大學物理-光的干涉

1、波動光學 目錄 第一章 光的干涉 第二章 光的衍射 第三章 光的偏振,第一章 光的干涉（Interference of light）,§1 光源的發(fā)光特性,一. 光源,光源的最基本發(fā)光單元是分子、原子,,? = (E2-E1)/h,,,E1,E2,能級躍遷輻射,波列長L = ? c,1. 普通光源：自發(fā)輻射,,,,,獨立(不同原子發(fā)的光),,·

2、;,·,獨立(同一原子先后發(fā)的光),2. 激光光源：受激輻射,,? = (E2-E1)/h,?,?,,,完全一樣(頻率,位相,振動方向,傳播方向),二. 光的相干性,1. 兩列光波的疊加(只討論電振動),P:,非相干光源,,I = I 1 + I 2 —非相干疊加,完全相干光源,,▲相長干涉（明）,(k = 0,1,2,3…),▲相消干涉（暗）,(k = 0,1,2,3…),2. 條紋襯比度（對比度，反襯度）,3.普通光源獲

3、得相干光的途徑,,,p,S *,分波面法,分振幅法,,,,,,,,,·,p,薄膜,S *,襯比度差 (V < 1),襯比度好 (V = 1),振幅比,決定襯比度的因素：,光源的寬度,光源的單色性,§2 雙縫干涉,一. 雙縫干涉,p,·,r1,?,,r2,,?,單色光入射,d >>λ，D >> d (d? 10 -4m, D ? m),波程差：,相位差：,明紋,暗紋,條紋

4、間距,(1) 一系列平行的明暗相間的條紋；,(3) 中間級次低；,明紋: ?k ，k =1,2,3…(整數(shù)級),暗紋: ?(2k+1)/2 (半整數(shù)級),(4),條紋特點：,(2) ? 不太大時條紋等間距；,某條紋級次 = 該條紋相應的 (r2-r1)/?,二 . 光強公式,若 I1 = I2 = I0 ,,則,光強曲線,§3 其他分波面干涉實驗(自學),§4 空間相干性,一. 空間相干性的概

5、念,光源寬度對干涉條紋襯比度的影響,設光源寬度為b,B,D,I,,,,非相干疊加,+1L,,,,,,0N,0M,0L,,,二. 極限寬度,當光源寬度b增大到某個寬度b0時，干涉條,設B>>d和b,(一級明紋),紋剛好消失，b0稱為光源的極限寬度。,( B >>b0 ,d ),?,—光源的極限寬度,時，才能觀察到干涉條紋。,三. 相干間隔和相干孔徑角,1. 相干間隔,若 b 和 B一定，則要得到干涉條紋，必須,d0

6、越大，光場的空間相干性越好。,2. 相干孔徑角,━相干孔徑角,? 0 越大空間相干性越好。,激光光源可以不受以上限制,在θ0 范圍內(nèi)的光場中，正對光源的平面上的任意兩點的光振動是相干的。,四. 應用舉例,1.測遙遠星體的角直徑：,考慮到衍射的影響，有,2.屏上條紋消失時，反射鏡M1M4間的距離就是d0， 測獵戶座星,?????nm,測得,得,λ,λ,使d =d0則條紋消失,一. 光的非單色性,1.理想的單色光,

7、2.準單色光、譜線寬度,準單色光：在某個中心波長（頻率）附近有一定波長（頻率）范圍的光。,譜線寬度：,(1) 自然寬度,,,,·,,Ei+1,?Ei+1,Ei,?Ei,§5 時間相干性,造成譜線寬度的原因,,,,,,(2) 多普勒增寬,(3) 碰撞增寬,二. 非單色性對干涉條紋的影響,干涉的最大級次,,三. 相干長度與相干時間,1.相干長度,兩列波能發(fā)生干涉的最大波程差,：中心波長,只有同一波列分成的兩部分經(jīng)不同的

8、光程再相遇時才能發(fā)生干涉。,波列長度就是相干長度,光通過相干長度所需時間,2.相干時間,§6 光程,一. 光程、光程差,真空中,媒質(zhì)中,? n─媒質(zhì)中波長,光程 : L = nd,? ─真空中波長,光程差 ： ?? = L2 - L1,[例],P:,二.使用透鏡不會產(chǎn)生附加光程差,物點到象點各光線之間的光程差為零,相位差和光程差的關系：,光程 L = ? ( ni di ),§7 薄膜干涉 (一),—— 等

9、厚條紋,一. 劈尖（劈形膜）,夾角很小的兩個平面所構(gòu)成的薄膜,1、2兩束反射光來自同一 束入射光，它們可以產(chǎn)生干涉 。,,,,?,,,,,e,n?,n?,n,·,A,反射光2,反射光1,入射光(單色平行光垂直入射),(設n > n? ),A: 1、2的光程差,明紋：,暗紋：,同一厚度e對應同一級條紋——等厚條紋,光程差可簡化為圖示情況計算。,實際應用中,大都是平行光垂直入射到劈尖上。,考慮到劈尖夾角極小, 反射光

10、1、 2在膜面的,條紋間距,又,二. 牛頓環(huán),光程差：,(1),(k = 0, 1, 2, …),(2),?第k個暗環(huán)半徑,暗環(huán)：,三. 等厚條紋的應用,1. 劈尖的應用,測波長：已知θ、n，測L可得λ,測折射率：已知θ、λ，測L可得n,測細小直徑、厚度、微小變化,測表面不平度,2. 牛頓環(huán)的應用,測透鏡球面的半徑R： 已知?, 測 m、rk+m、rk，可得R 。,測波長λ： 已知R，測出m 、 rk

11、+m、rk， 可得λ。,檢驗透鏡球表面質(zhì)量,§8 薄膜干涉（二）,—— 等傾條紋,一. 點光源照明時的干涉條紋分析,L,,,f,P,o,r環(huán),,B,,,i,r,A,C,,,,D,·,·,2,1,S,,i,,,,,i,,i,光束1、2的光程差：,得,,·,,·,·,或,明紋,暗紋,傾角i相同的光線對應同一條干涉條紋

12、 —等傾條紋。,形狀:,條紋特點:,一系列同心圓環(huán),r環(huán)= f tg i,條紋間隔分布:,內(nèi)疏外密,條紋級次分布:,e一定時，,波長對條紋的影響:,膜厚變化時,條紋的移動：,二. 面光源照明時，干涉條紋的分析,只要入射角i相同，都將匯聚在同一個干涉環(huán)上（非相干疊加）,三. 應用：增透(射)膜和增反射膜 （自學書P130例2）,§9 邁克耳遜干涉儀,一. 儀器