绪论01第1章光的干涉卓士创

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1、1,绪论 Introduction,主讲人：卓士创 徐州师范大学物理与电子工程学院,2,主 要 内 容：,一、什么是光学 二、光学的研究内容 三、光学的发展简史 四、光学的特点 五、怎样才能学好光学,绪论,3,一、什么是光学,光学是研究光现象的本质、规律及其应用的一门科学。它是物理学的重要组成部分。,4,二、光学的研究内容,几何光学,包括：光的本性，光的发射、传播、接收，光和物质的相互作用以及光的应用等。,光学的学科分支,波动光学,经典光学,现代光学,物理光学,量子光学,主要分支,5,三、光学的发展简史,萌芽时期 几何光学时期 波动光学时期 量子光学时期 现代光学时期,6,四、光学的特点,年轻

2、而古老：光缆、光盘等远古 基础加应用：力、热、电、光工业、农 业、军事、天文学、医学、电 子学、材料科学、化学、生物、 通信等 理论与实验：张量、卷积、相关、函数、 傅氏变换普通光学实验、 近代光学实验、现代光学实验等,7,五、怎样才能学好光学,师生配合,认真备课 认真上课 答疑辅导 讲练结合 强化考核 要求严格,提前预习 认真听讲 及时复习 做好作业 应用巩固 理解配合,8,2010物11光学教学进度安排,9,2010物51光学教学进度安排,10,主要参考书,教材： 光学教程第四版. 姚启钧. 北京：高等教育出版社，2009. 其它参考书： 赵凯华 钟锡华著. 光学. 北京：北京大学出版社，

3、1984. 母国光 战元龄著. 光学. 北京：人民教育出版社，1979. 郭永康 鲍培谛编著. 光学教程( 第二版 ). 成都：四川大学出版社，1992. 吴强 郭光灿著. 光学. 北京：中国科技大学出版社. 1997 宣桂鑫编. 光学教程学习指导. 北京：高等教育出版社，2004.,11,第1章 光的干涉 Chap. 1 Interference of Light,主讲人：卓士创 徐州师范大学物理与电子工程学院,12,主要内容,1.1 光波的独立性，叠加性和相干性 1.2 由单色波叠加所形成的干涉图样 1.3 分波面双光束干涉 1.4 干涉条纹的可见度 光波的时空相干性 1.5 菲涅耳公式*

4、 1.6 分振幅薄膜干涉（一）等倾干涉 1.7 分振幅薄膜干涉（二）等厚干涉 1.8 迈克耳逊干涉仪 1.9 多光束的干涉法布里珀罗干涉仪 1.10 干涉现象的一些应用,13,一.光波的电磁理论,1.1 光波的独立性 叠加性和相干性,二光强I:,三单色光波的数学描述,四.波的独立传播和线性叠加原理,五光波的相干叠加和不相干叠加,14,一.光波的电磁理论,1. 光波是某一波段的电磁波,光波:,可见光:,不同波长的光引起不同的颜色感觉,1.1 光波的独立性 叠加性和相干性,15,. 光速,在真空中：,在介质中：,一般而言：,同一光波穿过不同介质，频率 不变，波长改变,（1),（2),（3),（4)

5、,16,二光强I:,1. 光矢量,对人的眼睛或感光仪器起作用的是电场强度。,17,坡印廷矢量的瞬时值,相对光强：,同一介质中：只关心光强的相对分布,任何波动过程都必定伴随能量的传递.,又,（7),（5),（6),（8),（9),18,三单色光波的数学描述,三角函数描述,波数,复振幅描述,复振幅：,（11),（10),（12),19,四.波的独立传播和线性叠加原理,二列（或多列）波，相遇后可保持各自的特性（频率、振幅、振动方向等）不变而按照各自原来的传播方向继续前进，彼此不受影响。这称为波的独立传播特性。,在叠加区内，每点光矢量是各列光波单独存在该点产光矢量的矢量和，即： 。 这称为光波的叠加原

