姚启钧光学课件第一章.ppt

主主要要内内容容1.0光的电磁理论光的电磁理论1.1波动的叠加性和相干性波动的叠加性和相干性1.2由单色波叠加所形成的干涉图样由单色波叠加所形成的干涉图样1.3分波面双光束干涉分波面双光束干涉1.4干涉条纹的可见度干涉条纹的可见度光波的时间相干性光波的时间相干性和空间相干性和空间相干性第第1章章光的干涉光的干涉(Interference of Light)光学光学乓吮搓焚憋虾郎哦斌髓截爹计赁单焰锹夯漾献污钾裔舔纷及樟冰跨毅接慢姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章1.5菲涅耳公式菲涅耳公式1.6分振幅薄膜干涉（一）分振幅薄膜干涉（一）等倾干涉等倾干涉1.7分振幅薄膜干涉（二）分振幅薄膜干涉（二）等厚干涉等厚干涉1.8迈克耳孙干涉仪迈克耳孙干涉仪1.9法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪多光束干涉多光束干涉1.10干涉现象的一些应用干涉现象的一些应用牛顿环牛顿环第1章 光的干涉光学光学唉衰豆咯倡般河弛首轮袜戏伎莹畅沟独庆班锁范筹嚼蜀烁遍臭嚎核宛烤剥姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章3 本章重点：本章重点：1 1干涉的基本理论和处理方法干涉的基本理论和处理方法 2 2杨氏干涉杨氏干涉 3 3等倾干涉和等厚干涉等倾干涉和等厚干涉 4 4迈克尔逊干涉仪的原理迈克尔逊干涉仪的原理 5 5牛顿环及其应用牛顿环及其应用 第1章 光的干涉光学光学与霹蘸取右啃躯狱盛李蔡祷澈耪震膨俯终襄云嗓釉溺图崎访员涨使亦庭菠姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章4 一、光的本质一、光的本质1 1光的本质光的本质 是电磁波，在真空中的传播的速度与电是电磁波，在真空中的传播的速度与电磁波的传播速度是一样的，即为磁波的传播速度是一样的，即为c 2 2光在介质中的传播速度光在介质中的传播速度0：真空中的介电常数 0：真空中的磁导率r：介质的相对介电常数 r：介质的相对磁导率1.0 光的电磁理论光学光学紫恍翱拂逮罚亲慰鸥庄什榨对砸曳守竹讫碌欢呛瑚遵学糜滴馋快欠教擂豺姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章 3 3光在透明介质中的折射率：光在透明介质中的折射率：光在真空的传播速度光在真空的传播速度c 和在和在介质中的传播速度介质中的传播速度v 之比之比。即 上式把光学和上式把光学和电磁学磁学这两个不同的两个不同的领域域中的物中的物理量的联系起来了理量的联系起来了.对于透明介质对于透明介质，在光频波段有：在光频波段有：因此因此 光波的光波的频率率仅由光源由光源频率决定而与率决定而与传播介播介质无无关，光在介质中的波长为关，光在介质中的波长为:1.0 光的电磁理论光学光学5 截插瓣揖骤桥裕备田绷巢钮麻婪翌续概乔勋层祟偶健釉藩巫茹萎病悍沮镰姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章6 EHv方向：是EH 的方向 E H v 1.0 光的电磁理论光学光学4 4光波是横波（电磁波是横波）光波是横波（电磁波是横波）电场强度、磁场强度及光的传播方向三者符合右手螺旋法则。由维纳实验的理论分析可以证明，对人的眼睛或感光仪器起作用的是电场强度。因此，我们所说的光波中的振动矢量通常指的是电场度 .辙兑淋控峡屎史烫玉遍捕夹人撅翼涧颗洁蚜丛贪辖毕庙浑窖凄蹭睫札徽忘姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章7 二、光波段、光强度二、光波段、光强度1 1可见光波段可见光波段：390nm 760nm 真空中波长 7.51014 4.11014 Hz 光的颜色由光的频率决定光的颜色由光的频率决定 2 2人眼最敏感的色光波长人眼最敏感的色光波长：555nm附近附近 敏感波长555nm 760 622 597 577 492 450 435 390nm 38 25 20 85 42 15 45 nm 红 橙 黄 绿 青 蓝 紫1.0 光的电磁理论光学光学字雍鹰稍拖馋窿卢衷僻骂免桔奖镰寒李妓堑苑鹅围券涣冯版斑寞吵蘸趟促姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章8 3 3光强度光强度 通俗地讲，人眼感受或光检测仪观测到光的强度都是通俗地讲，人眼感受或光检测仪观测到光的强度都是平均能流密度平均能流密度。能流密度能流密度，是指单位时间内通过与波的传播方向垂直，是指单位时间内通过与波的传播方向垂直的单位面积的能量，也即通过单位面积的功率。的单位面积的能量，也即通过单位面积的功率。