《大学物理：第十五讲 光波,相干光,双缝干涉,光程,光程差,半波损失》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大学物理：第十五讲 光波,相干光,双缝干涉,光程,光程差,半波损失（23页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1第三篇波波 动动 光光 学学2几何光学几何光学研究光的直线传播及光学仪器的制造。研究光的直线传播及光学仪器的制造。 波动光学波动光学研究光的波动性、电磁本性。研究光的波动性、电磁本性。以牛顿的微粒说为代表（以牛顿的微粒说为代表（17181718世纪）世纪）主要内容：主要内容：光的直线传播、反射、折射定律。光的直线传播、反射、折射定律。主要内容：主要内容：光的干涉、衍射、偏振、电磁本性等。光的干涉、衍射、偏振、电磁本性等。 代表人物：杨氏、菲涅耳、麦克斯韦等（代表人物：杨氏、菲涅耳、麦克斯韦等（1919世纪）世纪）量子光学量子光学研究光与物质的相互作用研究光与物质的相互作用. .（2020世纪
2、初）世纪初）现代光学现代光学以信息光学为核心（以信息光学为核心（2020世纪世纪6060年代开始年代开始) )引 言3实验示意图实验示意图一、双缝干涉定量分析一、双缝干涉定量分析10-1 10-1 双缝干涉双缝干涉 波程差波程差1 1级明纹级明纹0 0级明纹级明纹-1-1级明纹级明纹2 2级明纹级明纹-2-2级明纹级明纹-1-1级暗纹级暗纹2 2级暗纹级暗纹1 1级暗纹级暗纹-2-2级暗纹级暗纹3 3级暗纹级暗纹-3-3级暗纹级暗纹作作光强随光强随x变变.I4由波的干涉条件得由波的干涉条件得明暗纹位置明暗纹位置波程差波程差明纹明纹暗纹暗纹明纹明纹暗纹暗纹51.1.第第k级干涉条纹对称分布在中央
3、明纹两侧。级干涉条纹对称分布在中央明纹两侧。2.2.双缝干涉条纹等间距，与干涉级次无关双缝干涉条纹等间距，与干涉级次无关: :3.3.条纹间距条纹间距讨论讨论且只有且只有d 足够小，足够小，D足够大，才可观察到干涉现象足够大，才可观察到干涉现象。固定时固定时 所以所以:当用白光入射时，除中央条纹是白色外，其它各当用白光入射时，除中央条纹是白色外，其它各级明条纹将随级明条纹将随 的不同而错开，形成由紫到红的的不同而错开，形成由紫到红的彩色条纹，彩色条纹，高级次的干涉条纹将重叠。高级次的干涉条纹将重叠。610-2 10-2 双缝干涉的光强分布双缝干涉的光强分布一、两光叠加时的总光强一、两光叠加时的
4、总光强合振幅合振幅人人眼眼的的视视觉觉暂暂留留效效应应使使人人只只能能观观察到光强的时间（周期）平均值察到光强的时间（周期）平均值. .通常只考虑同种介质中各点的相对光强时，直接取通常只考虑同种介质中各点的相对光强时，直接取71.1.非相干叠加非相干叠加对非相干光，在对非相干光，在 内内 经历由经历由0 022 的所有变化。的所有变化。非相干叠加时光强等于两光波的强度之和。非相干叠加时光强等于两光波的强度之和。2.2.相干叠加相干叠加对于相干光，位相差对于相干光，位相差 恒定，恒定，所以所以双缝干涉双缝干涉( (无恒定位相差无恒定位相差) )8相干叠加相干叠加叠加点的光强随叠加点的光强随 的不
5、同而异。的不同而异。若若 ，则，则当当条纹清晰度下降。条纹清晰度下降。令令则则最强最强最弱最弱9菲涅尔双面镜菲涅尔双面镜可以证明：可以证明：M1、M2是交角为是交角为 的的平面反射镜平面反射镜10-3 10-3 分波阵面干涉法的其他实验分波阵面干涉法的其他实验10洛洛埃埃镜镜实实验验（明纹）（明纹）（暗纹）（暗纹）此处总为暗纹，但此处总为暗纹，但几何路径相等，说几何路径相等，说明光反射时产生半明光反射时产生半波损失！波损失！平面反射镜平面反射镜平面反射镜平面反射镜11原因：原因：引起眼睛视觉效应和物质光化学效应的都是光引起眼睛视觉效应和物质光化学效应的都是光波场中的电场，而非磁场。波场中的电场