6、理。,1.波的独立传播特性,2.波的叠加性,注：当光波能量不是很强时，这种叠加是线性的；但当光波能量极强时，将会产生非线性效应。,（13),20,补充：介绍振动叠加的三种计算方法,（二光波的光矢量振动方向、频率均相同，考查P点的振动）,21,复振幅法：,（20),22,矢量图解法：,23,矢量图解法：,多边形法则,24,五光波的相干叠加和不相干叠加,1、相干叠加： 条件：二波频率、振动方向相同，且在空间各点相差恒定。,设有频率、振动方向相同的二光振动,25,，是空间点的函数，故光强I也是空间点的函数,（22),26,2、不相干叠加,在某一时间内（,（21),27,小 结,28,小 结,复振幅描

7、述,四.波的独立传播和线性叠加原理,1.波的独立传播特性,2.波的叠加性,29,1、相干叠加：,2、不相干叠加,二光振动频率不同、位相差 随时变化，,强度直接相加,1.位相差相同的点必有相同的光强； 2.等相差面就是等光强面.,小 结,五.光波的相干叠加和不相干叠加,30,1.2 由单色波叠加所形成的干涉图样,（仅讨论简谐波）,一、位相差、光程差,两频率相同的光波源,在某t时间到达p点,（4),31,2、光程及光程差,光在介质中的光程等于相同时间内光在真空中通过的路程。,（10),32,二干涉图样的形成,干涉图样形状,条纹 非定 域,33,二干涉图样的形成,干涉图样形状,双曲面簇与光屏相交，在

8、屏上形成条纹： 条纹为双曲线，近轴区域的条纹近似视为直线。,34,干涉强度分布,（11),35,j 干涉级次,（12),（13),讨论：,36,3明暗纹在屏上的位置,已知,（14),相干最小：,（15),37,由图：,4.条纹间距,y与j无关，条纹均匀分布。,波长反映了光波场中光矢量空间分布的周期性； 纹间距反映干涉场中干涉光强空间分布的周期性。,38,（4）白光入射， 级仍是白光，其余各级亮纹带彩色。,（6）干涉花样实质上体现了参与相干叠加的光波间 位相差的空间分布。,结论：,（1）各级亮条纹强度都相等，相邻条纹（亮或暗）等间距， 且与j无关；,（2）当以一定波长的单色光入射时，间距y的大小

9、与 r0成正比，而与d成反比；,（5）条纹的漂移,39,本节小结,二干涉图样的形成,、干涉强度分布,40,3条纹的位置,4.条纹间距,本节小结,41,书面作业：P66 1-1，1-2，1-3 复 习：1-1 、1-2; 阅 读： 附录1-1、1-2； 预 习：1-3、4、5,42,复习回顾,43,复振幅描述,复习回顾,44,两列光波的相干条件：,频率相同； 振动方向相同； 在空间各点相差恒定。,五、光波的相干叠加和不相干叠加,1、相干叠加：,相干叠加光强分布：,2、不相干叠加,二光振动频率不同、位相差 随时变化，,强度直接相加,1.位相差相同的点必有相同的光强； 2.等相差面就是等光强面.,复

10、习回顾,45,复习回顾,二干涉图样的形成,、干涉强度分布,46,复习回顾,3条纹的位置,4.条纹间距,47,1.3 分波面双光束干涉,一光源和机械波源的区别,机械波源中独立振源的振动在观察时间内通常是持续进行的，位相差保持不变，一般都相干。,光辐射起源于原子。 光源的最基本发光单元是分子、原子。,波列长,1.机械波源：,2.光波源：,发光机制：,48,原因：原子发光是随机的，间歇性的，两列光波的振动 方向不可能一致，周相差不可能恒定。,发光特点：,49,1.分波前的方法 杨氏干涉,2.分振幅的方法 等倾干涉、等厚干涉,二、普通光源获得相干光的途径（方法）,.分振动面的方法 偏振光的干涉,50,

11、三几种典型的分波面干涉实验,、杨氏双缝干涉实验,51,菲涅耳双面镜实验：,（1),两独立激光光源相干时，由于,(1)光路构成,(2)分波面相干原理,(3)条纹间距,52,. 劳埃德镜实验,(1)光路构成,波面及条纹形成示意图,(2)分波面相干原理,53,当屏幕 E 移至E处时，使p0与M重合,从 S和 S到 M 点的光程差为零， M点应为明纹，但观察到是暗条纹。,(3)条纹重要特征,(4)条纹间距,. 劳埃德镜实验,54,.维纳驻波实验：,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。,入射波和反射波相遇在一起，也会发生相干叠加而形成驻波。,在G与M接触的地方无感光，即波节处，反

