波的叠加与干涉

第一页，共七十一页，2022年，8月28日第一节波的叠加与干涉一、波的描述1、光波是矢量电磁横波2、满足傍轴条件时，以标量波描述光波第二页，共七十一页，2022年，8月28日二、波的叠加原理1、内容当两列波同时存在时，在它们的交叠区内每点的振动都是各列波单独存在时产生的振动的合成。2、分析（1）波的独立传播（2）线性介质与非线性介质同频率：不同频率：第三页，共七十一页，2022年，8月28日三、两个点波源的干涉1、两列波迭加后的强度（1）频率不同的两列波的叠加结论：强度随时间和空间发生变化，形成光学拍。形成强度（2）同频率的两列波的叠加如果相位差与时间有关呢？结论：强度随着相位差的变化而出现周期性的变化，这种现象称为光的干涉。第四页，共七十一页，2022年，8月28日2、干涉强度讨论（1）相位差变化的影响（3）干涉的条件：两列波频率相同，振动几乎在同一方向，相位差不随时间改变。（2）光程差变化的影响亮条纹暗条纹亮条纹暗条纹第五页，共七十一页，2022年，8月28日第六页，共七十一页，2022年，8月28日第七页，共七十一页，2022年，8月28日第二节杨氏实验光场的空间相干性一、杨氏双缝干涉实验1、实验装置及干涉图样第八页，共七十一页，2022年，8月28日2、实验分析初始相位差：光程差：S1S2OPP0rr1r2DθθΔθdNSR1R2Rx若初相位差为零则相位差为：中央亮纹的光程差、相位差？第九页，共七十一页，2022年，8月28日1、各级亮条纹的光强相等，相邻亮条纹或相邻暗条纹都是等间距的，且与干涉级无关。条纹是有宽度的，该如何划分度量间距的起始和终止点？2、波长一定时，干涉条纹间距的大小与光源和光屏的距离成正比，与光源间距成反比。总结第十页，共七十一页，2022年，8月28日3、当以白光入射时，除中央亮纹为白色外其余均为彩色条纹。4、干涉图样体现了参与相干叠加的光波间相位差的空间分布。5、分波面干涉的关键在于找到两个相干光源。第十一页，共七十一页，2022年，8月28日二、干涉条纹的移动2、产生移动的原因光源的移动装置结构的改变光路中介质的变化1、条纹移动的衡量固定一点，计算移动的条纹数：以中央亮纹的移动衡量光源移动时整个条纹的移动：S1S2OPP0rr1r2DθθΔθdNSR1R2Rx第十二页，共七十一页，2022年，8月28日光的干涉一、杨氏双缝干涉2ass1s2PODx光程差为：r1r2两明纹（或暗纹）中心间距：条纹形状：明暗相间、等间距、直条纹第十三页，共七十一页，2022年，8月28日动画演示（1）2ass1s2PODxr1r2影响条纹宽度的因素：（1）双缝间距第十四页，共七十一页，2022年，8月28日2ass1s2PODxr1r2影响条纹宽度的因素：（1）双缝间距动画演示（1）第十五页，共七十一页，2022年，8月28日2ass1s2PODxr1r2影响条纹宽度的因素：（1）双缝间距动画演示（1）第十六页，共七十一页，2022年，8月28日2ass1s2PODxr1r2影响条纹宽度的因素：（2）屏与缝间距动画演示（1）第十七页，共七十一页，2022年，8月28日2ass1s2PODxr1r2影响条纹宽度的因素：（2）缝与屏间距动画演示（1）第十八页，共七十一页，2022年，8月28日2ass1s2PODxr1r2影响条纹宽度的因素：（2）缝与屏间距动画演示（1）第十九页，共七十一页，2022年，8月28日2ass1s2PODxr1r2影响条纹宽度的因素：（3）光波的波长动画演示（1）第二十页，共七十一页，2022年，8月28日2ass1s2PODxr1r2影响条纹宽度的因素：（3）光波的波长动画演示（1）第二十一页，共七十一页，2022年，8月28日2ass1s2PODxr1r2影响条纹宽度的因素：（3）光波波长动画演示（1）第二十二页，共七十一页，2022年，8月28日影响条纹宽度的因素：（3）光波的波长2ass1s2PODxr1r2动画演示（1）第二十三页，共七十一页，2022年，8月28日讨论（1）1、在杨氏双缝实验中，照射光的波长增大，同时双缝间的距离变小，则干涉条纹：（A）变密；（B）变疏；（C）不变；（D）不能确定。