波动光学双缝干涉(1)

1、121717世纪世纪: :提出了两种不同的学说。提出了两种不同的学说。牛顿牛顿所主张的所主张的机械微粒说机械微粒说，光是由发光物体发出的遵循力学，光是由发光物体发出的遵循力学规律的粒子流。规律的粒子流。惠更斯惠更斯所倡导的光的所倡导的光的机械波动说机械波动说，认为光是在一种特殊的介，认为光是在一种特殊的介质（称为以太）中传播的质（称为以太）中传播的机械波。机械波。1919世纪世纪，托马斯托马斯 杨杨和和菲涅尔菲涅尔等人，发展了波动理论，证等人，发展了波动理论，证明了光的波动性及光的横波性。明了光的波动性及光的横波性。1919世纪后半期，世纪后半期，麦克斯韦麦克斯韦建立了电磁场理论，提出建立了电

2、磁场理论，提出光是一种电光是一种电磁波磁波，从而形成了以电磁波理论为基础的波动光学。，从而形成了以电磁波理论为基础的波动光学。绪论绪论1.发展史发展史32020世纪初，世纪初，电磁波动说在解释电磁波动说在解释“热幅射热幅射”及及“光电效应光电效应”等实验时遇到困难。等实验时遇到困难。 19051905年年爱因斯坦爱因斯坦在在普朗克普朗克量子假说的基础上，提出了光量子假说的基础上，提出了光量子理论，认为光是由大量以光速运动的微粒所组成的量子理论，认为光是由大量以光速运动的微粒所组成的粒子流粒子流。 19241924年年法国人法国人德布罗意德布罗意大胆地提出了大胆地提出了“物质波物质波”的概念，的

3、概念，尔后尔后薛定谔、海森伯薛定谔、海森伯等人创建了量子力学，又将二者统一起来。等人创建了量子力学，又将二者统一起来。 光是一个复杂的客体，光在某些方面的行为像光是一个复杂的客体，光在某些方面的行为像波；而另一方面像微粒（波粒二象性）。波；而另一方面像微粒（波粒二象性）。4 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，研究光学仪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。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，研究光现象基本规律。以光的波动性和粒子性为基础，研究光现象基本规律。波动光学波动光学光的波动性：研究光的传输规律及其应用的光的波动性：研究光的

4、传输规律及其应用的学科学科,包括包括:光的干涉光的干涉,衍射衍射,偏振偏振量子光学量子光学光的粒子性：研究光与物质相互作用规律及光的粒子性：研究光与物质相互作用规律及其应用的学科其应用的学科2.光学的分类光学的分类5波动光学波动光学光的干涉光的干涉光的衍射光的衍射光的偏振光的偏振分分波波阵阵面面法法单单缝缝衍衍射射X X 射射线线 的的晶 体晶 体衍衍 射射光光栅栅衍衍射射圆圆孔孔衍衍射射杨杨氏氏双双缝缝双双镜镜劳劳埃埃镜镜等倾干涉等倾干涉等厚干涉等厚干涉劈劈尖尖迈克尔逊干涉迈克尔逊干涉 (M(M1 1垂直垂直MM2 2) )迈克尔逊干涉迈克尔逊干涉(M(M1 1不垂直不垂直MM2 2) )偏

5、偏振振光光的的干干涉涉马马吕吕斯斯定定律律布布儒儒斯斯特特定定律律薄膜干涉薄膜干涉分振幅法分振幅法牛牛顿顿环环6光的干涉7本章内容Contentschapter 15相干光相干光 光程光程分波阵面干涉分波阵面干涉amplitude-splitting interference迈克耳孙干涉仪迈克耳孙干涉仪coherent light optical path Michelson interferometer wavefront-splitting interference分振幅干涉分振幅干涉8一一 光是电磁波光是电磁波)(cos0uztEEx )(cos0uztHHy 平面电磁波方程平面电磁波方