6、，而非磁场。10-4 10-4 普通光源、光的相干性普通光源、光的相干性光波光波指人眼可见波段的电磁波：指人眼可见波段的电磁波：400nm760nm400nm760nm通常也包括可见光两侧紫外和红外电磁波。通常也包括可见光两侧紫外和红外电磁波。光强光强光矢量光矢量定义为光振动中的电矢量定义为光振动中的电矢量人眼对于颜色的感觉由光波的频率决定。人眼对于颜色的感觉由光波的频率决定。只讨论同种介质只讨论同种介质中的相对光强。中的相对光强。12一、普通光源一、普通光源光源光源能够发光的物体叫光源。能够发光的物体叫光源。光源分类：光源分类：普通光源，普通光源，激光光源。激光光源。冷光源冷光源普普通通光光
7、源源电致发光电致发光通过电场激发而发光；通过电场激发而发光；光致发光光致发光通过各种光波，如放射线、通过各种光波，如放射线、紫外光、可见光等激发而发光；紫外光、可见光等激发而发光；化学发光化学发光由化学能激发（如萤火虫）。由化学能激发（如萤火虫）。热光源热光源通过热能激发而发光。（例如通过热能激发而发光。（例如白炽灯、燃烧物的发光等。）白炽灯、燃烧物的发光等。）激光光源是人造光源。除激光光源外都是普通光源激光光源是人造光源。除激光光源外都是普通光源. .P21二二 相干光相干光 普通光源发光普通光源发光特特点点： 原子发光是断续原子发光是断续的，每次发光形成一的，每次发光形成一长度有限的波列长
8、度有限的波列, 各各原子各次发光相互独原子各次发光相互独立，各波列互不相干立，各波列互不相干.1）普通光源的发光机制）普通光源的发光机制原子能级及发光跃迁原子能级及发光跃迁基态基态激激发发态态跃迁跃迁自发辐射自发辐射14二、普通光源的发光特点二、普通光源的发光特点任一时刻有大量原子、分子同时发光。任一时刻有大量原子、分子同时发光。每个原子分子发光都是间歇性的，每次发光时间极每个原子分子发光都是间歇性的，每次发光时间极短（短（1010-8-8s s），一次只能发出一个有限长度的波列。），一次只能发出一个有限长度的波列。一个原子分子一次发出的一个波列是振动一个原子分子一次发出的一个波列是振动方向一
9、定、方向一定、振幅不变或缓慢变化的正弦波。振幅不变或缓慢变化的正弦波。同一原子分子先后发出的光以及同一时刻不同原子同一原子分子先后发出的光以及同一时刻不同原子分子分子发出的光的频率、振动方向、初位相等都是各不发出的光的频率、振动方向、初位相等都是各不相同的，具有随机性。相同的，具有随机性。两个普通光源所发的光为非相干光。同一光源上不两个普通光源所发的光为非相干光。同一光源上不同点发出的光也是非相干光。同点发出的光也是非相干光。三、普通光源的相干性三、普通光源的相干性即通常的自然光源为非相干光源。即通常的自然光源为非相干光源。根据普通光源的发光特点知：只有从同一光源的同根据普通光源的发光特点知：
10、只有从同一光源的同一点才有可能获得相干光。一点才有可能获得相干光。15四、相干光的获得四、相干光的获得( (从普通光源从普通光源) )典型实验：典型实验：杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉1.1.分波阵面法分波阵面法在同一波阵面上分出两次波在同一波阵面上分出两次波源而构成两相干光源。源而构成两相干光源。单缝单缝双缝双缝2.2.分振幅法分振幅法通过上下表面反射，把入射光分为两部分，相当于将通过上下表面反射，把入射光分为两部分，相当于将入射光强（振幅）分为两部分再叠加。入射光强（振幅）分为两部分再叠加。16一、光程差与位相差一、光程差与位相差光在介质中的速度光在介质中的速度1.1.光在介质中的波长光在介质中
11、的波长光在介质中传播时波长变短了。在折射率为光在介质中传播时波长变短了。在折射率为n的介的介质中，光波长为真空中波长的质中，光波长为真空中波长的1/n（光的频率不会因光的频率不会因介质不同而改变）介质不同而改变）。10-6 光程、光程差光程、光程差 若光在介质若光在介质n中走过几何路程中走过几何路程 r，则位相改变，则位相改变17光在介质中传播距离光在介质中传播距离r所引起的位相改变与光在真所引起的位相改变与光在真空中传播几何路程空中传播几何路程nr 所引起的位相改变相同。所引起的位相改变相同。2.2.光程光程光程定义光程定义光在介质中传播的几何路程与介质折射光在介质中传播的几何路程与介质折射
