1、波动光学第波动光学第1 1讲讲 光的干涉光的干涉 杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉主要内容主要内容1 1 光源、单色光与相干光、光程光源、单色光与相干光、光程2 2 杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验几何光学：几何光学：以光的直线传播规律为基础研究以光的直线传播规律为基础研究 反射、折射、散射及研究各种光反射、折射、散射及研究各种光 学仪器的理论。学仪器的理论。波动光学：波动光学：以光的波动性为基础研究光的传播规律以光的波动性为基础研究光的传播规律 特别是光的干涉、衍射及偏振的规律。特别是光的干涉、衍射及偏振的规律。量子光学：量子光学：以光的粒子性及近代量子理论以光的粒子性及近代量子理论 为基础研究光与
2、物质相互作用的规律。为基础研究光与物质相互作用的规律。波动光学波动光学1 1 光源、单色光与相干光光源、单色光与相干光一可见光与光源一可见光与光源 1 1、可见光、可见光频率范围频率范围:3.93.9101014 14 HzHz8.68.6101014 14 HzHz波长范围波长范围 :400nm400nm760nm760nm赤橙黄绿青蓝紫赤橙黄绿青蓝紫2 2、光源、光源 自身能发光的物体自身能发光的物体普通光源普通光源属于自发辐射，非相干光源属于自发辐射，非相干光源激激 光光 器器 属于受激辐射，相干光源属于受激辐射，相干光源二二.光的单色性光的单色性1 1、单色光与复色光、单色光与复色光只
3、含有一种频率的光只含有一种频率的光单色光单色光含有多种频率的光含有多种频率的光复色光复色光准单色光：准单色光：频率很接近的复色光频率很接近的复色光如钠灯发出的光：如钠灯发出的光：波长范围在波长范围在 589.0nm589.0nm589.6nm589.6nm2 2、获得单色光的方法、获得单色光的方法三棱镜三棱镜滤光片滤光片激光器件激光器件三三.光的相干性光的相干性光的干涉现象：光的干涉现象：当两列相干光相遇时当两列相干光相遇时,在相遇空间出现明暗稳定在相遇空间出现明暗稳定分布的现象分布的现象1 1、原子的发光机理、原子的发光机理 E3E2E1EeV613.eV43.eV51.0 E3E2E1Ee
4、V613.eV43.eV51.0hEE/)(12 一个原子每一次发光就只能发出一段长度有限，一个原子每一次发光就只能发出一段长度有限，频率一定和振动方向一定的光波频率一定和振动方向一定的光波这样一段光波称作这样一段光波称作一个一个波列波列波列波列波列长波列长L=L=c c普普通通光光源源各个原子各次发光，发光频率、振动各个原子各次发光，发光频率、振动方向、彼此位相差是不确定的，出现干方向、彼此位相差是不确定的，出现干涉现象的概率非常小。涉现象的概率非常小。独立独立(不同原子发的光不同原子发的光)同一原子不同次发光，也不能保证这些同一原子不同次发光，也不能保证这些波列的频率，振动方向都相同，而且
5、位相波列的频率，振动方向都相同，而且位相差也不可能保持恒定，因此，也就不可能差也不可能保持恒定，因此，也就不可能产生干涉现象。产生干涉现象。2 2、相干光的获得、相干光的获得 利用普通光源获得相干光的方法的基本原理是把由利用普通光源获得相干光的方法的基本原理是把由光源同一点发出的光设法分成两部分，然后再使这两部分光源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。叠加起来。分波阵面法分波阵面法分振幅法分振幅法在同一波面上两固定点光源，发出的光在同一波面上两固定点光源，发出的光产生干涉的方法为分波面法。如杨氏双产生干涉的方法为分波面法。如杨氏双缝干涉实验（图缝干涉实验（图1 1）一束光线