1.0 光的电磁理论光学光学 我我们们检检测测光光波波的的存存在在和和强强弱弱，是是通通过过光光和和物物质质的的相相互互作作用用但但是是，任任何何检检测测器器件件都都有有一一定定的的响响应应时时间间，都都不不能能检检测测电电磁磁波波能能流流密密度度的的瞬瞬时时值值，只只能能检检测测其其在在响响应应时时间间内内的平均值的平均值可见光振动周期可见光振动周期T10-14秒，人眼响应时间秒，人眼响应时间10-1秒，灵敏秒，灵敏的光检测器响应时间的光检测器响应时间10-9秒秒棍泌省溺山赃采潮烬踪从佃急酒惠赔税厌蔬顺汉淬务尺撮斟梦免襄夹尸慢姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章定义：定义：光强度光强度是是平均能流密度平均能流密度，用，用 I 来表示。来表示。1.0 光的电磁理论光学光学同一种介质中两光波强度相比较，同一种介质中两光波强度相比较，由于许多场合下，我们只讨论光强的相对分布，因此令由于许多场合下，我们只讨论光强的相对分布，因此令光强等于振幅的平方，即光强等于振幅的平方，即上式定义的光强称为上式定义的光强称为相对光强相对光强 或或任何波动传递的任何波动传递的平均能流密度平均能流密度与与振幅的平方振幅的平方成成正比正比。系尊乔绵缄抉辽八翅恍屉赋水御颈暖犀杂掖测焊菱窜好舔聋宣糊瓣杆脑辑姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章一、机械波的独立性和叠加性一、机械波的独立性和叠加性 1 1波的独立性波的独立性：从几个振源发出的波相遇于同一区域：从几个振源发出的波相遇于同一区域时，各自保持自己的特性（频率、振幅和振动方向等），时，各自保持自己的特性（频率、振幅和振动方向等），按照自己原来的传播方向继续传播前进，彼此不受影响。按照自己原来的传播方向继续传播前进，彼此不受影响。此即所谓的此即所谓的独立性原理独立性原理。2 2波的叠加性波的叠加性：两列波在相遇处的振动是按瞬时矢量：两列波在相遇处的振动是按瞬时矢量叠加的，即某一时刻的合位移是各分位移的矢量和。叠加的，即某一时刻的合位移是各分位移的矢量和。光学光学1.11.1波波动的独立性、叠加性和相干的独立性、叠加性和相干性性 沟步耐求荣固疽偿乙赶椭斤淫农鬃蜂战刘汽腋辉蕉碗任吮驱筋苦佣林瘴英姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章1.11.1波波动的独立性、叠加性和相干的独立性、叠加性和相干性性 光学光学对光波的叠加就是光波中的电场矢量在空间某点的振动的合成。对光波的叠加就是光波中的电场矢量在空间某点的振动的合成。3 3干涉干涉：如果两波频率相同，在：如果两波频率相同，在观察时间内波动不中断，而且在相遇观察时间内波动不中断，而且在相遇处振动方向几乎沿着同一直线，那么处振动方向几乎沿着同一直线，那么它们叠加后产生的合振动可能在有些它们叠加后产生的合振动可能在有些地方加强，在有些地方减弱。这地方加强，在有些地方减弱。这一一强强度按空间周期性变化度按空间周期性变化的现象称为的现象称为干涉干涉。4 4干涉图样干涉图样：叠加区域内振动强：叠加区域内振动强度的非均匀分布就是度的非均匀分布就是干涉图样干涉图样（干涉（干涉花样，干涉图）。花样，干涉图）。姥脓巢脉庶赋躬揣讥宽按揩蚤傲募检士写赫佬锑悸炔玛得呼厂壮等稻冬磕姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章二、干涉现象是波动的特性二、干涉现象是波动的特性 1 1波动的特征波动的特征：是能量以振动的形式在物质中依次：是能量以振动的形式在物质中依次转移，转移，物质本身并不随波移动物质本身并不随波移动。2 2干涉现象是光波动性的证明干涉现象是光波动性的证明：凡强弱按一分布的：凡强弱按一分布的干涉图样出现的现象，都可作为该现象具有波动本性的干涉图样出现的现象，都可作为该现象具有波动本性的最可靠、最有力的实验证据。最可靠、最有力的实验证据。1.1波动的独立性、叠加性和相干性 光学光学势捧货需婶戳樱面级腐比特节诧扩阶圾说收亩葡钩州吉涨佐远椒所七腰菊姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章三、相干与不相干三、相干与不相干 假定简谐振动，沿同一直线振动，同频率，不同位相。振动方程假定简谐振动，沿同一直线振动，同频率，不同位相。振动方程写为写为1.1波动的独立性、叠加性和相干性 光学光学叠加：即为代数和（因为沿同一直线振动）叠加：即为代数和（因为沿同一直线振动）其中其中 1 1两列波在相遇处的振动叠加两列波在相遇处的振动叠加朴阐胶崇威窃芬赦见浴称师翘陪帮控滇扇锹芜挤个呻帛捡抉擦炉隐掘湍熙姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章 由于实际观察到的总是在较长时间内的平均强度，平均由于实际观察到的总是在较长时间内的平均强度，平均强度的计算方法：强度的计算方法：1.1波动的独立性、叠加性和相干性 光学光学2 2相遇处的振动叠加后的平均强度相遇处的振动叠加后的平均强度(是观察时间是观察时间)因为振动的强度正比于振幅的平方，一般情况下两个振因为振动的强度正比于振幅的平方，一般情况下两个振动叠加时，合振动的强度不等于分振动强度之和。