12、射光产生了半波损失。,55,三几种典型的分波面干涉实验,.菲涅耳双面镜实验,.维纳驻波实验,.杨氏双缝干涉实验,本节小结,56,例:在杨氏双缝实验中，双缝之间的距离为0.5mm，光屏到小孔的距离为50cm。当用折射率n=1.60的透明薄膜盖在缝S2上时，发现屏上条纹移动了1cm，试求薄膜厚度。,盖膜前后P点光程差的变化量为：,由此得,注意条纹移动的方向！,解：无薄膜时P点光程差为：,盖上薄膜时P0移到P点，则此时P点光程差为：,57,：在杨氏双缝实验中，用折射率n=1.58的透明薄膜盖在上缝上，并用=6.328107m的光照射，发现中央明纹向上移动了5条，求薄膜厚度。,解：设中央明纹向上移动到

13、了P点 则P点应有,又因P点是未放薄膜时第5级的位置,代入上式可即：,由此得：,58,.4 干涉条纹的可见度 光波的时空相干性,一、干涉条纹的可见度,1、定义： 描述干涉条纹清晰程度的物理量。,2、单色光相干条纹的可见度V,（1),59,练习：有一双缝干涉装置，通过其中一缝的能量是另一缝能量的4倍。求可见度。,解：,60,以上是在理想单色光、理想线光源的条件下讨论的，而实际并非如此！,二、光源的非单色性对干涉条纹的影响 光波的时间相干性,、光源的非单色性对干涉条纹的影响,通常的单色光源，并不是单一波长，有一定范围 ，从而影响可见度。,以杨氏干涉为例,61,光源的单色性决定了能产生干涉条纹的最大

14、光程差。,（1）j增大，谱线变宽，可见度降低；,j级谱线的宽度：,（3),（2）如果（ ）的j级与 的(j+1)级重合，V=0,62,时间相干性（光场的）纵向相干性,（1）波列长度（L）,当光程差大于波列长度时，二子波不能相遇，因而不能产生干涉。 波列长度限定了干涉装置的最大光程差，即,例：白光（用眼睛观察），波列长度与波长同一数量级。 钠光： ；低气压镉灯：0cm；激光：几百公里。,（7）,63,（2）相干时间,对于某观察点，若前后两时刻传来的光波隶属同一波列，则称它们 是相干光波，称该光波场具有时间相干性（与单色性紧密相联）。,因为波列是沿光的传播方向通过空间固定点，所以时间相干性是 光场

15、的纵向相干性。,三.光源的线度对干涉条纹的影响,1.两个线光源的情况,衡量光波场时间相干性好坏的量是 , 越大，相干性越好。,说明：,讲到此处！#,64,此时V =0,65,2.扩展面光源的情况,说明：,66,3、空间相干性, 之间距小于 ，光场空间相干；,光场的空间相干性是描述光场中光的传播路径上空间横 向两点在同一时间光振动的关联程度，又称横向相干性。,注意：光的空间相干性和时间相干性是不能严格分开的。,光的空间相干性与光源的线度有关；,说明：,（1）两列光波频率相同、振动方向相同； （2）两列光波在相遇点位相差恒定； （3）两列光波在相遇点光程差不太大； （4）两列光波在相遇点的振幅相差不能太大。,四、光波相干条件,67,本节小结,一、干涉条纹的可见度,、光源的非单色性对干涉条纹的影响,二、光源的非单色性对干涉条纹的影响 光波的时间相干性,68,本节小结,时间相干性（光场的）纵向相干性,三.光源的线度对干涉条纹的影响,69,（1）两列光波频率相同、振动方向相同； （2）两列光波在相遇点位相差恒定； （3）两列光波在相遇点光程差不太大； （4）两列光波在相遇点的振幅相差不能太大。,四、光波相干条件,本节小结,70,1.5 菲涅耳公式,一、公式：,S：与入射面垂直，沿y轴的正方向为正；,P：与入射面平行，沿图中所示方向为正。,S、P、传播方向三者构成右手螺旋,