12、率的乘积称为光程，即率的乘积称为光程，即 L = nr故故光程光程nr表示表示：在（与光从介质中传在（与光从介质中传播几何路径播几何路径r 的）相等时间内，光在的）相等时间内，光在真空中所走过的路程。真空中所走过的路程。光在介质中传播几何路程光在介质中传播几何路程 r所用的时间与其在真空所用的时间与其在真空中传播中传播 nr路程所用的时间相同。路程所用的时间相同。 18设两相干光分别在两种介质中传播，则位相差设两相干光分别在两种介质中传播，则位相差3.3.光程差与位相差光程差与位相差借助光程的概念，在分析位相差时，可将光在不借助光程的概念，在分析位相差时，可将光在不同介质中传播的路径统一折算到
13、光在真空中走过的同介质中传播的路径统一折算到光在真空中走过的路程来进行比较。路程来进行比较。两光的光程差两光的光程差相干光通过不同介质时，决定其位相差的不是两相干光通过不同介质时，决定其位相差的不是两光的几何路程差，而是其光程差。光的几何路程差，而是其光程差。（设初相（设初相 ）19例：例：设设双缝到屏的距离为双缝到屏的距离为D，入射光波长为入射光波长为 。当在上缝的后。当在上缝的后面放一厚为面放一厚为t、折射率为、折射率为n的透明薄膜时，中点的透明薄膜时，中点o处仍为一明纹，处仍为一明纹，求该明纹的干涉级次及条纹移动的距离求该明纹的干涉级次及条纹移动的距离x。解：解：依题意，此时中央亮纹将上
14、移，而依题意，此时中央亮纹将上移，而o点将被另一点将被另一k级亮纹级亮纹所占据。所占据。条纹移动的距离：条纹移动的距离：即所有条纹向上移动即所有条纹向上移动k 个个级次级次. .故此时故此时o点的光程差点的光程差20二、关于薄透镜近轴光线的等光程性二、关于薄透镜近轴光线的等光程性故光经过薄透镜时，不会产生附加光程差。所以入故光经过薄透镜时，不会产生附加光程差。所以入射前位相相同的光经过薄透镜后位相仍相同。射前位相相同的光经过薄透镜后位相仍相同。对透镜聚焦的解释：对透镜聚焦的解释：等光程点形成焦点。即：像点等光程点形成焦点。即：像点( (焦点焦点) )是光干涉加强的结果。是光干涉加强的结果。注意
15、：注意：上述是对傍轴光线而言，对光偏离轴线足够远上述是对傍轴光线而言，对光偏离轴线足够远时不适用。时不适用。21三、反射光的位相突变和额外光程差三、反射光的位相突变和额外光程差半波损失半波损失光在两种介质的介面反射时发生位相光在两种介质的介面反射时发生位相 的改变。的改变。在下列情况下半波损失一定会发生：在下列情况下半波损失一定会发生：光光是是正正入入射射（i = 0），或或掠掠入入射射（i = 90o），且且光光从从光光疏疏介介质质进进入入光光密密介介质质，则则反反射射波波有有半半波波损损失失；其它入射角时情况较复杂。其它入射角时情况较复杂。光光从从浸浸于于另另一一种种均均匀匀介介质质（n1
16、）中中的的薄薄膜膜（n2）的的上上下下表表面面反反射射时时，两两光光之之间间一一定定有有附附加加程差程差 / 2。22薄膜浸入另一种介质薄膜浸入另一种介质中，有半波损失。中，有半波损失。则上表面的反射有半波损失；则上表面的反射有半波损失；则下表面的反射有半波损失则下表面的反射有半波损失. .或或最终无额外光程差。最终无额外光程差。23例：例：在杨氏双缝实验中，若在下缝的光路中加一厚度为在杨氏双缝实验中，若在下缝的光路中加一厚度为 的的透明片，则中央明纹向下移动透明片，则中央明纹向下移动3个条个条纹，纹，求：求：透明片的折射率。透明片的折射率。解：解：根据题意知，两光在根据题意知，两光在P点的光程差：点的光程差：未加透明片时未加透明片时加上透明片后加上透明片后说明加透明片后下缝光路中光程说明加透明片后下缝光路中光程增加了增加了3 ，即，即
