一章1课件教学教材

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1、1,第1章 光的干涉Chap. 1 Interference of Light,2,主 要 内 容,干涉的形成，干涉条纹现象的解释，干涉仪器的介绍以及干涉的应用。 干涉显示的是光的波动性。这一章的目的就是根据光的干涉现象和实验事实来揭露光的波动本性，并且明确光波是电磁波，而不是机械波，引起光效应的是电场强度，不是磁场强度。,3,1.1波动的独立性、叠加性和相干性1.1.1 电磁波的传播速度和折射率,光是某一波段的电磁波， 其速度就是电磁波的传播速度。,4,1.1.2、光强度 1、光波中的振动矢量通常指的是电场强度 对人的眼睛或感光仪器起作用的是电场强度 引起光效应的 主要是电场强度 而不是磁场

2、强度,6,3、光的强度： 1）光强度、光照度、平均能流密度 2）平均相对强度 ，其值与所处媒质的折射率有关，是人眼的属性。,7,1.1.3、机械波的独立性和叠加性 1、波的独立性 在力学中，当几个振源同时向一空间发射波动时，在同一空间的这几个波动只要振动不十分强烈，就将不改变各自的频率、振幅和振动方向，按照自己原来的方向行进，就好像空间内只存在一个波动似的。波动不受干扰，仍按自身的规律前进，这就是波的独立性。,8,2、波的叠加性 在波动传播所经过的区域内的每一个质点都要随波在某一时刻产生一定的位移。在许多波相遇的共同空间内，每一质点产生的位移仅仅是各波单独存在时产生位移的矢量和，也就是简单的、

3、没有任何畸变的把各波单独存在时的位移按照矢量的方法相加，就得到了该质点在几个波同时到达时产生的和效应。这就是波动的叠加性。这种叠加性是以独立性为前提的，如果波的独立性不存在，波的叠加性也不再存在。,9,3、数学意义 在通常的情况下，波动方程具有,简谐波的表达式,是波动方程的一个特解。两个互不相关、独立的函数都满足同一个给定的微分方程，即为该微分方程的两个特解，这两个特解的和同样也是该微分方程的解。这就是两个独立的波叠加的数学意义。两个独立的简谐波相遇时，叠加成为一个新的简谐波，而不改变两个独立波的性质，当相遇的两个波又分离后，仍各自具有以前的波动特性。,10,4、干涉及干涉现象 干涉是波动的重

4、要表现形式之一，要产生干涉就必须满足一定的条件，只有当两波频率相等，在观察时间内波动不间断，而且在相遇处振动方向几乎沿同一直线，它们叠加后产生的和振动就可能在有些地方加强，有些地方减弱，这一强度变化按空间周期分布的现象称为干涉。产生干涉的条件叫相干条件，在相干区域内各点的振动强度如果有一定的非均匀分布，那么这种分布的空间图像就称为干涉的花样。,11,1.1.4 干涉现象是波动的特征,在对光的研究和观察中，人们发现了在光传播过程中，光具有携带能量传播的本领。波动在传递能量时，能量以振动的形式在物质中依次转移，物质本身并不随波动而移动；微粒要传递能量就必须移动微粒本身，也就是微粒和能量一起移动。波

5、动和微粒传递能量的主要区别在于：波动是物质不动，微粒则物质必须移动，但是仅从能量的传递还不能确定光时波动还是微粒的，还必须寻找更多的证据来说明光的波动性或微粒性。,12,光的干涉现象被发现，就立即决定了光的波动地位。干涉、衍射等等一些现象，只可能发生在波动状态，不可能发生在微粒态。干涉现象是波动的一大特征，只要我们发现了强弱按一定分布的干涉花样出现的现象，就一定能肯定该现象的波动本性。干涉现象是确定波动的最可靠的、最有力的用实验证据，故此，我们能够肯定光的波动本性。通过光的干涉现象现象，我们只能肯定光的波动本性，不能否定光的微粒本性。,13,1.1.5 相干与不相干叠加,1、两个振动的叠加,（