动叠加时，合振动的强度不等于分振动强度之和。渠佬拥代犯笋风离滥喇掠烹刮瀑遵怔媒驾吭憨腿暑寿肢谱侣众力纶黄恃旨姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章 若在任意时刻初位相差若在任意时刻初位相差，则上式末项，则上式末项积分值为积分值为合成振动的平均强度为合成振动的平均强度为1.1波动的独立性、叠加性和相干性 光学光学 3 3相干叠加相干叠加干涉相长干涉相长干涉相消干涉相消煎倔灵莉淳郡毅弟纳逼林罪液烽后练履镍辅穗顿罐钙疯幂佣弥溢拖鞍擒欠姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章如果相位差为其他值，合振动的强度介于如果相位差为其他值，合振动的强度介于I Imaxmax和和I Iminmin之间。之间。1.1波动的独立性、叠加性和相干性 光学光学若若A A1 1A A2 2，则，则 根据前后的分析，可以得到两列或两列以上根据前后的分析，可以得到两列或两列以上的波在空的波在空间一点相遇能产生间一点相遇能产生干涉干涉(或或相干叠加相干叠加)的的条件条件为：为：（1）频率相同；频率相同；（3）振动方向相同振动方向相同.（2）两振动的相位差保持不变；两振动的相位差保持不变；盈窍赋郎投癸嚼释橙慧撞腕蔫峰惭酚啊桅嗅萍顾酶舰廊延潮近贯楞咨班径姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章 若在观察时间内，振动时断时续，以致它们的初相位各若在观察时间内，振动时断时续，以致它们的初相位各自独立地做不规则的改变，在自独立地做不规则的改变，在02之间取一切值且概率之间取一切值且概率均等，则有均等，则有平均强度为平均强度为1.1波动的独立性、叠加性和相干性 光学光学 4 4不相干叠加不相干叠加结果：在观察时间内强度没有空间强弱分布，此即结果：在观察时间内强度没有空间强弱分布，此即非相干叠加非相干叠加。合振动的平均强度等于合振动的平均强度等于分振动强度之和分振动强度之和。设有设有n个振动振幅都等于个振动振幅都等于A1，则合成的平均强度，则合成的平均强度 5 5多个振动的不相干叠加多个振动的不相干叠加贬芽期势隐吭滔判介右粒罚唯瑟酞徽掣皋珐业俞悸倾主锻捶巷稀撵莆终髓姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章1.2由单色波叠加所形成的干涉图样由单色波叠加所形成的干涉图样光学光学托马斯托马斯杨杨实验结果：等间距的明暗交替的条纹。实验结果：等间距的明暗交替的条纹。篇注吹孔芬孟吐位马湘款益鄂泼宽层入陇壕船葱竭跌盂狠亨库溺垢掖盛纺姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章19 一、波的方程与光程一、波的方程与光程1 1波的方程波的方程 SPr波源波源S：波源波源S的振动传播到的振动传播到P点，点，P点也引起振动，振动方程为：点也引起振动，振动方程为：P点振动的初相点振动的初相1.2由单色波叠加所形成的干涉图样由单色波叠加所形成的干涉图样光学光学填峦呼礁脏社田力村辗抓细麓的拿壕籽书刮苫雕吉筏秽拘径商无背哀旺驮姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章1.2由单色波叠加所形成的干涉图样由单色波叠加所形成的干涉图样光学光学20 2 2光程光程P点振动的初相点振动的初相光程定义为：光程定义为：SPr 介质折射率与光的几何路程之积介质折射率与光的几何路程之积物理意义物理意义：将将光在介质中通过的几何路程折算到真空中的光在介质中通过的几何路程折算到真空中的路程路程,便于统一用真空中的波长便于统一用真空中的波长来表示相位差来表示相位差.览伪粪熊侈抄歪睬酝阿埃艘牺庭伦挪甸笋含冕体迭拒章蒂岛珍排煞坎砧堆姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章2008-4-1 21 有了光程有了光程，P点振动写为点振动写为1.2由单色波叠加所形成的干涉图样由单色波叠加所形成的干涉图样光学光学SPr 歹柞状惦捉己鱼董材则梁喝辜袱探往栖姨升决侣慧篮镍彻粗呀仇勺蹄矮侧姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章22 二、相位差与光程差二、相位差与光程差s1 s2 r0 dPP0 r1 r2 y两个振源在两个振源在P点各自引起的振动用光程写为：点各自引起的振动用光程写为：1.2由单色波叠加所形成的干涉图样由单色波叠加所形成的干涉图样 光学光学光源光源S1:光源光源S2:敲谈意猫啊咖踪包虾痔繁澈拧笑恨勇悔保聘撑韦硼英尧歧枣囤闷簧甜邮忻姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章23 两个振源在两个振源在P点各自引起的振动的位相差写为：点各自引起的振动的位相差写为：若在观察时间内若在观察时间内保持不变，则两个振源保持不变，则两个振源是相干的。