哈工大大学物理马文蔚教材第17章波动与光学光的干涉ppt课件

1、 第十七章第十七章 动摇光学动摇光学以直线传播为根底折射、反射定律以直线传播为根底折射、反射定律物理光学物理光学动摇光学：动摇光学： 以麦克斯韦电磁实际为根底，以麦克斯韦电磁实际为根底，光的干涉、衍射、偏振光的干涉、衍射、偏振量子光学：量子光学： 以量子力学为根底，以量子力学为根底，光与物质作用光与物质作用现代光学现代光学非线性光学非线性光学激光光谱学激光光谱学信息光学信息光学全息术全息术光纤通讯光纤通讯集成光学集成光学统计光学统计光学.几何光学：几何光学：光的电磁实际光的电磁实际光矢量：光矢量： E1. 1. 光强光强可见光：可见光：nmnm760390HzHz1414109 . 3106

2、. 7波长：波长：频率：频率：光强光强200021EHESI220AEI光是一定波段的电磁波光是一定波段的电磁波2. 2. 光谱曲线光谱曲线图图 谱线及其宽度谱线及其宽度谱线宽度谱线宽度3. 3. 光波的描画光波的描画理想的单色光场波函数理想的单色光场波函数 rtrAtrEcos, 光场振幅分布:rA 0:设原点光场相位分布r单色光单色光准单色光准单色光光谱曲线光谱曲线 谱线谱线220I20I波长波长强度强度 rtrAtrEcos, tiritierEeerA rtierAtrE, )(rierArE复振幅复振幅: :复数表达式复数表达式1) 单色平面波单色平面波: cos,0rktAtrE

3、0rkieArE2) 单色发散球面波单色发散球面波: cos,0rktrAtrE 0rkierArE光光 强强 : : *rErErI1. 1. 光波叠加原理光波叠加原理服从波的独立传播原理服从波的独立传播原理, , 多列波交叠区有多列波交叠区有: : ,21trEtrEtrE条件条件: : 介质是线性的介质是线性的, , 光波服从叠加原理光波服从叠加原理2. 2. 光的干涉光的干涉 cosAt , rE:s01111111rkt cosAt ,rE:s02222222rkt17-1 17-1 相关光相关光P*2r*2s1s1r222AI 211AI cosAt , rE:s0111111rk

4、t cosAt ,rE:s0222222rkt相关波相关波频率一样频率一样振动方向一样振动方向一样有恒定相位差有恒定相位差cos2212221AAAAA1210202rr 相位差相位差cos22121IIIII合振幅合振幅光的强度或明暗在空间非均匀的稳定分布光的强度或明暗在空间非均匀的稳定分布- 光的干涉光的干涉从普通光源获得相关光方法从普通光源获得相关光方法: :分波前法分波前法分振幅法分振幅法分振动面法分振动面法3. 3. 获得相关光方法获得相关光方法普通光源的发光特点普通光源的发光特点: :1) 1) 一个原子每一次发光只能发出一个波列一个原子每一次发光只能发出一个波列2) 2) 原子的

5、发光是断续的原子的发光是断续的3) 3) 各原子的各次发光是完全相互独立的各原子的各次发光是完全相互独立的 两个普通光源或同一普通光源的不同部两个普通光源或同一普通光源的不同部分所发出的光是不相关的分所发出的光是不相关的17-2 17-2 杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验 双镜双镜 劳埃德镜劳埃德镜一一 杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验 实验安装实验安装分波阵面干涉分波阵面干涉 杨氏干涉条纹杨氏干涉条纹P点光强点光强cos22121IIIIIxDdII20cos4122rr dD S1 S1 和和 S2 S2 振动方向一样振动方向一样, , 相位一样相位一样021III频率一样频率一样xDd2

