大学物理光源、光的相干性、杨氏双缝.
大学物理波动光学章节-光波的叠加及相干性-杨氏双缝实验
k红(k1)紫
k 紫 4001.1 红紫 760400
只能取 一级
• 光源尺度对干涉有重要影响 —— 光的空间相干性
实验事实： S 缝加宽
干涉条纹的清晰度下降
去掉 S 缝，直接用普通光源照射
干涉条纹消失
由 B射出的光通过
S1 ,S2 到达 o点产生
的第一级暗纹满足：
B S1
B2S B1S /2
0
6058A
强调： x kD
a
x D 是常用关系式。
a
双缝干涉中需要重视的几个问题：
• 条纹分布： xxk 1xkD/aConst
• 波长变化的影响： 白光照射
彩色谱带
分辨临界条件：1 ,2 (k1)1k2
• 光源移动对干涉条纹的影响：
(R 2 r 2) (R 1 r 1)
(R 2R 1) (r2r1)
ay L
ax D
0
xD y L
条纹移动与光 源移动反向
y
R1 S o
R2 L
x
S1 r1 o' r2
S2 D P
• 强度分布：
I4I0co2(sasin)
0I 4I0
asinkI 4I0 asin(2k1),I0
2
• 光的单色性对干涉条纹的影响：
I
(k1)1k2
I0
k 1 ()/
2 1
2
I0
University Physics
Xi’an Jiaotong University Xiaoli Wang
Coherent condition：
1.两波偏振性相同，
2.频率相同， 3.初相差恒定
▲ 干涉相长（明纹） 2k , (k = 0,1,2,3…)
双缝干涉和杨氏实验的原理
双缝干涉和杨氏实验的原理双缝干涉和杨氏实验是光学领域中具有重要意义的实验现象，通过这两个实验我们可以深刻地理解光的性质和波动特性。
本文将从原理的角度出发，探讨双缝干涉和杨氏实验的背后机制。
首先，我们先来了解一下双缝干涉实验。
在这个实验中，一束单色光通过一个屏幕上的两个缝隙，然后在屏幕后方的观察屏上形成一系列明暗相间的条纹。
这些条纹的出现与光波的波动性质有关。
当光通过缝隙时，每个缝隙成为一个次级光源，次级光源发出的光波将在观察屏上相互干涉。
干涉的结果就是形成一系列明暗相间的干涉条纹。
双缝干涉实验的原理可以用光的波动理论来解释。
根据惠更斯-菲涅尔原理，每个点上的次级光源发出的光波会在所有其他点上相互干涉。
当两个相干光波相遇时，它们在空间中叠加形成干涉图案。
在双缝干涉实验中，两个缝隙发出的光波在观察屏上叠加形成明暗相间的干涉条纹。
接下来我们来说说杨氏实验。
杨氏实验是一种观察光的干涉现象的经典实验。
在这个实验中，一束单色光照射到一个细而远离光源的垂直屏幕上的一条狭缝上，然后在离屏幕较远的观察屏上形成一系列明暗相间的干涉条纹。
杨氏实验的原理与双缝干涉类似，也是基于光的波动性质。
当光通过狭缝时，每个点上的光波会在观察屏上相互叠加干涉。
然而，与双缝干涉不同的是，杨氏实验中只有一个狭缝，因此观察到的干涉条纹更为集中而细致。
双缝干涉和杨氏实验都验证了光的波动性质，并且可以用波动理论进行解释。
然而，实际上，光既可以表现出波动性质，也可以表现出粒子性质。
这是由于光也具有粒子性质的一面，也就是我们常说的光子。
根据量子力学的理论，光子既可以被看作是波动粒子，也可以被看作是粒子波动。
总结一下，双缝干涉和杨氏实验的原理可以用光的波动性质解释。
当光通过缝隙或狭缝时，光波在观察屏上相互干涉，形成明暗相间的干涉条纹。
这些实验是光学领域中非常重要的实验，通过它们我们可以更深入地了解光的性质和波动特性。
光源、相干光及杨氏干涉45页PPT
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
光源、相干光及杨氏干 涉
6、纪律是自由的第一条件。——黑格 尔 7、纪律是集体的面貌，集体的声音， 集体的 动作， 集体的 表情， 集体的 信念。 ——马 卡连柯
8、我们现在必须完全保持党的纪律， 否则一 切都会 陷入污 泥中。 ——马 克思 9、学校没有纪律便如磨坊没有水。— —夸美 纽斯
