第20章 光的干涉

1、第第4 4篇篇 光学光学 第第2020章章 光的干涉光的干涉自古以来神奇的光一直吸引着人们：自古以来神奇的光一直吸引着人们： 光是什么？是粒子、是波、是能量？光怎样从物质中光是什么？是粒子、是波、是能量？光怎样从物质中发出？又怎样成为物质的一部分？光速为什是宇宙物质运发出？又怎样成为物质的一部分？光速为什是宇宙物质运动的极限？动的极限？有些科学已作了回答，有些还在争论不有些科学已作了回答，有些还在争论不休。但人们一直在研究它，已带来了物理学一场又一场的休。但人们一直在研究它，已带来了物理学一场又一场的革命！革命！光学光学 几何光学几何光学物理光学物理光学 波动光学波动光学量子光学量子光学 光的

2、干涉光的干涉光的衍射光的衍射光的偏振光的偏振第第4 4篇篇 光学光学 第第2020章章 光的干涉光的干涉 双缝干涉是历史上双缝干涉是历史上第一次第一次观察观察到的光的干涉现象的实验。该实验到的光的干涉现象的实验。该实验标志着光的波动说的开端。标志着光的波动说的开端。早期装置早期装置改进装置改进装置第第20章章 光的干涉光的干涉20.1 杨氏双缝干涉实验：杨氏双缝干涉实验：第第4 4篇篇 光学光学 第第2020章章 光的干涉光的干涉一一. 相干光源及获得方法：相干光源及获得方法：1. 光（可见光）光（可见光）颜色分布：颜色分布：光是电磁波，具有波动特征光是电磁波，具有波动特征(干涉、衍射特征干涉

3、、衍射特征)波长范围：波长范围：4000 7600A紫紫蓝蓝青青绿绿黄黄橙橙红红A4000 A7600 A5700 A6000 A6300 A4500 A5000 A4300 为光矢量为光矢量E光振动方向相同频率相同，周相相同光振动方向相同频率相同，周相相同或周相差恒定的两列光波在空间相遇。或周相差恒定的两列光波在空间相遇。两束相干光在空间相遇，形成稳定的两束相干光在空间相遇，形成稳定的明暗条纹分布的现象叫光的干涉象。明暗条纹分布的现象叫光的干涉象。 光的干光的干 涉条件：涉条件： 光的干光的干 涉现象：涉现象：相干光相干光相干条件相干条件相干光源相干光源 第第4 4篇篇 光学光学 第第202

4、0章章 光的干涉光的干涉2. 普通光源（热）发光的复杂性和形成干涉的困难：普通光源（热）发光的复杂性和形成干涉的困难：(1)(1)普通光源的发光本质：普通光源的发光本质：每一次发光是一有限长度一定每一次发光是一有限长度一定频率和振动方向的一个波列。频率和振动方向的一个波列。各原子或分子发光具有独立性各原子或分子发光具有独立性 原子或分子发光具有间歇性原子或分子发光具有间歇性)(s810 s8010 Hz1410 smc/1038 00 cl(基态基态)n=1n=2n=3n=4 h即使是同一原子的两次发光其频率、振动方向及周相也不一定即使是同一原子的两次发光其频率、振动方向及周相也不一定相同，我

5、们看到的光是巨多波列的宏观效果，各波列千差万别。相同，我们看到的光是巨多波列的宏观效果，各波列千差万别。(2)(2)产生干涉产生干涉 现象的困难：现象的困难：同一光源同一光源 的两部分的两部分 两相两相同光源同光源 pp现象：只是强度的简单迭加。现象：只是强度的简单迭加。第第4 4篇篇 光学光学 第第2020章章 光的干涉光的干涉3. 获得相干光的方法：获得相干光的方法：把点光源或缝光源的同一部分把点光源或缝光源的同一部分发光分成两部分，然后再迭加。发光分成两部分，然后再迭加。(2) 激光：是具有单色性、方向性、相干性都很好的强光。激光：是具有单色性、方向性、相干性都很好的强光。1. 实验装置

6、：实验装置： (1) 基本方法：基本方法：分振幅法。分振幅法。分波阵面法；分波阵面法；1s2sdxD1r2rI xos由于由于s1和和s2是同一波阵面是同一波阵面上的两部分上的两部分,满足相干条件满足相干条件分波阵面法分波阵面法二二. 杨氏双缝干涉实验：杨氏双缝干涉实验：(1801年）DxDd 条件：条件：第第4 4篇篇 光学光学 第第2020章章 光的干涉光的干涉在在屏幕屏幕上看到以中央为明纹，且上下对上看到以中央为明纹，且上下对称的明暗相间的干涉条纹。称的明暗相间的干涉条纹。2. 实验现象：实验现象：2r 1s2s1rd s1、s2 到到 x点的波程差：点的波程差：12rr tg sinx

7、Dd 4 3 21k 3 21 0k xdDo1r2r x 1s2s二级明纹二级明纹一级明纹一级明纹中央明纹中央明纹 当：当： 时，时，dD sind Dxtg k 2)12( k第第4 4篇篇 光学光学 第第2020章章 光的干涉光的干涉明纹位置：明纹位置：暗纹位置：暗纹位置：21k2dDx )( kdDx 相邻明（暗）条纹间距：相邻明（暗）条纹间距： dDxxxk1k 说明：说明：（干干涉涉现现象象显显著著）、，当当： x dDdDx 1(2) 用白光照射：中央为白色条纹，两侧为由紫到红用白光照射：中央为白色条纹，两侧为由紫到红 的彩色条纹。的彩色条纹。式中式中号表示条号表示条纹具有对称性