6、1）,（2）,14,15,= 常数，则：,2、合振动的强度,（1）,16,1) 相位相同 2) 相位相反,17,3) 相位任意（空间其它点的强度）,，,18,4）,最大值为：,最小值为：,19,（2） 无规变化,从结论上看，好像是直接由分振动的相对强度相加而成，其实不是。从推导过程看，最后的合振动都是从振幅平方的瞬时相加，最后求平均而成的。这两者是完全不同的，应加以注意。,20,（3）结论 1）相干 当相位差仅随空间各点位置变化时，合振动的强度就会随空间各点作周期变化，使得有些点加强，有些点减弱。这样，空间就显示出干涉花样，发生了干涉现象。 相干条件：频率相同、 振动方向一致、 在观察时间内两

7、振动的相位 差始终保持不变。,21,2）不相干 若观察的两个振动在所观察时间间隔内是间断的，其相位差是不规则的随机变化，这时的合振动强度的平均值仅是分振动的强度之和，是一常数，在空间内没有变化，不产生干涉现象。对于这种位相差在观察时间内无规变化的振动是不相干的。 显然，相干还是不相干主要取决于相位差的关系。,22,3）、 多个波动的叠加 : 若参与叠加的n个振动是完全相同的，若满足相干条件，它们是相干的，其合振动强度的最大值为： ，若这n个振动是不相干的，其合振动的强度为： 。 上述分析对光振动在空间任意一点的叠加也是适用的。,23,虽然上述并不是直接讨论光波，但光波同样满足以上结论。光波也同

8、样满足独立性和叠加性。我们同时能看见不同的物体是因为光波的独立性。对于两个独立的光源，其光强叠加为分光强之和，是因为光波发出光波是间断的，许多不连续的波列是不能发生干涉现象的，这也是我们在日常生活中只能感到多光源时仅是光强的直接均匀增大，而不能看见光波干涉的原因。但无论干涉与否，波相遇时总是叠加的，相干与不相干都是振动的合成，只是在不同情况下的不同表现而已。,24,1.2由单色波叠加所形成的干涉花样 1.2.1位相差和光程差 1、单色波 单色波是指频率单一、振幅不变、波列无限长，可用正弦或余弦函数表示波动的理想波动，它是理想模型，实际的波都是由一定频率范围的有限长波列叠加而成的。 在这本书里，

9、只要没特别指明，我们所讨论光波均为单色波。,25,2、相位差,26,27,28,3、光程： 光程的物理意义 光程差： 真空中 均匀介质中 相位差：,29,1.2.2 干涉图样的形成： 1.干涉图样的形成： （1）干涉相长： 即：光程差等于半波长偶数倍的那些P点，两波叠加后的强度为最大值。,30,（2）干涉相消： 即：光程差等于半波长奇数倍的那些P 点，两波叠加后的强度为最小值。,31,（3）一般情况： r2-r1=常数，干涉花样为双叶旋转双曲面,32,2.干涉 条纹的 计算： 在近轴和远场近似条件 即rd 、 rPP0和 r 情况下：,33,最大值点： 最小值点： 条纹间距：,34,3.干涉图

10、样的分析 （1）各级亮条纹光强都相等，相邻条纹（亮或暗）等间距，且与 j 无关； （2）单色光波长 一定时， （3）当 、d 一定时，,35,（4）白光照射，除中 央亮斑外，其余 是彩色条纹。 （5）干涉图样记录了相位差的信息： 4、 干涉花样不变，但条纹沿光屏上下移动。,36,1.3 分波面双光束干涉,1.3.1 光源和机械波源的区别,37,1、一般光源的发光机制：自发辐射,独立（同一原子不同时刻发的光）,独立 （不同原子同一时刻发的光）, = (E2-E1)/h,E1,E2,自发辐射跃迁,波列长 L = t c,发光时间t 10-8s,原子发光：方向不定的振动 瞬息万变的初相位 此起彼伏的

11、间歇振动,38,激光光源：受激辐射,可以实现光放大;单色性好;相干性好。,例如:氦氖激光器; 红宝石激光器; 半导体激光器等等。,完全一样,（频率, 相位,振动方向,传播方向都相同）,39,2. 机械波： 机械振源持续振动发出波列长度非常长的波动 3. 区别： 人眼：0.1s； 开关式像增强器：10-810-9s,易实现、难观察,4、接收器的响应能力,40,1.3.2 获得稳定干涉图样的条件 典型的干涉实验 1. 获得稳定干涉图样的条件 ： 从同一批原子发射出来经过不同光程的两列光波。 2.干涉的分类：,41,分波面法,分振幅法,42,（1） 杨氏实验,3.分波面干涉的特殊装置和典型实验：,4