特别地，若是相干的。特别地，若，则位相差取，则位相差取决于光程差。有决于光程差。有1.2由单色波叠加所形成的干涉图样由单色波叠加所形成的干涉图样光学光学光程差光程差:搐夏驱烙分睡筛疽奠醚童膏摧铜欧目副婉刮雷矫抛岳韦脖台战生血胡购做姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章三、干涉图的形成三、干涉图的形成在在P点，按照两个振动的合成，有点，按照两个振动的合成，有也即光程差满足：也即光程差满足：1.2由单色波叠加所形成的干涉图样由单色波叠加所形成的干涉图样 光学光学设两相干光源满足设两相干光源满足，n2=n1=n=1裁仗难贿亏睹熔侮愉裁派况烹爆竿涧矩脑拷旁婴耍倒酱轿骋奋累祝凿帽瘤姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章 1.干涉图样的形成：干涉图样的形成：（1）干涉相长：）干涉相长：即即即：光程差等于半波长偶数倍的那些即：光程差等于半波长偶数倍的那些P点，两波叠加后点，两波叠加后的强度为最大值。的强度为最大值。1.2由单色波叠加所形成的干涉图样由单色波叠加所形成的干涉图样 光学光学麻御渔爱锑婶么欠谤存婆仅烩孝迈篓见纺冰鸵涩帚槽海授搞蕴些慢食政薯姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章1.2由单色波叠加所形成的干涉图样由单色波叠加所形成的干涉图样 光学光学（2）干涉相消：即：光程差等于半波长奇数倍的那些即：光程差等于半波长奇数倍的那些P点，两波叠加后点，两波叠加后的强度为最小值。的强度为最小值。即即j称为干涉级次，注意称为干涉级次，注意j从零从零取起取起刚且暗乏缸瓷磊肄陵抉髓娥氮驭灰擒廉男辩笆喇美酒曙怠委深邓挎况画厢姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章1.2由单色波叠加所形成的干涉图样由单色波叠加所形成的干涉图样 光学光学 而满足而满足的轨迹是以的轨迹是以S1和和S2连线为回转对称轴的连线为回转对称轴的双叶旋转双曲面双叶旋转双曲面。这些。这些双曲面是一系列等强度面，平行于双曲面是一系列等强度面，平行于S1和和S2连线的平面和双曲面连线的平面和双曲面的交线是一系列等强度的双曲线。这就是所谓的干涉图，或称的交线是一系列等强度的双曲线。这就是所谓的干涉图，或称干涉花样。干涉花样。若两波向一切方向传播，则强度相同的空间各点的几何若两波向一切方向传播，则强度相同的空间各点的几何位置，满足如下条件位置，满足如下条件姿缀绰柔析猎吼面哩栈问棕唉唇惊祷卷津琅烷卡挎孔酚馆碌感栽寐害咕洁姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章空间轨迹空间轨迹平面投影平面投影1.2由单色波叠加所形成的干涉图样由单色波叠加所形成的干涉图样 光学光学委匪嫩渐警俞哺故易蹭萨豺与茎脆脓毋侄挎壁既谣确酶搭忿黑别晨沏夯蔗姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章不同位置的干涉图不同位置的干涉图（1 1）横向位置）横向位置 （2 2）纵向位置）纵向位置 （3 3）倾斜位置）倾斜位置S1 S2（横向）（横向）（倾斜）（倾斜）纵向纵向阮彰弧杯潘莱并恨棘占敏挟尸掸独兢冒陵极肢夕挫葛桅馋凯捷镐半摊尹值姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章四、横向近似直线干涉条纹的位置及间隔四、横向近似直线干涉条纹的位置及间隔1.2由单色波叠加所形成的干涉图样由单色波叠加所形成的干涉图样光学光学S1S2PP0r1r2r0CydEr0 d 很小很小d 10-4m，r0 100 m趁条峭敬俄纳息侦鲸昂盏损咒窝理喉呆甜凋秘撇仔甸政姻祥轴后蓑镇田侠姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章S1S2PP0r1r2r0CydE1.2由单色波叠加所形成的干涉图样由单色波叠加所形成的干涉图样光学光学两光波在两光波在P P点的光程差为：点的光程差为：故：故：作作S1C S2P，又因为，又因为r0 d 相位差：相位差：漆锦缉氏热惕汞坛祥市拔仪阮逗折愉枯咨沥碎菇对孜梢舵厨芳姬痒晃掌讫姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章明暗条纹的条件明暗条纹的条件相长条件相长条件(k=0,1,2,.)相消条件相消条件 (k=1,2,3.)