10、一个人应该：活泼而守纪律，天 真而不 幼稚， 勇敢而 鲁莽， 倔强而 有原则 ，热情 而不冲 动，乐 观而不 盲目过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
大学物理第12章2
(
k
0，1，2，
)
增透膜的最小厚度：d
4n
光学厚度： nd
4
2、增反膜：把低折射率的膜(MgF2)改成同样光学厚度的 高折射率的膜(ZnS)
—ZnS，折射率2.40
2nd
H
2
L
H
2
L
•多层高反射膜
—在玻璃上交替镀上光学厚度
均为/4的高折射率ZnS膜和低
牛顿环 装置简图
分束镜M
.S
显微镜
平凸透镜
o
平晶
R
r
d
A
干涉条纹
(2)光程差和明暗条纹条件
如果不是空 气劈尖，结 果又如何？
应用 ①测微小角度：
已知：λ、n。测出l。
l
2n
2nl
②测微小长度 已知 ：λ、n。测出干涉条纹的总级数 K
d
d 2k 1 （明）d k (暗）
4n
2n
③测折射率：已知θ、λ，测l可得n
④ 检测物体表面的平整度
A
B 若干涉条纹是平行直线，说 明B 面是平的。
n11
n11
=
2 0
=
2 0
2n2d
n1
1
2
§12-5 薄膜干涉
薄膜干涉:光波经薄膜两表面反射后相互叠加所形成的 干涉现象。 薄膜干涉分为：等倾干涉与等厚干涉。
干涉光的获取方法：分振幅法。
一、等倾干涉条纹
1、产生条件
扩展光源发出的不同方向的光，入射到厚度均 匀的薄膜上。 同级干涉条纹对应的光线的入射角相 同，这种干涉称为等倾干涉。
光的干涉与杨氏双缝干涉仪
光的干涉与杨氏双缝干涉仪在物理学中，干涉是一个引人入胜的现象。
当两个或多个波的振幅相遇时，它们会相互叠加，产生干涉图案。
而光的干涉则是指光波的干涉现象。
其中，杨氏双缝干涉仪是最常见的一种实验装置。
一、杨氏双缝干涉仪的原理与构造杨氏双缝干涉仪由著名的物理学家杨振宁提出，用于研究光的干涉现象。
它由两个相距较远的狭缝和一个观察屏幕组成。
当光通过两个缝隙时，会在观察屏幕上产生干涉图案。
杨氏双缝干涉仪的构造相对简单。
主要包括光源、狭缝、透镜和观察屏幕。
光源发出的光线经过准直器（如凸透镜）后，通过一个光阑控制光束的强度和宽度。
接着，光线经过两个狭缝，形成干涉图案，最后通过透镜和观察屏幕，我们可以看到光的干涉现象。
二、光的干涉现象与杨氏双缝干涉仪的应用1. 光的干涉现象当两束波的振幅相遇时，它们会发生干涉。
干涉可以分为构成干涉的两个波是同源波束的同相干干涉和不同源波束的异相干干涉。
光的干涉现象有许多重要的应用，如相位计、激光等。
2. 如何观察光的干涉？杨氏双缝干涉仪是观察光的干涉现象最常用的实验装置之一。
在杨氏双缝干涉仪中，通过调节光源和狭缝的宽度，我们可以观察到干涉图案的变化。
3. 应用领域杨氏双缝干涉仪在科学研究和实际应用中有广泛的应用。
例如，它被用来测量光的波长、频率和传播速度。
此外，它还被应用于光学显微镜、激光技术和光纤通信等领域。
三、一个有趣的实验：杨氏双缝干涉仪的改进除了传统的杨氏双缝干涉仪，科学家们还进行了一些改进和创新，以便更好地理解光的干涉现象。
一种改进是使用单缝代替双缝。
当光通过一个长而狭窄的单缝时，也会产生干涉图案。
这种实验方法被称为“单缝干涉仪”，其产生的干涉图案与杨氏双缝干涉仪略有不同。
另一种改进是使用可变幅度和相位的光源。
这种改进被称为“相干源干涉仪”。
相干源干涉仪使用的光源可以调整幅度和相位，从而产生更加丰富和复杂的干涉图案。
四、光的干涉现象的理论解释光的干涉现象可以用波动光学的理论解释。
大学物理-杨氏双缝干涉
杨氏双缝干涉条纹的讨论
d' k 明纹 d k 0 , 1 , 2 , x d' ( 2k 1) 暗纹 d 2
白光照射时，出现彩色条纹
(P99)
二、三级间开始有重叠
k 3
k 2
k 1
k 1
k2
k 3
相邻两条明纹(或暗纹)间距
d' x d
总结: 真空中杨氏双缝干涉实验
2
1
B
2
C
h
A
作AB BC, 则A、B为同相点(A、B在同一波面上) 光线1 A C 光线2 B C
波程差 AC BC
2
入射波1自空气（光疏媒质）射入 湖水（光密媒质），反射波AC有 半波损失
