一章光的干涉 教学要求： 1、掌握光的相干条件和光程的概念； 2、掌握双光束干涉的特点和理论计算； 3、理解等倾干涉和等厚干涉的基本概念； 4、掌握迈克耳孙干涉仪和了解法布里—珀罗干涉仪的原理及其应用，掌握多光束干涉的特点； 5、掌握牛顿环和劈尖干涉和应用； 6、掌握增透膜和增反膜； 7、了解时间相干性和空间相干性； 8、了解条纹的定域性； 9、理解半波损失及额外光程差。

  3. 教学重点： 1、光的相干条件和光程、光程差。 2、双缝干涉、等倾干涉和等厚干涉。 3、光的时间相干性和空间相干性。 4、干涉的应用。 教学难点： 1、确定光的干涉装置所对应的光程差。 2、干涉条件的确定。 3、半波损失和额外光程差概念的理解。 4、光的时间相干性和空间相干性。

  4. 光波: 可见光: 7600 6300 6000 5700 5000 4500 4300 3900 红 橙 黄 绿 青 蓝 紫 §1.1 光的电磁理论 一.光波是电磁波 1. 光波是某一波段的电磁波 不同波长的光引起不同的颜色感觉. 红外光 X射线 无线电波 紫外光 光波

  5. 在真空中： 在介质中： 光频段而言： 同一光波穿过不同介质，频率　　不变，波长变． 真空中的波长 ２. 光速(velocity of light)： ３. 折射率(refractive index\refracting power)n ： 同一光波在不同介质中有不同的速率 在光波段:

  6. ∴引起光效应的主要是电场强度　　， 而不是磁场强度 光矢量 电场强度矢量 光的平均能流密度 ２. 光强： 二．光强(intensity of light)I: 1. 光矢量： 对人的眼睛或感光仪器起作用的 是电场强度 任何波动过程都必定伴随能量的传递.

  7. A为振幅 （对时间平均） 对简谐振动，平均值 绝对光强 相对光强： 坡印廷矢量的瞬时值 同一介质中：只关心光强的相对分布．

  8. 波数 三．单色光波的数学描述 １．三角函数描述

  9. 复振幅： ２．复数描述

  10. ①代数法： §1.２ 光波的独立性，叠加性和相干性 一.波的独立传播和线性叠加原理 二列（或多列）光波，相遇后保持自己的独立性。 叠加区，每点光矢量是各列光波单独存在在该点产生光矢 量的矢量和，即： 1、补充：介绍振动叠加的三种计算方法： 讨论同频率同方向振动叠加。（二列光波的光场可看为标量场）

  11. 合振动： 其中： 如何得到？ ②复振幅法： 如何得到上述的合振动振幅及位相？

  12. o x o x ③矢量图解法： 平行四边形法则 三角形法则 如何得到上述的合振动振幅及位相？

  13. 2、三大类波的叠加 第一类：角频ω相同，振动方向相同的简谐波的叠加。驻波、干涉、衍射现象属于这一类简谐波的叠加。 第二类：不同角频ω，从而波矢k不同，但振动方向相同的简谐波的叠加。拍波、波包、脉冲和光调制属于这一类简谐波的叠加。 第三类：角频ω相同，两个振动方向不同的简谐波经相位延迟后，其同方向的分量叠加。各向异性晶体的寻常光和非常光经相位延迟后，其分量叠加属于这类简谐波的叠加. 如何进行实验？如何应用计算机模拟？

  14. 在某一时间内（ （1）当 二．光波的相干和不相干叠加 1、相干迭加：位相差始终保持不变

  15. （2）当 　　相长： 相消： （3）当 为任意恒定值，且 光强若按一定规律分布，即为相干 （４）如有N个相干光，相干迭加

  16. 位相差随时间变化，可看作实际上是两波的频率不一致，位相差随时间变化，可看作实际上是两波的频率不一致， 如有 个光源（或灯盏）， 2、不相干迭加 强度直接相加，即为不相干 则

  17. §1.3 由单色波叠加所形成的干涉图样 （仅讨论简谐波） 一、位相差、光程差

  18. 两频率相同的光波源 的振动： 设 则达到 点的振动： 在某t时间到达p点 1、位相差

  19. 光程差： 空气中 2、光程及光程差 光程： 或 均匀介质中 光程即为相同时间内光在真空中通过的路程

  20. 相同光程差对应（相同光强）的点所连结成的面相同光程差对应（相同光强）的点所连结成的面 干涉图样 - = 常量 ， 干涉花样为双叶螺旋双 曲面 r r 2 1 二．干涉图样的形成 １．干涉图样形状 条纹非定域 如何应用计算软件进行模拟？

  21. j=+2 j=+1 S * 1 S * I j= 0 S * 2 j=-1 j=-2 ２．干涉强度分布

  22. 当 干涉相长,明纹 干涉相消,暗纹 当 称为干涉级次

  23. 由图 相干最大： 条纹间距: 与j无关 相干最小： 3．明暗纹在屏上的位置

  24. 由图： 的张角） 说明： （1）各级亮条纹光强都相等，相邻条纹（亮或暗）等间距， 且与j无关； （２）白光入射，　　级仍是白光，其余各级亮纹带彩色。 （３）干涉花样实质上体现了参与相干迭加的光波间 位相差的空间分析。

  25. 0级中央明纹不动，其他条纹由两边向中央移动，条纹变密0级中央明纹不动，其他条纹由两边向中央移动，条纹变密 d 0级中央明纹不动，其他条纹由中央向两边移动，条纹变疏 （４）条纹的移动