光程差为半波长偶数倍时，光程差为半波长偶数倍时，P P点处干涉加强，点处干涉加强，亮纹亮纹 光程差为半波长奇数倍时，光程差为半波长奇数倍时，P P点处干涉减弱，点处干涉减弱，暗纹暗纹 明暗纹位置：明暗纹位置：明条纹中心位置明条纹中心位置：暗条纹中心位置暗条纹中心位置：k称为条纹级数，式中的称为条纹级数，式中的号表明干涉条纹在点号表明干涉条纹在点P0的两边对的两边对称分布，称分布，k=0,谓之中央明纹。谓之中央明纹。两相邻明（暗）纹间距：两相邻明（暗）纹间距：琵抠犯午臭恒季莲份闯披农减纫纬扬筒剥丹仅拙鸭壁我帽患幻林录换傻尊姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章（4）白光照明，除中央亮纹外，其余各级亮纹带有颜色，白光照明，除中央亮纹外，其余各级亮纹带有颜色，且内紫外红。且内紫外红。k=-1k=2k=1k=0k=3五、干涉图样的五大特征：五、干涉图样的五大特征：条纹的间距条纹的间距条纹的间距条纹的间距 （1 1）亮条纹等强度，等间距；亮条纹等强度，等间距；亮条纹等强度，等间距；亮条纹等强度，等间距；（2 2）一定，一定，一定，一定，；（3 3）、d d一定，一定，一定，一定，。提供测量波长的途径；。提供测量波长的途径；。提供测量波长的途径；。提供测量波长的途径；（5 5）干涉图样的强度记录了相位差的信息。）干涉图样的强度记录了相位差的信息。）干涉图样的强度记录了相位差的信息。）干涉图样的强度记录了相位差的信息。另外，如果另外，如果 0102，干涉图样的形状，干涉图样的形状和规律将保持不变，只不过在光屏上和规律将保持不变，只不过在光屏上条纹将整体向上或向下有一些移动。条纹将整体向上或向下有一些移动。鄙脂皇桩徊复捶层旦弊栽拍褪硼桅婚靳冠瘦攻樊转抖链怪涤肚滋迂攫迎慷姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章1.3分波面双光束干涉分波面双光束干涉 光学光学一、光源的发光机制一、光源的发光机制 通常情况下，当两个光源同时照明同一区域时，观通常情况下，当两个光源同时照明同一区域时，观察不到干涉图样，说明通常两个独立的普通光源之间的察不到干涉图样，说明通常两个独立的普通光源之间的叠加是叠加是非相干叠加非相干叠加，即它们是，即它们是非相干光源非相干光源。为什么普通。为什么普通的独立光源是非相干光源呢？这是由它们的发光机制决的独立光源是非相干光源呢？这是由它们的发光机制决定的。定的。允颖兹蚕隐胯剖秆翱瘸枣趋骤苔荒郸丸蜂竞戈霓时暗帐抉阎懦及漾阜烃肝姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章1.3分波面双光束干涉分波面双光束干涉 光学光学凡能发光的物体称为光源。光源的最基本发光单元是分子、原子凡能发光的物体称为光源。光源的最基本发光单元是分子、原子光源的发光机理光源的发光机理: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 =E/h原子从高能量的激发态，原子从高能量的激发态，返回到较低能量状态时，就把返回到较低能量状态时，就把多余的能量以光波的形式辐射多余的能量以光波的形式辐射出来。出来。能级跃迁辐射能级跃迁辐射波列波列L波列长波列长L=c 称为相干时间称为相干时间牙办瓜跺搭撕踩渔谢巳抛旁沥移饼惭敛尖腑阁双裸膜成参朗茧趾刑敬砷双姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章1.3分波面双光束干涉分波面双光束干涉 光学光学1）普通光源）普通光源:自发辐射自发辐射不同原子同一时刻发出的光波列独立不同原子同一时刻发出的光波列独立同一原子不同时刻发出的光波列也独立同一原子不同时刻发出的光波列也独立 这些分子或原子，间歇地向外发光，发光时间极短，仅持这些分子或原子，间歇地向外发光，发光时间极短，仅持续大约续大约10108 8 s s，因而它们发出的光波是在时间上很短、在空间，因而它们发出的光波是在时间上很短、在空间中为有限长的一串串波列中为有限长的一串串波列(如图如图).).委洋炒赔察颓搭鼻帐街勤杠功渔牺忽亮章返今珍鞠苍饵龙翰莲女沾胜茧渊姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章1.3分波面双光束干涉分波面双光束干涉 光学光学E1E2 =(E2-E1)/h 可以实现光放大可以实现光放大;单色性好单色性好;相干性好。相干性好。例如例如:氦氖激光器氦氖激光器;红宝石激光器红宝石激光器;半导体激光器等等。半导体激光器等等。完全一样完全一样2）激光光源：）激光光源：受激辐射受激辐射受激辐射的两光子频率、位相、振动方向、传播方向受激辐射的两光子频率、位相、振动方向、传播方向完全相同完全相同胀铲温葱姓嘲仔循圆抠董抒帐吁沥靡阑阿生鹿演趋氨捻杨锭言熟狭拙碌碴姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章二、光源和机械波源的区别二、光源和机械波源的区别 机械波：源容易实现干涉机械波：源容易实现干涉表面上表面上光源：难于观察到干涉现象光源：难于观察到干涉现象 光波辐射时，光波辐射时，原子或分子之间的初位相是不彼此无关原子或分子之间的初位相是不彼此无关的。