12、3,杨氏双缝干涉,44,45,光程差： 相位差：,46,47,（2）菲涅尔双面镜： 装置：两块平面反射镜，两镜面相交接近180.,48,49,条纹间距：,50,（）劳埃德镜： 装置：一块下面涂黑的平玻璃板。,51,半波损失： 光程差： 条纹特点：处为暗纹，干涉条纹仅在上侧 （无损则应为亮纹）（其它都是对称分布于两侧）,52,（4）维纳驻波实验：,53,驻波： 振幅相同而传播方向相反的两列简谐相干波叠加得到的振动。 条纹间距： 特点：驻波也有半波损失,54,半波损失： 当光从光疏入射到光密介质时，且光掠射或垂直入射时，在反射点，入射光的振动方向和反射光的振动方向总是相反的，振动在这里突然改变了相

13、位 ，光程好像损失（或增加）了半个波长一样。,55,1.4 干涉条纹的可见度 光波的时间相干性和空间相干性,1.4.1 干涉条纹的可见度（对比度、反衬度） 影响因素很多，主要是振幅比。,56,57,58,1.4.2 光源的非单色性对干涉条纹的影响 1、明纹宽度 波长为： （）,59,60,2、相干长度,当波长为（）的第j级与波长为的第（+1）级条纹重合时，。 即：（j+1）=（+）j ， j+=j+j,61,1.4.3、 时间相干性 （光场的）纵向相干性 波列的长度至少应等于最大光程差，即： 好小长,62,1.4.4、光源的线度对干涉条纹的影响,63,64,65,1.4.5、空间相干性横向相干

14、性 光的空间相干性与光源的线度有关。 注意：光的空间相干性和时间相干性是不能严格分开的。,66,1.5 菲涅耳公式,1.5.1、 菲涅耳公式 1、规定： 入射波A 1、反射波A/1 折射波振幅A2 入射角 i1、反射角i/1、 折射角 i2 平行分量：p Ap1、A/p1、Ap2 垂直分量：s As1、 A/s1、As2,67,2、菲涅尔公式,68,3、关于入射光的讨论 一般光源发出的光为自然光，当自然光入射在二介质的分界面上时，由其发光机制，可认为s分量与p分量大小相等，且均为正方向。即：,69,1.5.2 半波损失的解释 1、 半波损失的特点 入射角i1=0o或90o。 光疏光密 只存在于

15、反射光，折射光没有半波损失。 (4)光程差的改变可 “ ”,70,2、半波损失的解释 自然光入射 1）掠射情况 由折射定律知， ，则： 由菲涅尔公式，有,71,入射光的振动面与反射光的振动面在反射点共面，此处入射光的和振幅与反射光的和振幅方向相反,72,2）垂直入射情况 由折射定律知， ，则： 由菲涅尔公式，有,73,入射光的振动面与反射光的振动面在反射点共面，此处入射光的和振幅与反射光的和振幅方向相反。,74,若入射光以任意方向入射，入射光的振动面与反射光的振动面在反射点不能共面，此处入射光的和振幅与反射光的和振幅方向不在同一平面，不能比较是同向还是反向，因此，不存在半波损失。,75,1.6 分振幅干涉（一）等倾干涉分振幅干涉概述,分振幅干涉：一列波按振幅的不同被分成两部分(次波)，两次波各自走过不同的光程后，重新叠加并发生干涉。 常见的分振幅方法：光学介质分界面的反射和折射。 常见的分振幅干涉：等倾干涉、等厚干涉。,76,1.6.1 单色点光源引起的干涉现象1、光学薄膜概述,光学薄膜：光学厚度在（可见）光源相干长度以内的介质薄膜。 分类：据光学介质薄膜的特点可分为： 氧化膜、增反膜、增透膜等。,77,78,2、薄膜干涉,79,1