6、)cos1 (20 I2cos420 I极大k2极小）（12 ksin12drrdtgDxd极大k极小）（212kDxkd 光强极大极小交替出现光强极大极小交替出现, , 构成明暗相间、等亮度、等间距的条纹构成明暗相间、等亮度、等间距的条纹. .明纹中心明纹中心: :暗纹中心暗纹中心: :(21)2Dxkd dDx 0,1,2k 条纹间距条纹间距( (亮亮或暗暗亮亮或暗暗) )xDdIII200cos42cos41,2k sin12drrdtgDxd极大k极小）（212k. 4 非定域干涉.,. 3分辨率高大小 xd ,. 2其它为彩色中央亮条纹仍是白的白光照射.,. 1确定光波波长测已知xd

7、D讨论讨论:Dxkd 光强极大极小交替出现光强极大极小交替出现, , 构成明暗相间、等亮度、等间距的条纹构成明暗相间、等亮度、等间距的条纹. .明纹中心明纹中心: :暗纹中心暗纹中心: :(21)2Dxkd dDx 0,1,2k 条纹间距条纹间距( (亮亮或暗暗亮亮或暗暗) )xDdIII200cos42cos41,2k 二二 菲涅耳双棱镜、双面镜和劳埃德镜菲涅耳双棱镜、双面镜和劳埃德镜图图 菲涅耳双面镜菲涅耳双面镜图图 劳埃德镜劳埃德镜图图 菲涅耳双棱镜菲涅耳双棱镜暗纹暗纹为什么？为什么？半波损失！半波损失！* *三三 非单色性对干涉条纹的影响光场的非单色性对干涉条纹的影响光场的时间相关性时

8、间相关性1. 干涉条纹可见度干涉条纹可见度(衬度衬度)定义定义:条纹最清晰时当10minIminmaxminmaxIIII., 0maxmin光强均匀分布条纹消失时当II准单色光：准单色光： 中心波长为中心波长为 谱线宽度为谱线宽度为干涉条纹消逝的位置：干涉条纹消逝的位置： 波长为波长为 +/2 成分的成分的第第 k 级明纹与波长为级明纹与波长为 -/2 成分的第成分的第 k+1级级明纹重合的位置。明纹重合的位置。相关长度相关长度) 1(22kkM2M k2. 2. 非单色性对干涉条纹的影响非单色性对干涉条纹的影响 nm150白光白光mL3104L与与m710同数量级同数量级He-Ne激光激光

9、长长单色性好单色性好相关长度相关长度2M波列长度波列长度 LLM相关时间相关时间 时间相关性：时间相关性： 光源在同一时辰发的光分为两束后又先后到达某一察光源在同一时辰发的光分为两束后又先后到达某一察看点，只需这先后到达的时差小于某一值时才干在察看点，只需这先后到达的时差小于某一值时才干在察看点产生干涉。看点产生干涉。uLcL00光源宽度对干涉条纹影响光源宽度对干涉条纹影响 - - 光场的空间相关性光场的空间相关性* *四四 光源大小对干涉条纹的影响光场的光源大小对干涉条纹的影响光场的空间相关性空间相关性 带光源双缝干涉的强度分布曲线带光源双缝干涉的强度分布曲线Bbd 0:02211rLSrL

10、SL 设光源上边缘处线光源设光源上边缘处线光源 L产生的中央条纹产生的中央条纹 0L与下与下边缘处线光源边缘处线光源N 产生的第一级亮纹产生的第一级亮纹 1N 重合。重合。2211:1rNSrNSN空间相关性：空间相关性： 具有一定宽度的普通光源发出的光波，要使其具有一定宽度的普通光源发出的光波，要使其波面上的两点波面上的两点 S1 S1 和和 S2 S2作为次波源能发生干涉景象，这作为次波源能发生干涉景象，这两点之间的间隔必需小于某一值。两点之间的间隔必需小于某一值。2211NSLSLSNS)( 221NSNS12QSdQS1Bbd2Bbd2相关间隔相关间隔 d0 ：干涉条纹刚好消逝时，：干