正确答案：（B）关于杨氏双缝干涉第二十四页，共七十一页，2022年，8月28日2、在杨氏双缝实验中，若用折射率为n的薄玻璃片将上面的缝盖上，则此时中央明条纹的位置与原来相比应：（A）上移；（B）下移；（C）不动；（D）不能确定。正确答案：（A）第二十五页，共七十一页，2022年，8月28日动画演示（2）2ass1s2PODxr1r2在缝后加一薄玻璃片，观察条纹的移动。第二十六页，共七十一页，2022年，8月28日动画演示（2）2ass1s2PODxr1r2薄玻璃片盖住上缝时：则条纹上移第二十七页，共七十一页，2022年，8月28日动画演示（2）2ass1s2PODxr1r2薄玻璃片盖住下缝时：则条纹下移第二十八页，共七十一页，2022年，8月28日3、在杨氏双缝实验中，若将光源向下移动，则此时中央明条纹的位置与原来相比应：（A）上移；（B）下移；（C）不动；（D）不能确定。正确答案：（A）第二十九页，共七十一页，2022年，8月28日动画演示（3）2ass1s2PODxr1r2上下移动光源时，观察条纹的移动。第三十页，共七十一页，2022年，8月28日动画演示（3）2ass1s2PODxr1r2向下移动光源时，则：第三十一页，共七十一页，2022年，8月28日动画演示（3）2ass1s2PODxr1r2条纹上移向下移动光源时，则：第三十二页，共七十一页，2022年，8月28日动画演示（3）2ass1s2PODxr1r2向上移动光源时，则：第三十三页，共七十一页，2022年，8月28日动画演示（3）2ass1s2PODxr1r2向上移动光源时，则：第三十四页，共七十一页，2022年，8月28日动画演示（3）2ass1s2PODxr1r2向上移动光源时，则：条纹下移第三十五页，共七十一页，2022年，8月28日4、用白光光源进行杨氏双缝实验，若用一个纯红色的滤光片遮盖的一条缝，用一个纯蓝色的滤光片遮盖另一条缝，则：（A）干涉条纹的宽度将发生变化；（B）产生红光和蓝光的两套彩色干涉条纹；（C）干涉条纹的亮度将发生变化；（D）不产生干涉条纹。正确答案：（D）第三十六页，共七十一页，2022年，8月28日三、其它干涉装置1、菲涅尔双镜和双棱镜第三十七页，共七十一页，2022年，8月28日第三十八页，共七十一页，2022年，8月28日2、劳埃德镜第三十九页，共七十一页，2022年，8月28日四、光源宽度对干涉条纹衬比度的影响1、干涉条纹的衬比度优良的干涉条纹图样是：黑暗的背景上细锐的亮条纹。2、扩展光源宽度与干涉条纹的衬比度zyx第四十页，共七十一页，2022年，8月28日光源的极限宽度：第四十一页，共七十一页，2022年，8月28日1、半波损失是两个以上光波的比较。2、在掠射和垂直入射的情况下，反射光相对于入射光存在半波损失。3、折射光和入射光相比较，不存在半波损失。半波损失/额外程差：在两种介质的界面上，光波的相位发生π的突变，即产生半个波长的额外光程差的现象。关于半波损失（额外程差）4、光束由光疏质射向光密质时，在掠射和垂直入射时会发生半波损失。5、当分振幅干涉时，两束相干光性质不同时会产生半波损失。折射率顺变无，异变有。第四十二页，共七十一页，2022年，8月28日菲涅尔公式As1Ap1A’s1A’p1Ap2As2i1i2i’1第四十三页，共七十一页，2022年，8月28日菲涅尔公式应用分析光束由光疏质射向光密质时，在掠射和垂直入射时会发生半波损失。++—++++—n1n2n1<n2第四十四页，共七十一页，2022年，8月28日第三节薄膜干涉（一）—等厚干涉一、单色点光源所引起的等厚干涉条纹n1n1n2sc’hABCDn1n1n2acc1a11、光程差相长相消第四十五页，共七十一页，2022年，8月28日2、花样特点（1）不同的入射点对应相同的入射角，由于厚度不同形成了形成平行于尖劈棱的直线条纹，称为等厚干涉条纹。（2）厚度越大的点干涉级数越高，零级条纹在尖劈的棱处。（3）当采用正入射方式，即入社光和反射光处处都与薄膜表面垂直时：α△h△x第四十六页，共七十一页，2022年，8月28日二、牛顿环显微镜SLM半透半反镜T1、实验装置第四十七页，共七十一页，2022年，8月28日反射牛顿环亮条纹半径为：rRh2、干涉图样分析反射牛顿环中心（△L=λ/2）为暗。