6、程19.1 光波的一般知识光波的叠加光波的一般知识光波的叠加910二二 光源光源 ( 发光的物体发光的物体 )利用化学能、电利用化学能、电能或光能激发的能或光能激发的称为冷光源，例称为冷光源，例如磷光、辉光等如磷光、辉光等光源光源普通光源普通光源热光源热光源冷光源冷光源利用热能激发的利用热能激发的光源称为热光源光源称为热光源例如火、太阳、例如火、太阳、白炽灯等；白炽灯等；激光光源激光光源不同光源的激发方式不同，其发光机理也不相同。不同光源的激发方式不同，其发光机理也不相同。11普通光源的发光机理普通光源的发光机理 hE 原子能级及发光跃迁原子能级及发光跃迁基态基态激发态激发态nE跃迁跃迁自发辐

7、射自发辐射一个原子一次发光所持续一个原子一次发光所持续的时间，约为的时间，约为10 -10 s 。普通光源发光普通光源发光特点特点：独立独立 ( 同一时刻不同原子发的光同一时刻不同原子发的光 )独立独立 ( 同一原子不同时同一原子不同时刻发的光刻发的光 ) 非相干光非相干光非相干光非相干光12光的相干条件光的相干条件P21满足相干条件的光称为满足相干条件的光称为相干光相干光。产生相干光的光源称为产生相干光的光源称为相干光源相干光源。 对于机械波，相干条件容易实现，而且干涉现象十分明对于机械波，相干条件容易实现，而且干涉现象十分明显。但是要实现光的干涉比波的干涉困难得多。显。但是要实现光的干涉比

8、波的干涉困难得多。13分割波振面分割波振面分割振幅分割振幅三三. 获得相干光的方法获得相干光的方法 利用普通光源获得相干光的方法的基本原理是，利用普通光源获得相干光的方法的基本原理是，把由光源上同一点发出的光设法分成两部分，然后再把由光源上同一点发出的光设法分成两部分，然后再使这两部分叠加起来。使这两部分叠加起来。杨氏干涉杨氏干涉薄膜干涉薄膜干涉分割振动面分割振动面偏振干涉偏振干涉 由于这两部分光实际上来自由于这两部分光实际上来自同一原子的同一次发同一原子的同一次发光光，所以它们满足相干条件，因而是相干光。，所以它们满足相干条件，因而是相干光。1415 1801年英国物理学家年英国物理学家杨氏

9、，杨氏，首先用实验方法观首先用实验方法观察到了光的干涉现象。察到了光的干涉现象。T.Young(1773-1829)一一 杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉19.2分波阵面干涉分波阵面干涉英国英国物理学家、医生和考古学家，光的物理学家、医生和考古学家，光的波动说的奠基人之一波动说的奠基人之一波动光学：波动光学：杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验生理光学：生理光学：三原色原理三原色原理材料力学：材料力学：杨氏弹性模量杨氏弹性模量考古学考古学 ：破译古埃及石碑上的文字破译古埃及石碑上的文字1619-217xk=+1k=-2k=+2k= 0k=-1I杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验S1S2S*18p1s2ssx

10、ooB实实 验验 装装 置置d1r2rdD D 、双缝干涉条纹的位置、双缝干涉条纹的位置两个子波源在两个子波源在P点引起的光振动的位相差为：点引起的光振动的位相差为：)(2)(2121rr cos22121IIIII 在在P点的合光强：点的合光强：19 2)12(12 krr即即干涉相长（干涉相长（明纹明纹）干涉相消（干涉相消（暗纹暗纹） krr 12即即21 )(2)(2121rr 2)(212 rr波程差：波程差：12rr 当当 时，时， k2 ), 2 , 1 , 0( k1)当当 时，时， )12( k), 2 , 1( k2)20p1s2ssxooBd1r2rdD D 2)12( k