6、经过介质薄膜的反射与折射，一束光线经过介质薄膜的反射与折射，形成的两束光线产生干涉的方法为分振形成的两束光线产生干涉的方法为分振幅法。如薄膜干涉（图幅法。如薄膜干涉（图2 2）。）。P PS SS S1 1S S2 2S S S S1 12 2P P图图1 1图图2 2四、光程四、光程光在介质中传播的距离折算成真空中的长度。光在介质中传播的距离折算成真空中的长度。tcrucnr 光光程程nncuuT0 在介质中传播的波长，折算成真空中波长在介质中传播的波长，折算成真空中波长两光程之差叫做光程差两光程之差叫做光程差02相位差：相位差：2 2、光程差、光程差1 1、光程的引入和光程的概念、光程的引
7、入和光程的概念当用透镜观测干涉时，不会带来附加的光程差。当用透镜观测干涉时，不会带来附加的光程差。SASC FSBS ABnEFDEnCD SCD EFABS3 3、透镜不引起附加的光程差、透镜不引起附加的光程差SS2L1L 杨氏在杨氏在1 1801年年首先用实验的方首先用实验的方法研究了光的干法研究了光的干涉现象，为光的涉现象，为光的波动理论确定了波动理论确定了实验基础实验基础。一一.杨氏双缝实验杨氏双缝实验2 2 杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验1 1、实验装置、实验装置S S1 1S S2 2S SE ES S1 1S S2 2S SE E2 2、实验现象、实验现象 当光源照射狭缝当光源
8、照射狭缝 S S 时，在屏幕时，在屏幕 E E 上出上出现一系列稳定的与狭缝平行、条纹间距彼此相等现一系列稳定的与狭缝平行、条纹间距彼此相等的明暗相间的条纹。的明暗相间的条纹。1S2SSE3 3、实验解释、实验解释 由由S S1 1和和S S2 2 射出的光束来自同一光波波阵面射出的光束来自同一光波波阵面的不同部分，因此它们具有相同的频率和相位。的不同部分，因此它们具有相同的频率和相位。这种获得相干光的方法称作这种获得相干光的方法称作分波阵面法分波阵面法。二二.明暗纹条件明暗纹条件1S2SSEP S S1 1 和和S S2 2 到到P P点的波程差点的波程差1r2r21rr 二二.明暗纹条件明
9、暗纹条件设设 S S1 1 和和S S2 2 的距离为的距离为d d，中点为中点为 M M，oMDxd PM PM 与与MOMO 的夹角为的夹角为，从，从 S S1 1做做 S S2 2P P 垂线垂线S S1 1C C 。21rr 通常情况下，通常情况下，D D d d，很小很小CPPSCSS 112，1S2SSEP1r2rM M 到屏幕的距离为到屏幕的距离为 D D，垂足为垂足为o o ，以，以o o为坐标原点，为坐标原点，P P 点的坐标为点的坐标为 x xC1S2SSEPoMDxdC21rr sindCS 2dtg 二二.明暗纹条件明暗纹条件21rr CPPSCSS 112，通常情况下
10、，通常情况下，D D d d，很小很小Dxtg xDd 二二.明暗纹条件明暗纹条件干涉干涉明纹明纹的条件的条件.，210 kkdDkx.，210 k0 k0 x条纹的中央为明纹，称为零级条纹的中央为明纹，称为零级(或中央或中央)明纹明纹1S2SSEPoMDxdC干涉干涉暗纹暗纹的条件的条件.)(，210212 kkdDkx212)(.，210 kIO0明明纹纹 P1S2SSEo暗纹暗纹dDkx212)(.，210 k明纹明纹dDkx.，210 k632.8nm的氦氖激光器产生的干涉条纹的氦氖激光器产生的干涉条纹589.3nm的钠黄光产生的干涉条纹的钠黄光产生的干涉条纹 条纹间距条纹间距dDx