  26. 红光入射的杨氏双缝干涉照片 白光入射的杨氏双缝干涉照片

  27. 双缝间距增大条纹同两边向中心收缩： clc clear lambda=0.0005; d0=0.01; m=100; d=linspace(0,0.03,m); f=1000; N=2; y=-1000:0.1:100; x=y; h=image(x,y,255); axis([-100,100,-100,100]) title('双缝干涉观察屏上的条纹') colormap(gray(255)); set(h,'erasemode','xor') k1=1;k2=1;k3=m; for k=k1:k2:k3 L22=(pi*(d0+d(k))*y)./(lambda*sqrt(y.^2+f^2)); L2=L22+(L22==0)*eps; I=255*(sin(N*L2)./sin(L2)).^2; set(h,'xdata',x,'ydata',y,'cdata',I); drawnow pause(0.03) end

  28. 双缝间距减少条纹从中心向两边扩展： clc clear lambda=0.0005; d0=0.01; m=100; d=linspace(0.03,0,m); f=1000; N=2; y=-1000:0.1:100; x=y; h=image(x,y,255); axis([-100,100,-100,100]) title('双缝干涉观察屏上的条纹') colormap(gray(255)); set(h,'erasemode','xor') k1=1;k2=1;k3=m; for k=k1:k2:k3 L22=(pi*(d0+d(k))*y)./(lambda*sqrt(y.^2+f^2)); L2=L22+(L22==0)*eps; I=255*(sin(N*L2)./sin(L2)).^2; set(h,'xdata',x,'ydata',y,'cdata',I); drawnow pause(0.03) end

  29. 例题1：杨氏干涉的应用 已知：S2缝上覆盖 的介质厚度为h， 折射率为n ，设入 射光的波长为 问：原来的零级条纹 如何移动？若移至原 来的第 k级明条纹处，其厚度h 为多少？ 解：从S1和S2发出的相干光所对应的光程差 当光程差为零时，对应零级条纹的位置应满足： 所以零级明条纹下移

  30. 原来k级明条纹位置满足： 设有介质时零级明条 纹移到原来第k级处， 它必须同时满足： 下移的距离为: 结果

  31. 例2：在双缝干涉实验中，用钠灯作光源，其波长例2：在双缝干涉实验中，用钠灯作光源，其波长 （1） 和 两种情况下，相邻明条纹间距为多大？ （2）若相邻明条纹的最小分辨率距离为 ，能分清干涉条纹的双缝间距 最大为多少？ 屏与双缝的距离 ，求： 解：（1） （2） 干涉条纹恰可分辨，两缝间距最大

  32. 能级跃迁辐射 E2  = (E2-E1)/h 波列 E1 波列长 §1.４ 分波面双光束干涉 一．光源和机械波源的区别 机械波源中独立振源的振动在观察时间内通常是持续进 行的，位相差保持不变，一般都相干。 光辐射起源于原子。 光源的最基本发光单元是分子、原子 发光的间歇性 普通光源：自发辐射 发光的随机性

  33. 独立(不同原子发的光) 钠 光 灯A 两束光 不相干！ 钠 光 灯B · · 独立(同一原子先后发的光) 两个独立的普通光源不可能成为一对相干光源 原因：原子发光是随机的，间歇性的，两列光波的振动 方向不可能一致，位相差不可能恒定。

  34. 分波面法 分振幅法 · p S * p S* 薄膜 二．普通光源获得相干光的途径（方法） 1 分波前的方法 杨氏干涉、双缝干涉 2 分振幅的方法 等倾干涉、等厚干涉 ３ 分振动面的方法 偏振光的干涉

  35. 缝足够小 S * 1 S * S * 2 三．几种典型的分波面干涉实验 １、杨氏双缝干涉实验

  36. 英国物理学家、考古学家、 医生、光的波动说奠基人之一。 Thomas Young(1773~1829)

  37. 光栏 ２． 菲涅耳双面镜实验： 特例：两独立激光光源（或两平行光相干）

  38. 例：波长为7000埃的光源与菲涅耳双面镜的相交棱之间的距离r为20cm，棱到光屏间的距离L为180cm，所得的干涉条纹中相邻亮纹的间隔为1mm，求双面镜平面之间的夹角。例：波长为7000埃的光源与菲涅耳双面镜的相交棱之间的距离r为20cm，棱到光屏间的距离L为180cm，所得的干涉条纹中相邻亮纹的间隔为1mm，求双面镜平面之间的夹角。 解：依题意有 答：双面镜平面之间的夹角为12′。

  39. 光栏 ３ 洛埃镜实验 当屏幕 E移至E'处，从 S1和 S2到 L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。

  40. 片涂一落层感光乳胶 ４．维纳驻波实验： 驻波： 振幅相同而传播方向相反的两列简谐相干波叠加得到的振动。 入射波和反射波相遇在一起，也会发生相干迭加 而形成驻波。 在与 接触的地方无感光，即波节， 即光产生了半波损失。

  41. 屏幕 干涉区 A B 5、菲涅耳双棱镜 像 S1、S2相当于杨氏干涉中双孔，L1+L2=L,由 S 发出的光束经双棱镜分为两部分，这两部分光束交叠区就是干涉区.

  42. 双棱镜的顶角  非常小，点光源的像在其上方和下方距 S 为 a 处 . 可以证明 因此双像间距为 屏幕上条纹间距为

  43. 又因P点是未放薄膜时第N级的位置 可得： 例:在杨氏双缝实验中，用折射率n=1.58的透明薄膜盖在上缝上， 并用 的光照射，发现中央明纹向上移动了5条， 求薄膜厚度 解一：P点为放入薄膜后中央明纹的 位置

  44. 解二： 原来中央明纹： 现在中央点为第-5级明纹：

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