11、dD暗纹暗纹 dDk x明纹明纹,2, 1 ,0kDx tansin sin12drr Dxd 2)12( k干涉干涉减弱减弱 k Dxd 干涉加强干涉加强,2,1 ,0 k,2,1 ,0 k21k=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。IO明明纹纹dDkxk 明纹位置：明纹位置：012341234k=1时：时：dDx 1 一级明纹有两条，对称分布在屏一级明纹有两条，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条，且对称分布。其它各级明纹都有两条，且对称分布。暗纹暗纹各级暗纹都有两条，对称分布在屏幕中央两侧。各级暗纹都有两条，对称分布在屏

12、幕中央两侧。dDkxk2)12( 暗纹位置：暗纹位置：22条纹间距：条纹间距：a. 相邻明纹间距：相邻明纹间距：kkxxx 1dDkdDkx )1(b. 相邻暗纹间距：相邻暗纹间距：kkxxx 1dDkdDkx2)12(21)1(2 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，dD dD 平行等距明暗相间的直条纹。平行等距明暗相间的直条纹。2)12( kdD暗纹暗纹 dDk x明纹明纹,2, 1 ,0k232. 双缝干涉条纹的特点双缝干涉条纹的特点 条纹分布条纹分布: 与缝平行的明暗相间的条纹对称分布于中心与缝平行的明暗相间的条纹对称分布于中心 o 点两侧。点两侧。 1xd

13、 条纹间距条纹间距:相邻明纹和相邻暗纹等间距，与条纹级次无关。相邻明纹和相邻暗纹等间距，与条纹级次无关。dxkD 方法一：方法一：dxD 方法二：方法二： D、d 一定时，由条纹间距可算出单色光的波长。一定时，由条纹间距可算出单色光的波长。x xD dDx 24 若两种不同波长的单色光入射，干涉若两种不同波长的单色光入射，干涉条纹会发生重叠。条纹会发生重叠。2 k1 k3 k1 k2 k3 k0 k白光白光照射时，出现照射时，出现彩色彩色条纹。条纹。25讨论讨论) 1(k条纹间距条纹间距 dDx 明暗明暗条纹的位置：条纹的位置：2)12( kdD暗纹暗纹 dDk x明纹明纹,2, 1 ,0k1

14、）条纹间距条纹间距 与与 的关系的关系 ;若若 变化变化 ，则，则 将怎样变化？将怎样变化？xDd、 一定时，一定时， 26 一定时，若一定时，若 变化，则变化，则 将怎样变化？将怎样变化？Dd、x1）272） 条纹间距条纹间距 与与 的关系如何？的关系如何？xd 一定时，一定时，D、 28干涉项干涉项*双缝干涉光强分布双缝干涉光强分布 cos22010220210EEEEE cos22121IIIII合光强合光强若若021III 2 其中其中 )2(cos420 II kI ,402)12(,0 k则则29 2345234004II光光 强强 分分 布布 图图0 dD2 dD4 dD2 dD

15、4 x )2(cos420 II kI ,402)12(,0 k30P1M2MLCd2sD1、菲涅尔双镜、菲涅尔双镜1ss二、其它分波阵面干涉二、其它分波阵面干涉312、洛埃镜、洛埃镜 半波损失半波损失 ：光从：光从光疏介质光疏介质（折射率较小、光速（折射率较小、光速较大的介质）射向较大的介质）射向光密介质光密介质（折射率较大、光速较（折射率较大、光速较小的介质）时反射光的相位较之入射光的相位突变小的介质）时反射光的相位较之入射光的相位突变了了 ， 相当于反射光与入射光之间附加了半个波长相当于反射光与入射光之间附加了半个波长的波程差，称为半波损失。的波程差，称为半波损失。1sPM2sdDPL32解解 （1） , 2, 1,0,kkdDxk 141414kkdDxxx nm5001414 kkxDd （2）mm0 . 3 dDx 例：例：以单色光垂直照射到相距为以单色光垂直照射到相距为0.2mm的双缝上，的双缝上，双缝与屏幕的垂直距离为双缝与屏幕的垂直距离为1m。1) 从第一级明纹到同侧的第四级明纹的距离为从第一级明纹到同侧的第四级明纹的距离为 7.5mm，求单色光的波长；，求单色光的波长；2) 若入射光的波长为若入射光的波