第四十八页，共七十一页，2022年，8月28日透射光牛顿圈半径：透射牛顿环中心是亮的还是暗的？第四十九页，共七十一页，2022年，8月28日第四节薄膜干涉（二）—等倾干涉一、单色点光源引起的干涉现象s’n1sL1L2aba1b1a2b2c1c2d1d2n1n2ABCh第五十页，共七十一页，2022年，8月28日ABDCC’i1i21、光程差------干涉相长------干涉相消n1n2无穷远的图样怎么看？干涉级高在外圈还是内圈？第五十一页，共七十一页，2022年，8月28日（1）离干涉中心越远，条纹越密集。2、干涉图样分析（2）薄膜越厚，条纹越密集。（3）离干涉中心越远，条纹级数越低。当厚度连续增大，条纹不断冒出；当厚度连续减小，条纹不断缩陷。当冒出N条条纹，厚度变化多少？第五十二页，共七十一页，2022年，8月28日薄膜色：它是混合色不是单色。注意与单色的彩色相互区分。当薄膜很厚时，光程差等于半个波长，总是发生干涉相消。第五十三页，共七十一页，2022年，8月28日第五节迈克尔孙干涉仪光场的时间相干性一、迈克尔孙干涉仪M1M2M’2sAab1、实验装置第五十四页，共七十一页，2022年，8月28日第五十五页，共七十一页，2022年，8月28日2、干涉图样特点（1）干涉中不存在半波损失。（2）当M1和M2的像平行时为等倾干涉；当M1和M2的像有夹角时为等厚干涉。（3）当用白光光源时，只在h=0时,中央条纹是白色的,其他条纹都是彩色。（4）当为等倾干涉时，移动M1使‘空气薄膜’的厚度改变，整个同心圆形的干涉条纹也发生移动。问题：干涉条纹减少一个，M1怎么移动，移动多少？第五十六页，共七十一页，2022年，8月28日第五十七页，共七十一页，2022年，8月28日第五十八页，共七十一页，2022年，8月28日第五十九页，共七十一页，2022年，8月28日3、光源的非单色性对干涉条纹的影响（1）双线结构使条纹衬比度随光程差做周期性变化II△L△L△Lγ1衬比度的空间周期：空间频率：第六十页，共七十一页，2022年，8月28日（2）单色线宽使条纹衬比度随光程差单调下降衬比度随光程差的增大而减小到零。最大光程差当光程差超过最大光程差时，干涉条纹的衬比度达到零，条纹不可见。5、精密测长与长度的自然基准第六十一页，共七十一页，2022年，8月28日二、光场的时间相干性问题：在光源的波场中，沿波线相距多远的两点是相干的？相干长度：发光持续时间1、光源向外发射的是有限长的波列，波列的长度是由于原子发光的持续时间和传播速度所确定的。2、干涉的必要条件是两光波在相遇点的光程差应小于波列的长度，即波列长度至少应等于最大光程差。两列波不能相干两列波部分相干两列波完全相干第六十二页，共七十一页，2022年，8月28日实例：白光的波列长度与波长同一数量级；钠光灯发射光波的波列长度约为0.058cm；氦氖激光器发射的激光的波列长度可达几百公里。实例说明了什么？3、光波场的时间相干性是和光源的单色性紧密相关的。为什么？4、波列是沿光的传播方向通过空间固定点的，所以时间相干性是光场的纵向相干性。5、光场的横向相干性是指光场的空间相干性。第六十三页，共七十一页，2022年，8月28日第六节多光束干涉法布里—珀罗干涉仪一、多光束干涉的强度分布公式1、反射率和透射率振幅反射率r：反射光与入射光复振幅之比。振幅透射率t：透射光与入射光复振幅之比。强度反射率R：反射光与入射光强度之比。强度透射率T：透射光与入射光强度之比。r，t：膜外到膜内；r’，t’：膜内到膜外。第六十四页，共七十一页，2022年，8月28日hnn1n2AArAtAtrAtr’t’AtrrAtt’Atr’r’t’121’2’多光束干涉强度：第六十五页，共七十一页，2022年，8月28日2、多光束干涉强度分析（以等倾干涉为例）（1）反射光的干涉花样和透射光的干涉花样互补。（2）干涉强度大小受强度反射率影响，但是强度极值位置由相位差确定。（3）当R<<1时，反射光干涉花样的衬比度接近1，透射光干涉花样衬比度很小。但是可以忽略前几束反射光后的干涉。当R很大时，反射光干涉条纹的锐度