11、涉条纹刚好消逝时，S1 和和 S2 之间的间隔之间的间隔bBd 0bBdsBbd 最大张角最大张角 s s ：S1 S1 和和 S2 S2 对光源对光源 S S 的中心所张的的中心所张的角角siiisnL17-3 17-3 光程光程 薄膜干涉薄膜干涉光程光程: :- 光所经过的介质的折光所经过的介质的折射率射率 ni 与相应的几何路与相应的几何路程程 si 乘积乘积.Q光速光速1n1s1u2s3u3n3s2u2nnnnsnuP几何间隔几何间隔21122112222rrrkrk1122rnrn光程差光程差: :2n2r1n1r2s1sP相位差相位差: :0201设11222rnrn cosAt

12、, rE:s0111111rkt cosAt ,rE:s0222222rkt22/n11/n光程差相差2一一 光程光程k212 k21AAA21AAA加强加强减弱减弱 ( k = 0 1 2) 加强和减弱的条件加强和减弱的条件: :相位相位: :k212k21AAA21AAA加强加强减弱减弱 ( k = 0 1 2) 光程差光程差: :2亮点亮点薄透镜，近轴光线：薄透镜，近轴光线：透镜不产生附加光程差透镜不产生附加光程差普通在透镜前找光程差普通在透镜前找光程差fSS1S20Pxfxddtgdsindk亮亮2) 12(k暗暗kdfk2) 12(dfk 亮亮暗暗条纹间距条纹间距dfx 二二 透镜不

13、引起附加的光程差透镜不引起附加的光程差 分振幅干涉分振幅干涉 定域干涉定域干涉 点光源非定域干涉点光源非定域干涉 扩展光源的定域干涉扩展光源的定域干涉bS,时当b0SSbP薄膜干涉薄膜干涉三三 薄膜干涉薄膜干涉n2 n1两相关光的光程差两相关光的光程差2sin222122inne k2)12(k亮纹亮纹暗纹暗纹 2 1，k 2 1 , 0，k当当 e、n2、n1 确定，确定，那么一样入射角的入射光线有一样光程差。那么一样入射角的入射光线有一样光程差。它们在透镜焦平面上构成同一级条纹，称等倾干涉。它们在透镜焦平面上构成同一级条纹，称等倾干涉。2)(12adnbcabn2sincossin2cos

14、212ienen2sincossin2cos222enen2cos22ensinsin21nin由由四四 等倾干涉等倾干涉 等倾干涉条纹等倾干涉条纹1) 1) 增透膜增透膜对某一特定波长对某一特定波长 ，反，反射干涉相消，透过相长。射干涉相消，透过相长。 43, 4ne2) 2) 高反膜高反膜 对某一特定波长使反射率大大对某一特定波长使反射率大大加强，透射率相应减少。加强，透射率相应减少。增透膜、多层膜增透膜、多层膜3) 3) 干涉滤光层干涉滤光层 多层膜可使从白光中获得特定多层膜可使从白光中获得特定波长范围的光。波长范围的光。50. 1n玻璃38.12nMgFZnS2MgFZnS2MgFZnS2MgF玻璃一一 劈尖劈尖22nek)21(k亮纹亮纹暗纹暗纹 2 1，k 2 1 , 0，k讨论：讨论： 123e 一样的条纹在同一级上，称为等厚干涉一样的条纹在同一级上，称为等厚干涉e=0 的棱边处，是暗纹，这是半波损失一例证。的棱边处，是暗纹，这是半波损失一例证。恣意相邻明暗纹间距为恣意相邻明暗纹间距为 L LnneL2sin2sinneeekk21劈尖干涉劈尖干涉17-4 17-4 劈尖牛顿环劈尖牛顿环二二 牛顿环牛顿环1) 干涉图样：内疏外密中心为暗点的圆环。干涉图样：内疏外密中心为暗点的圆环。2明