11、条纹图样条纹图样 当单色光照射时，为明暗相间的条纹当白当单色光照射时，为明暗相间的条纹当白光照射时，为彩色条纹（中央为白色条纹）光照射时，为彩色条纹（中央为白色条纹）条纹明暗相间平行等距条纹明暗相间平行等距条纹移动条纹移动x xd xD 讨论讨论向两边移动向两边移动向两边移动向两边移动向中央移动向中央移动讨论讨论条纹特点条纹特点1 1、中央明纹、中央明纹2 2、明暗相间、明暗相间3 3、平行等距、平行等距4 4、对称分布、对称分布 以中央明条纹为中心、两侧对称分布的、以中央明条纹为中心、两侧对称分布的、平行等距的明暗相间的直条纹平行等距的明暗相间的直条纹线光源线光源S S的两个虚像相当于杨氏双
12、缝实验中的双缝，的两个虚像相当于杨氏双缝实验中的双缝，杨氏实验中的有关结论在此成立。杨氏实验中的有关结论在此成立。S S2 2S SB BP PM M2 2M M1 1A A2rlO OA A与屏距离与屏距离S S：线光源线光源B B：S S1 1P P：A A：M M1 1、M M2 2：:r:l障碍物障碍物屏屏平面镜平面镜镜交线镜交线镜面夹角镜面夹角S S与与A A距离距离注：注：S S 发光经两个镜面反射均有半波损失。发光经两个镜面反射均有半波损失。tan2rd,2rlrD三菲涅耳双棱镜干涉三菲涅耳双棱镜干涉三菲涅耳双棱镜干涉三菲涅耳双棱镜干涉S SS S1 1S S2 2虚光源与屏间距
13、。虚光源与屏间距。分析光程时，不考虑半波损失。分析光程时，不考虑半波损失。杨氏双缝干涉实验的分析结果仍成立。杨氏双缝干涉实验的分析结果仍成立。虚像间距。虚像间距。:d:DS SS S P PS S：线光源线光源M M：平面镜平面镜P P：屏屏M MS S 发光照射发光照射 M M 时为掠射，时为掠射，直射光与反射光相干直射光与反射光相干:d:DS S 与与 S S 间距间距S S 与屏距离与屏距离实验发现，屏靠近镜时，实验发现，屏靠近镜时，镜右端不明反暗，镜右端不明反暗，验证了电磁理论预言的半波损失验证了电磁理论预言的半波损失四四洛埃镜干涉实验洛埃镜干涉实验例例1：波长为波长为 632.8 n
14、m 的激光，垂直照的激光，垂直照射在间距为射在间距为 1.2 mm 的双缝上，双缝到屏的双缝上，双缝到屏幕的距离为幕的距离为 500 mm，求两条第，求两条第4级明纹的级明纹的距离。距离。解：解：44Io由明纹公式由明纹公式：aDkxk两条两条 4 级明纹的距离为：级明纹的距离为：aDkx2339102.110500108.63242xm101.23例例2：在双缝干涉实验中，用波长为在双缝干涉实验中，用波长为 632.8 nm 的激光照射一双缝，将一折的激光照射一双缝，将一折射率为射率为 n=1.4 的透明的介质薄片插入的透明的介质薄片插入一条光路，发现屏幕上中央明纹移动了一条光路，发现屏幕上
15、中央明纹移动了 3.5个条纹，求介质薄片的厚度个条纹，求介质薄片的厚度 d。解：解：由于中央明纹移动了由于中央明纹移动了 3.5 个条纹，个条纹，则插入的介质薄片所增加的光程差为则插入的介质薄片所增加的光程差为 3.5 个波长，对应原屏幕中央个波长，对应原屏幕中央 o 点两条光线点两条光线的光程差也为的光程差也为 3.5。oD DS1S2Sar1r2Iood在原屏幕中央在原屏幕中央o点两光线的光程差为：点两光线的光程差为：5.3对于对于o点：点：021rr5.3)1(dn15.3nd21)(rnddrm105.56-14.1108.6325.39D DS1S2ar1r2od作作 业业 题：题：习题习题16.1216.12、16.1416.14、16.1516.15；预习内容：预习内容：16.4-16.516.4-16.5复习内容：复习内容：本讲本讲
