第13章光的干涉.pptx
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1、1光光学学是是研研究究光光的的传传播播以以及及它它和和物物质质相相互互作用作用问题的学科。问题的学科。光学通常分为以下三个部分:光学通常分为以下三个部分:几何光学:几何光学:以光的直线传播规律为基础,主要研以光的直线传播规律为基础,主要研究各种成象光学仪器的理论。究各种成象光学仪器的理论。波动光学:波动光学:研研究究光光的的电电磁磁性性质质和和传传播播规规律律,特特别别是干涉、衍射、偏振的理论和应用。是干涉、衍射、偏振的理论和应用。量子光学:量子光学:以以光光的的量量子子理理论论为为基基础础,研研究究光与物质相互作用的规律。光与物质相互作用的规律。2第第 13 章章 (Interference
2、 of light)光的干涉光的干涉3 可可见见光光:频频率率:3.910147.71014Hz;相相应应真真空中的波长空中的波长:77003900。不同频率的光,颜色也不同。不同频率的光,颜色也不同。红红 光光 77006200 3.91014 4.8 1014Hz 橙橙 光光 62005900 4.81014 5.1 1014Hz 黄黄 光光 59005600 5.11014 5.4 1014Hz 绿绿 光光 56005000 5.41014 6.0 1014Hz 青青 光光 50004800 6.01014 6.3 1014Hz 蓝蓝 光光 48004500 6.31014 6.7 10
3、14Hz 紫紫 光光 4500 3900 6.71014 7.7 1014Hz 表表13-1 可见光的范围可见光的范围13.1 光波的相干叠加光波的相干叠加一一.光波光波4 就能量的传输而言,光波中的电场就能量的传输而言,光波中的电场E和磁场和磁场H是同等重要的。但实验证明,引起眼睛视觉效应和是同等重要的。但实验证明,引起眼睛视觉效应和光化学效应的是光波中的电场,所以我们把光波中光化学效应的是光波中的电场,所以我们把光波中的电场强度的电场强度E称为称为光矢量光矢量(或光振动或光振动)。在波动光学中在波动光学中,光强定义为光强定义为光是种电磁波,有代表能流的玻印亭矢量光是种电磁波,有代表能流的玻
4、印亭矢量5 光是光源中的原子或分子从高能级向低能光是光源中的原子或分子从高能级向低能级跃迁时发出的。级跃迁时发出的。波列波列 v=(E2-E1)/h 波列长波列长 x=c能级跃迁辐射能级跃迁辐射E1E2 原子发出的光是一个原子发出的光是一个有限长的波列。有限长的波列。二二.光光 源源62.激光光源:激光光源:受激辐射受激辐射 =(E2-E1)/hE1 完全一样完全一样E21.普通光源:普通光源:自发辐射自发辐射独立独立(同一原子先后发的光)同一原子先后发的光)独立独立(不同原子发的光)(不同原子发的光)(传播方向,(传播方向,频率,频率,相位,相位,振动方向)振动方向)7三三.光的干涉光的干涉
5、相干条件相干条件 则在空间相遇区域就会形成稳定的则在空间相遇区域就会形成稳定的明、暗相间的明、暗相间的条纹分布条纹分布,这种现象称为,这种现象称为光的干涉光的干涉。由波动理论知由波动理论知,光矢量平行、频率相同、振幅为光矢量平行、频率相同、振幅为E1和和E2的两列光波在某处叠加后的两列光波在某处叠加后,合振动的振幅为合振动的振幅为 两束光两束光:(1)频率相同;频率相同;(2)光振动方向相同;光振动方向相同;(3)相差恒定;相差恒定;其中其中8光强正比于光矢量振幅平方光强正比于光矢量振幅平方 1.非相干叠加非相干叠加 对普通光源来说,由于原子发光是间歇的、随机对普通光源来说,由于原子发光是间歇
6、的、随机的、独立的,在观察的、独立的,在观察时间时间t内,相位差内,相位差 不能保持恒不能保持恒定定,变化次数极多变化次数极多,可取可取02间的一切可能值间的一切可能值,且机会均且机会均等,因此等,因此9非相干叠加时的光强为非相干叠加时的光强为 I=I1+I2 (且各处光强均匀分布且各处光强均匀分布)2.相干叠加相干叠加 即即合合成成光光强强在在空空间间形形成成强强弱弱相相间间的的稳稳定定分分布布。这这是相干叠加的重要特征。是相干叠加的重要特征。如果在观察如果在观察时间时间t内,相位差内,相位差 保持恒定保持恒定,则合成则合成光强为光强为10=2k,Imax=4I1,明纹明纹(加强加强)=(2
7、k+1),Imin=0,暗纹暗纹(减弱减弱)明纹明纹 暗纹暗纹=(r2-r1)=对对初相相同初相相同的两相干光源的两相干光源,有有如果如果I1=I2:光程差光程差当当11 普普通通光光源源获获得得相干光的途径相干光的途径 PS*分波面法:分波面法:分振幅法:分振幅法:P薄膜薄膜S*在在 P 点处点处 相干叠加相干叠加将将一个光源的微小部分一个光源的微小部分(视为视为点光源或线光源点光源或线光源)发出的光设发出的光设法法分成两束分成两束再使其再使其相聚相聚。12时间相干性时间相干性*由于原子发光的间歇性和随机性,不同原子发由于原子发光的间歇性和随机性,不同原子发出的光是不相干的,同一个原子不同时
8、刻发出的光出的光是不相干的,同一个原子不同时刻发出的光也是不相干的。要得到相干光,只有将一个原子一也是不相干的。要得到相干光,只有将一个原子一次发出的光次发出的光(一个波列一个波列)分为两束再使其相聚。分为两束再使其相聚。显然,要产生相干,两束光的光程差就必须小显然,要产生相干,两束光的光程差就必须小于一个波列长度,即于一个波列长度,即相干长度相干长度。时间相干性的好坏,就是用相干长度或者时间相干性的好坏,就是用相干长度或者相干相干时间时间(波列延续时间)的长短来衡量。(波列延续时间)的长短来衡量。波列长波列长 x=c t13 根据光学理论,对于单色光而言,其相根据光学理论,对于单色光而言,其
9、相干长度满足:干长度满足:d,r1+r2 2D,于是于是s*s2s1poDdr2r1xxK=0K=-1K=1K=2K=-2 明纹明纹 暗纹暗纹21k=0,1,2,分别称为第一级、第二级暗纹等等。分别称为第一级、第二级暗纹等等。k为干涉条纹的为干涉条纹的级级次。明纹坐标为次。明纹坐标为 k=0,1,2,依次称为零级、第一级、第二级明依次称为零级、第一级、第二级明纹等等。零级亮纹纹等等。零级亮纹(中央亮纹中央亮纹)在在x=0处。处。暗纹,暗纹,k=0,1,2,.明纹,明纹,k=0,1,2,.明纹明纹 暗纹暗纹22条纹特征:条纹特征:(1)干涉条纹是平行双缝的直线条纹。中央为零干涉条纹是平行双缝的直
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