的。辐射的持续时间一般为辐射的持续时间一般为10-8秒，而眼睛的响应时间秒，而眼睛的响应时间约为约为0.1秒。秒。机械波源：振动是连续的，是位移的振动机械波源：振动是连续的，是位移的振动本质上本质上 光源：物质原子或分子辐射引起，辐射不连续光源：物质原子或分子辐射引起，辐射不连续的1.3分波面双光束干涉分波面双光束干涉 光学光学祁卒亦镐次锐逛轻遇碱挺镁徐俐萍暖薪斩破寸驼锄冕远塞灯茅较竭支旱奠姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章三、获得稳定干涉图样的条件和方法三、获得稳定干涉图样的条件和方法1.3分波面双光束干涉分波面双光束干涉 光学光学分波阵面法分波阵面法*光光源源相干光的产生：相干光的产生：分振幅法分振幅法 原则：将原则：将同一光源同一点发出的光波列同一光源同一点发出的光波列，即某个原子某次即某个原子某次发出的光波列分成两束，使其经历不同的路径之后相遇叠加。发出的光波列分成两束，使其经历不同的路径之后相遇叠加。方法：方法：杨氏双缝干涉，菲涅耳双棱镜，洛埃镜。杨氏双缝干涉，菲涅耳双棱镜，洛埃镜。薄膜干涉（劈尖干涉，牛顿环）薄膜干涉（劈尖干涉，牛顿环）舱吴澎您瞳涡喷涕驭槽胰笋瘸富汁宪琼宜李唬嫉藉席亥啥狼凳暂姻晨堑字姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章四、分波面干涉的特殊装置和典型实验四、分波面干涉的特殊装置和典型实验：1.3分波面双光束干涉分波面双光束干涉 光学光学1.杨氏干涉实验杨氏干涉实验 18011801年年，英英国国人人托托马马斯斯 杨杨首首次次从从实实验验获获得得了了两两列列相相干干的光波，观察到了光的干涉现象。的光波，观察到了光的干涉现象。装置与现象：装置与现象：这两列波这两列波在空间发生在空间发生重叠而产生重叠而产生干涉，干涉，在屏在屏幕上出现明幕上出现明暗相间的条暗相间的条纹纹(平行于平行于缝缝s s1 1和和s s2 2)。棘枣庸惊违惠雏餐毡涉湍卯缘切望莲规类挂赌医瑟倒砌掩壳聘银申堰损眷姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章装置的尺度：装置的尺度：S S1 1 和和 S S2 2 面积相等，面积相等，d d：10 10-4-4米量级米量级,孔直径：孔直径：10 10-5-5 10 10-4-4 米量级，米量级，整个装置对称整个装置对称.r r0 0 ：米量：米量级，1.3分波面双光束干涉分波面双光束干涉 光学光学Sdr0炔览婆骨昂胰湍踪枢十疲琵彝笔讼挞诛柠叶咎君考舅饭铣啊返怪扇篓眷萄姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章1.3分波面双光束干涉分波面双光束干涉 光学光学两光波在两光波在P P点的光程差为：点的光程差为：相位差：相位差：屏幕上光强分布规律屏幕上光强分布规律:若光强若光强因此光强分布公式为因此光强分布公式为：条纹间距：条纹间距：岂脉樱仙即呜筛热婚氏勉焰区缴位粗后脱坠胯乐她凛张啸献刀瘪板践寺摔姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章光强分布曲线光强分布曲线-4-3-2-0 2 3 4 1.3分波面双光束干涉分波面双光束干涉 光学光学若若将将小小孔孔改改为为狭狭缝缝，除除了了明明条条纹纹更更加加明明亮亮外外，条条纹纹会会在在缝缝长长方方向向上上加加长长在在 、r r0 0、d d 不不变变的的情情况况下下，条条纹的位置和宽度不变纹的位置和宽度不变 炒界末痢眶橱梆贱佐茹靡坤殷霉质播愚佣疾忆入饭但巡烂砧望抛霞虞前柄姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章2.菲涅耳双面镜菲涅耳双面镜1.3分波面双光束干涉分波面双光束干涉 光学光学 屏屏幕幕 干涉区干涉区肖懊支身出斥蒋早本奄镁鉴淳沥坏此胃联惩嘎铜孙羽管刊然绞卵桐狠韶鸟姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章1.3分波面双光束干涉分波面双光束干涉 光学光学条纹间距为条纹间距为:若以激光器作为光源，由于近于平行光，即相若以激光器作为光源，由于近于平行光，即相当于当于S位于无穷远，位于无穷远，r。则条纹间距为：。则条纹间距为：对于对于He-Ne激光，当激光，当时时 即每毫米内有即每毫米内有210条亮纹或暗纹。条亮纹或暗纹。羡诈天收澄衣晌惫岔僧蕊稻哮峻缸童阮惫盈宰氓佛签痈病祁漳果妮浑吝拘姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章1.3分波面双光束干涉分波面双光束干涉 光学光学3.3.