光学2-1.ppt

* * 第二章 光的干涉 §2.1概述 §2.2光波的叠加和干涉 §2.3分波前干涉---杨氏干涉实验 §2.4其他分波前干涉装置 §2.5分振幅干涉---薄膜干涉的一般问题 §2.6等倾干涉 §2.7等厚干涉 §2.8薄膜干涉应用举例 §2.9迈克耳孙干涉仪和马赫-曾德尔干涉仪 §2.10光场的空间相干性和时间相干性 §2.1 概述 干涉现象：当两列波满足一定条件并重叠时，在重叠区域 内形成稳定的强度周期性分布。 波源S1 波源S2 干涉现象是波动所特有的！ 两水面波相遇有干涉现象→ 水面是波动的 若两光线相遇有干涉现象, 则光也是波动的。 实验结果： 在一定条件下可实现光的干涉现象。 S1和S2振动须协调一致 干涉现象 数学怎么描述？ 实验怎么实现？ 为什么平常无光干涉？ §2.2 光波的叠加和干涉 思路：物理模型→数学分析→干涉条件→实验确认→应用 ★ 波的叠加原理 ★ 相干叠加 ★ 两个相干点波源的干涉 ★ 非相干叠加 ★ 实现光干涉的条件 ★ 波的叠加原理 波独立传播定律: 波在空间传播不会 因同时存在其他波而受影响。 生活中→… 灯S1 灯S2 人眼 波的叠加原理: 重叠区任意P点振动为 一般波→波独立传播定律→波的叠加原理 有例外：如图→ 灯S1 灯S2 人眼 灯S2的存在与强弱影响人眼观察灯S1 变色玻璃→非线性介质→非线性光学 机械波振动位移 光矢量… ★ 相干叠加 波的叠加原理→计算两波叠加→干涉条件 两列波： 叠加原理: 式中相位差δ ： 振动方向相同 干涉条件之一: 强度与振幅平方成正比，所以P点振动的强度为： I(P)仅与P点有关→P点不同→I(P)值不同，但与t无关→稳定 →在空间形成稳定强度分布→干涉现象 若 频率相同 若 相位差恒定 干涉条件之二 干涉条件之三 相干三条件: 频率相同, 相位差恒定, 振动方向相同 相位差: 则: 相干项 =恒 ★ 两个相干点波源的干涉 两列波相遇空间内有两种特殊点： 取： 两初相位 显然： 常数的点在空间形成回转双曲面 ★ 非相干叠加 不满足相干三条件之一者均为非相干叠加，强度为： 频率不同, 或相位差不恒定, 或振动方向不同 频率不同: 相位差: 随时间t而变化 对时间t求平均： 相位差不恒定: 随机值 随机值 振动方向不同: λ:真空中波长 ★ 实现光干涉的条件 为什么通常看不到光的相干现象? 光源发光机理: 由量子理论知：发光基本单元的原子能量是分立的,如图 高能级→低能级跃迁→能量释放→发光 其特点： (波列长度) ②各个原子辐射---独立性、随机性即： ①辐射过程短：△t = 10-9～10-8 秒， ∴ 每次辐射出的波的长度有限，即： 各波列频率不同,振向不同,相位差不恒定 ∴ 一般光源为非相干光源 P 波列长度 怎样获得相干光? i ? 1 2 构思：同一波列→分成两束→重叠→干涉现象 频率相同 振动方向相同 相位差恒定 两种方法： ⑴ 分波前干涉法 取同一波面的不同部分作为子光源→ 波面 ⑵ 分振幅干涉法 利用折射/反射把同一束光一分为二 再使其相遇→ 分波面与分振幅 §2.3 分波前干涉---杨氏干涉实验 波面 ∴在两小孔右侧空间形成干涉场→ 单色光 汞灯 P 滤光片 屏 ▲杨氏干涉 杨 氏 干 涉 装 置 双曲线 若双孔→双缝,则双曲线→直线 振动方向相同 频率同(单色) ∵来自同一波面 (干涉条纹) 相位差为： 光程差 明条纹 暗条纹 λ:真空中波长 ▲杨氏干涉强度分布(重点！) 计算在屏上亮纹和暗纹的位置 光线1,2在空气中→ 光程差: 相位差δ与光程差△: 亮纹条件： 暗纹条件： 亮纹位置： 暗纹位置： 相邻亮纹或相邻暗纹的间距： 屏上干涉强度分布公式: S1 S2 S r1 P x O r2 d E D O ←讨论 两θ约等= ▲进一步说明(重点！) S1 S2 S r1 P x O r2 d E D O ⑴入射光含多种波长的情况→ 暗纹位置: 相邻亮纹间距: 亮纹位置: 特点: ※多种波长的对应多套干涉条纹 ※多套的零级条纹重叠→白光 ※ ∴红外靠外,紫光靠内 ※远离中央,各种波长条纹混合→白光 ⑵双孔变成双缝的情况 双曲线→直线; 干涉效果增强→亮条纹更亮 ⑶ 缝光源S位置偏移对称轴的情况 光源S→S,偏移量为ξ,条纹何变动? 关健：计算光线1,2之间的光程差 (注：S和S不在