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第一章干涉 光学
教学目标:牢固掌握光的相干条件;理解空间相干性和时间相干性概念;了解法布 里——珀罗干涉仪和牛顿环的原理。 第一章 光的干涉 内容分析:第一单元(§1~§5):关于光的波动本质的一些重要实验证据及解释。 第二单元(§6~§7):薄膜的等倾、等厚干涉。 第三单元(§8~§10):干涉仪的基本原理及干涉现象的一些应用。 重、难点:1. 相干叠加条件。 2. 薄膜干涉,尤其是等厚干涉中近似结果的理解及不同条件下产生的 不同形式的条纹。 光的波动学说的建立 17世纪牛顿时代 牛顿提出“光的微粒”学说被广泛接收 惠更斯提出“光的波动”学说没有获得物理学界的认可 19世纪初 英国人托马斯·杨得到了光的干涉图样 法国人菲涅耳等人得到了光的衍射图样 马吕斯确认了光具有横波特性 1850年,傅科测出了在水中的光速小于空气中的光速 光的波动学说开始被广泛接收 1856年,麦克斯韦建立了完整的电磁场理论,1865年预言了电磁波的存在,算出了电磁波在真空中的波速与真空中的速度相同。 1887年,赫兹从实验上证实了电磁波,具有干涉、衍射、偏振现象。 建立了光的电磁理论,取代了光是机械弹性波的观点 20世纪初 光电效应、康普顿效应确定了光的“波粒二像性” 干涉是光的波动性的主要特征之一。光的本质是电磁波,因此,为了了解光的干涉,我们先从电磁波及机械波入手,了解关于波的几方面性质。 1.1 波动的独立性、叠加性和相干性 介质中的波速 其中,εr为介质的介电常数,μr为相对磁导率。 定义: 折射率 光波段: μr≈1, 所以 电磁波在真空中的传播速度 1.1.1 光波的传播速度和折射率 定义: 折射率 光波段: μr≈1, 所以 1.1.2 光强度 折射率n的意义:建立了光学和电磁学的联系。 电磁波由电场强度和磁场强度组成,是横波。 2.可见光: 在波动理论中用来描述光波的特征物理量是:频率,波长,振幅,矢量振动方向。 波长与颜色关系:如表1-1 3.光强度 波动传播→能量传递,为表示能量传递的快慢,引入能流密度的概念。 能流密度:单位时间内、通过与波传播方向垂直的单位面积的能量,即单位面积的功 率。 平均能流密度:能流密度在一个周期内的平均值,也称为光强度。 相对光强:光强度的相对值(比值)。 A——光的电场强度振幅 (相对强度与介质折射率有关) 相对光强:光强度的相对值(比值)。 (相对强度与介质折射率有关) 1.1.3 波的独立性、叠加性和相干性 独立性:波具有不受其他波动干扰、保持自身特性(频率、振幅、振动方向)、沿固有方向传播的性质。 相干性:波相遇时,若满足某些特定条件,在相遇区域内产生的合振动强度表现为稳定的空间的周期性变化,即波具有相干性。 叠加性:多个具有独立性的波相遇时,在相遇区域内的质点位移是各个波单独传播时该质点位移的矢量和(即简单地、没有任何畸变地把各波的分位移按照矢量 加法叠加起来)。 相干性:波相遇时,若满足某些特定条件,在相遇区域内产生的合振动强度表现为稳定的空间的周期性变化,即波具有相干性。 干涉:同方向、同频率的的波在叠加区域产生的合振动强度按空间周期性变化的现象。 干涉图样:干涉时产生的合振动强度在空间的分布图象。 干涉现象是物质波动性的体现,即只有波动才会产生干涉。 1.1.4 相干与不相干叠加 干涉是光的波动性的特性之一。问题:是否任意两束光都能产生干涉现象?例:日常看到的两独立光源发出的光相遇(如两灯发出的光),未见出现干涉现象。这里要研究在什么条件下能产生干涉现象。 分析:光是电磁振动的传播,光的叠加问题可以化为空间任一点的两电磁振动的叠加来研究,由此明确相干叠加与不相干叠加的决定因素。 两个同方向、同频率、初相位不同的两个振动的叠加: 两个同方向、同频率、初相位不同的两个振动的叠加: 两振动可表示为: (见附录1.1) τ时间内合振动平均相对强度 讨论: 干涉项 结论:相干叠加,I为有规律变化值。 结论:相干叠加,I为有规律变化值。 相干叠加合强度的变化规律: ①相位差为π的偶数倍: ——强度最大,干涉加强(相长) ②相位差为π的奇数倍: ——强度最小,干涉减弱(相消) ②相位差为π的奇数倍: ——强度最小,干涉减弱(相消
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