劳洛埃德（洛埃）洛埃德（洛埃）镜实验条纹间距为条纹间距为洛埃洛埃(H.Lloyd)镜镜的装置如的装置如图图所示，它是一个平面所示，它是一个平面镜镜.从狭从狭缝缝S1发发出的光，一部分直接射向屏出的光，一部分直接射向屏E，另一部分以近，另一部分以近90的入射角掠射的入射角掠射到到镜镜面面ML上，然后反射到屏幕上，然后反射到屏幕E上上.PML干涉区干涉区毋挽岭决应收苫外爆沾蚌父迁喂椰额酸丑鲸泄蛇泽锑嫉载徒摊酿奈嘎豹查姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章这这一一变变化化必必然然是是在在反反射射过过程程中中发发生生的的。因因为为光光在在充充满满均均匀匀物物质质或或真真空空中中前前进进时时，不不可可中中途途无无辜辜发发生生这这种种变变化化。反反射射仅在玻璃上表面发生。仅在玻璃上表面发生。因此，因此，L处的光强应该为最大值（明条纹），而且根处的光强应该为最大值（明条纹），而且根据光程差的计算，应出现强度最大值（明条纹）的地方，据光程差的计算，应出现强度最大值（明条纹）的地方，实际观察到的都是暗条纹（最小值）。而应该出现最小值实际观察到的都是暗条纹（最小值）。而应该出现最小值的地方实际观察到的却是亮条纹。的地方实际观察到的却是亮条纹。因因此此光光波波的的振振动动必必然然在在这这里里突突然然改改变变了了相相位位，这这可可以以认认为为是是反反射射光光的的光光程程在在介介质质表表面面反反射射时时损损失失了了半半个个波波长长。这种现象称为这种现象称为半波损失半波损失。即光在介质表面上反射时，入射角接近即光在介质表面上反射时，入射角接近900（大角掠射）（大角掠射）将产生半波损失。将产生半波损失。或者光从光疏介或者光从光疏介质到光密介到光密介质表面上表面上垂直反射垂直反射时，也，也产生了半波生了半波损失。失。灶寅否禁坚屏捉碰斡胶攫丛贩掘宜乖犬拄忻宝宏驻钳冶志窍侮捆途矽猛瘩姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章五五、干涉条纹的移动、干涉条纹的移动 在干涉装置中，人在干涉装置中，人们不不仅关心条关心条纹的静的静态分分布，而且关心布，而且关心它们的移动和变化，因为在光的干涉应用中都与条纹的变动有它们的移动和变化，因为在光的干涉应用中都与条纹的变动有关。造成条纹的变动的因素来自三个方面。关。造成条纹的变动的因素来自三个方面。（1 1）光源的移动）光源的移动；（2 2）装置结构的变动）装置结构的变动（3 3）光程中介质的变化）光程中介质的变化探讨干涉条纹变化时，通常采用两种分析方法：探讨干涉条纹变化时，通常采用两种分析方法：一是一是注视干涉场中某个特定点注视干涉场中某个特定点P，观察有多少条条纹移过此点；，观察有多少条条纹移过此点；另一个是另一个是跟踪干涉场中的某级条纹跟踪干涉场中的某级条纹，看他向什么方向移动，以及，看他向什么方向移动，以及移动了多少距离。只要把握了这一特定条纹的动向，就把握了干移动了多少距离。只要把握了这一特定条纹的动向，就把握了干涉条纹整体的变化情况。涉条纹整体的变化情况。1.3分波面双光束干涉分波面双光束干涉 光学光学隆惋拒撑幕柏姚郑砍栽义项亡断签顷谁亲坤芽赋资雾高炬苹圃揍个呈沦锨姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章 为了了计算移算移动过某个固定某个固定场点点P干涉条纹的数目干涉条纹的数目N，必须知道交于该点的两相干光之间的光程差如必须知道交于该点的两相干光之间的光程差如何变化。每增加（或减小）一个波长，便有一根干何变化。每增加（或减小）一个波长，便有一根干涉条纹移过涉条纹移过P点，故移过点，故移过P点条纹数目点条纹数目N与光程差的与光程差的改变量改变量之间的关系为：之间的关系为：式中式中 为真空中的波长。为真空中的波长。1.3分波面双光束干涉分波面双光束干涉 光学光学谭藻旅攘咀竭涂缠滔凋慕脯凋拘张役镭我油俘炊札咐尊询厅馒忧彪勤矮傈姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章例题例题1杨氏双缝的间距为杨氏双缝的间距为0.2mm，双缝与屏的距离为，双缝与屏的距离为1m.若第若第1级明纹到第级明纹到第4级明纹的距离为级明纹的距离为7.5mm，求光波波长。，求光波波长。解解1：例题例题2用云母片（用云母片（n=1.58）覆盖在杨氏双缝的一条缝上，）覆盖在杨氏双缝的一条缝上，这时屏上的零级明纹移到原来的第这时屏上的零级明纹移到原来的第7级明纹处。若光波波长级明纹处。若光波波长为为550nm，求云母片的厚度。，求云母片的厚度。插入云母片后，插入云母片后，P点点为0级明明纹。dPo解：解：插入云母片前，插入云母片前，P点点为7级明明纹。m弯寒朴狈集图慷噪彝赎属锻寺墨邑注样合仇骄滴式焚彪禹鸵鳞拣崎麓摈俱姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章1.4干涉条纹的可见度干涉条纹的可见度 时间相干性和空间相干性时间相干性和空间相干性光学光学一、干涉条纹的可见度一、干涉条纹的可见度 对于光波来说，干涉现象往往表现为明暗相间的对于光波来说，干涉现象往往表现为明暗相间的条纹。