8、。纹具有对称性。，可可计计算算出出、测测出出、已已知知 xD d(1)第第4 4篇篇 光学光学 第第2020章章 光的干涉光的干涉三三. 介绍同期另三个著名实验：介绍同期另三个著名实验：1. 菲涅耳双棱镜实验：菲涅耳双棱镜实验：2. 菲涅耳双面镜实验：菲涅耳双面镜实验：dH1s2ssdD2b2a1b1a菲涅耳菲涅耳(法法)1788-1827sL1M2Mc2s1sD第第4 4篇篇 光学光学 第第2020章章 光的干涉光的干涉 ssDdM3. 洛埃镜实验：洛埃镜实验：H，点点0 xDdP 应该是明纹。应该是明纹。 但实际却是暗纹！但实际却是暗纹！该实验证明：该实验证明：光也具有半波损失！光也具有半

9、波损失！HHHP第第4 4篇篇 光学光学 第第2020章章 光的干涉光的干涉四四. 光程和光程差：光程和光程差：)(1212rr2 两束相干光两束相干光)(12 相干波在某点相遇时产生的相干波在某点相遇时产生的周相差，周相差，不仅不仅与波程差有与波程差有关关，还与还与光经历的光经历的媒质有关媒质有关( )，为使研究问题方便提出，为使研究问题方便提出光程和光程差的概念。光程和光程差的概念。n 1. 光程：光程：例：例：1s2r1r2n1n2sp二光程之差为光程差二光程之差为光程差)( 1122rnrn 光在媒质中传播的几何路程与光在媒质中传播的几何路程与媒质折射率之积称光程。媒质折射率之积称光程

10、。)( rn22rn11rn第第4 4篇篇 光学光学 第第2020章章 光的干涉光的干涉2. 光程差与相位差的关系：光程差与相位差的关系：由光的折射定律：由光的折射定律：二光源到二光源到P点的周相差：点的周相差：r2n nc nTncTn 光在媒质中传播，周相落后值为：光在媒质中传播，周相落后值为：又因为：又因为：Tn 1111221rnrn 2222222rnrn 上图：上图： 2rnrn21122 )(真空：光速为真空：光速为 ，波长为波长为 。 c 媒质：光速为媒质：光速为 ，波长为，波长为 。n 设：设： 第第4 4篇篇 光学光学 第第2020章章 光的干涉光的干涉 2 即即：两相干光

11、的周相差，可用其在真空中的两相干光的周相差，可用其在真空中的波长和在不同媒质中的光程差来表示。波长和在不同媒质中的光程差来表示。显然当：显然当： 3 2 1 0k 3 2 1 0k 用光程差表示：用光程差表示： 3 2 1 0k 3 2 1 0k 3. 使用透镜不产生附加光程差：使用透镜不产生附加光程差：ff（明纹条件）（明纹条件）（暗纹条件）（暗纹条件）（暗纹条件）（暗纹条件）（明纹条件）（明纹条件） k2) 12( k 2 k2 ) 12( k第第4 4篇篇 光学光学 第第2020章章 光的干涉光的干涉本次课学习图解本次课学习图解1.基本基本 规律规律2. 同期著同期著 名实验名实验3.

12、光程差：光程差：杨氏杨氏双缝双缝实验实验 原理图：原理图：明暗纹条件：明暗纹条件： xDd k 2)12( k明纹明纹暗纹暗纹1. 菲涅耳双棱镜实验菲涅耳双棱镜实验2. 菲涅耳双面镜实验菲涅耳双面镜实验3. 洛埃镜实验：半波损失条件洛埃镜实验：半波损失条件 k2) 12( k 2 k2 ) 12( k明暗纹位置分布、条纹间距明暗纹位置分布、条纹间距 用相位差表达用相位差表达的明暗纹条件的明暗纹条件用光程差表达用光程差表达的明暗纹条件的明暗纹条件相干条件：相干条件：第第4 4篇篇 光学光学 第第2020章章 光的干涉光的干涉试问：试问：例例 1. 有一杨氏双缝干涉装置，如图所示，有一杨氏双缝干涉

13、装置，如图所示，当双缝中当双缝中S2 用一透明媒质插入时，分析条纹变化用一透明媒质插入时，分析条纹变化?当单缝当单缝S相对相对S1 S2 作相对移动，分析条纹变化作相对移动，分析条纹变化?n解解: (1)SS2S1PO 重点问题重点问题11 杨氏双缝实验的光程差问题杨氏双缝实验的光程差问题SS通过通过S S1 1 的光程变的光程变小，中央明纹位置下小，中央明纹位置下移，以保持移，以保持=0=0。观。观察察o o点，当点，当SS时，出时，出现明现明暗暗明条纹变明条纹变化。化。N次则：次则： N 一次改变：一次改变： 第第4 4篇篇 光学光学 第第2020章章 光的干涉光的干涉(2) 插入介质，使插入介质，使S2光程增大，光程增大， 中央明纹下移。中央明纹下移。)(1ndN n nSS2S1PO 重点难点问题重点难点问题22 杨氏双缝实验问题的计算杨氏双缝实验问题的计算以单色光照射到相距为以单色光照射到相距为0.20.2mm 的双缝上，双缝的双缝上，双缝与屏的垂直距离为与屏的垂直距离为1 1m。试求：。试求： 从第一级明纹到同侧第四级明纹间的距离从第一级明纹到同侧第四级明纹间的距离 为为7.57.5mm，求单色光波长求单色光波长? ?例