为了描述干涉图场中的强弱对比，引入条纹。为了描述干涉图场中的强弱对比，引入可见度可见度（或（或对比度对比度，反衬度反衬度）的概念）的概念.Imax Imin 可见度的物理意义：可见度的物理意义：若若Imin=0，暗条纹是全黑，暗条纹是全黑，V=1，对比度最好，对比度最好若若Imin=Imax，明暗条纹强度一样，明暗条纹强度一样，V=0，对比度最，对比度最差差(没有条纹）没有条纹）其他情况下，其他情况下，V介于介于1和和0之间。之间。（一）可见度的定义（一）可见度的定义菜彻添宙予之餐挂隙肖郭撵慈俭泄揍陈把泵纵慨馒俱梳肮畏曝檄蘸都茅折姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章1.4干涉条纹的可见度干涉条纹的可见度 时间相干性和空间相干性时间相干性和空间相干性光学光学 影响干涉条纹可见度的因素很多，对于理想的相干点光影响干涉条纹可见度的因素很多，对于理想的相干点光源发出的光波，主要因素是两相干光的振幅比。源发出的光波，主要因素是两相干光的振幅比。（二）两列波相干叠加的干涉条纹对比度（二）两列波相干叠加的干涉条纹对比度 对于两列波相干叠加，强度随位相差分布（空间分布），对于两列波相干叠加，强度随位相差分布（空间分布），有有朵律智蹋盗什格华姐功宜拼汕站楷捍代低地刑淬开肢摄寐永私忆豆险屡桑姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章讨论：讨论：1.4干涉条纹的可见度干涉条纹的可见度 时间相干性和空间相干性时间相干性和空间相干性光学光学因此，能产生明显的干涉现象的补充条件为：因此，能产生明显的干涉现象的补充条件为：两光束的光强两光束的光强（或振幅）不能相差太大。（或振幅）不能相差太大。至舆揽物控苇武篷旱账犊稠坍饱厢处妒沦旋障扳萝绳郝布贱午寇酣只讳层姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章1.4干涉条纹的可见度干涉条纹的可见度 时间相干性和空间相干性时间相干性和空间相干性光学光学二、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 实际的的单色光源，他色光源，他们所所发出的光波都不是出的光波都不是严格格的单一的单一频率（波长）的光，它包含着一定的波长范围频率（波长）的光，它包含着一定的波长范围。由于由于 内内每一波长的光均形成各自一组干涉条每一波长的光均形成各自一组干涉条纹，而且各组条纹除零级以外，其它各级条纹互相间均有一纹，而且各组条纹除零级以外，其它各级条纹互相间均有一定位移，所以各组条纹非相干叠加的结果会使条纹的可见度定位移，所以各组条纹非相干叠加的结果会使条纹的可见度下降。下降。极大值位置的范围由极大值位置的范围由决定决定,称为称为明条纹宽度明条纹宽度.在在 y y 以内，充满着同一干涉级波长在以内，充满着同一干涉级波长在 与与 之间的各之间的各种波长的明条纹。种波长的明条纹。随着干涉级次的提高，干涉条纹的宽度增大，干涉条随着干涉级次的提高，干涉条纹的宽度增大，干涉条纹的可见度便相应的降低纹的可见度便相应的降低.味蹭伶萌巩嫂米僚诬矣苗段启崎糕方革冬渗购下浊这陕需膨钙耽池墩朵冈姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章叠加后强度分布如图叠加后强度分布如图 +合成光强合成光强 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 0 I当波长（当波长（+）的光所对应的）的光所对应的j级亮纹与波长级亮纹与波长 的光所对的光所对应的应的j1级亮纹重合时，条纹就看不见了，此后条纹连成级亮纹重合时，条纹就看不见了，此后条纹连成一片。一片。1.4干涉条纹的可见度干涉条纹的可见度 时间相干性和空间相干性时间相干性和空间相干性光学光学勉纸郭埠核撂阉躲俞滋刊磺诧藉斑讣设跌胞船梗司槛享愿蕾椭娇乐骨蔷黑姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章即能产生干涉条纹的最大光程差为即能产生干涉条纹的最大光程差为光程差光程差 max=由此可得，能观察到的最大干涉级次为：由此可得，能观察到的最大干涉级次为：因而能产生干涉的最大光程差可以写为因而能产生干涉的最大光程差可以写为：称为相干长度称为相干长度.1.4干涉条纹的可见度干涉条纹的可见度 时间相干性和空间相干性时间相干性和空间相干性光学光学汞些挤索乞孤命抄惨验嘿屁另乃题镍惜帛粹眠莆瘪近咽芦晶梦据晴氏投阁姚启钧光学课件第一章姚启钧光学课件第一章三、时间相干性三、时间相干性1.5干涉条纹的可见度干涉条纹的可见度 时间相干性和空间相干性时间相干性和空间相干性光学光学