二、半波损失（书P101 理解掌握）
设媒质1、2的折射率分别为n1、n2，若 n1>n2，则
2) 零级明纹（k = 0）对应 = 0
k
干涉加强明纹
(P98)
d
s1
r1
r2
d'
B
s
x
o
o
s2
k=0 k=0
r
x
d' k d
明纹位置
4)零级暗纹,第一条暗纹
Ex:书P167：11-8
d' ( 2k 1) 暗纹位置 d 2 3) x是可测量量(大量)
k 0,1,2,
Chap 11 (波动)光学
可见光波长范围 : 400 ~ 760 nm (P82) 11-1 相干光 一 光是一种电磁波（横波 P94）
1、普通光源发光特点(书 P95 )：
光的干涉与Young双缝实验
光的干涉与Young双缝实验光的干涉是物理学中一项重要的实验，它揭示了光波的波动性质。
而Young双缝实验，则是干涉现象中极具代表性的实验之一。
干涉是一种波动现象，它是由两个或多个波源产生的波相互作用而产生的。
其中，光的干涉实验就是利用光的波动性进行的。
在这种实验中，一束单色光经过一个物体后分为两束光，然后经过不同路径传播并再次汇合。
当两束光的波峰或波谷相遇时，它们会互相增强，形成亮条纹；而当波峰和波谷相遇时，它们会互相抵消，形成暗条纹。
这种亮暗相间的条纹就是干涉条纹，通过观察干涉条纹的形态和位置变化，我们可以研究光的波动性质。
而Young双缝实验则是关于干涉现象的典型实验之一。
它由英国物理学家Thomas Young在1801年发现并提出。
该实验的设备简单，只需在一个隔板上开两个非常接近的小孔，再将光经这两个小孔照射到屏幕上。
当光通过两个小孔后，形成了两个圆形的光源。
当这两个圆形光源发出的光同时照射到屏幕上时，它们会发生干涉。
干涉现象会在屏幕上形成一系列的亮暗条纹。
Young双缝实验的结果与光的波动性质密切相关。
根据波动理论，当两个波峰或波谷相遇时，它们会互相增强，形成增强区域；而当波峰和波谷相遇时，它们会互相抵消，形成抵消区域。
而在 Young双缝实验中，两个光源的波面是相同的，即它们都是从同一光源发出的光。
当这两个光源的光相遇时，它们符合波动理论的规律，形成了干涉条纹。
干涉条纹的形态和位置变化可以通过改变实验条件来观察。
例如，当将两个小孔之间的距离增加时，干涉条纹的间距也会增大。
而当光源发出的波长增大时，干涉条纹的间距也会增大。
这些实验结果都与干涉现象的理论规律相吻合。
除了干涉现象的基本原理外，Young双缝实验还有许多引申的应用。
例如，在光学领域中，可以利用干涉现象来测量光的波长、光源的亮度和相干性等。
此外，在科学研究和工程应用中，干涉现象也被广泛应用于激光技术、光学成像和干涉测量等领域。
光的干涉与杨氏双缝实验
光的干涉与杨氏双缝实验光的干涉是指两束或多束光波相互叠加而产生干涉现象的现象。
其中，杨氏双缝实验是最经典的光的干涉实验之一。
本文将对光的干涉和杨氏双缝实验进行详细介绍。
一、光的干涉光的干涉是由于光波是一种具有波动性质的电磁波，当两束或多束光波相互叠加时，会出现干涉现象。
干涉分为构造干涉和暗纹干涉两种。
1. 构造干涉构造干涉是指当两束或多束光波相遇时，产生增强或减弱的亮度分布的现象。
这种干涉是由于光的波峰和波谷相互重叠或相互抵消而形成的。
典型的例子是杨氏双缝实验。
2. 暗纹干涉暗纹干涉是指在干涉中出现明显的暗纹现象。
这是由于两束或多束光波相遇时，波峰和波谷产生相互抵消，光的亮度降低而形成的。
二、杨氏双缝实验杨氏双缝实验是由英国科学家杨振宁于1801年设计并进行的实验。
它是用来证明光是一种波动性质的经典实验之一。
1. 实验装置杨氏双缝实验的装置非常简单，由一个准直光源照射到一个板上有两个小孔的屏幕上，光通过两个小孔后再投射到远离屏幕的墙上形成干涉条纹。
通常，光源使用单色光源，以便更好地观察干涉现象。
2. 实验原理杨氏双缝实验的实验原理是，当光波通过两个小孔后投射到墙上时，两个光波相互叠加形成干涉现象。
根据光的波动性质，在某些特定的位置，光的波峰和波谷相互重叠，形成增强的亮纹，而在其他位置则形成减弱的暗纹。
3. 实验结果与分析在杨氏双缝实验中，观察到的干涉条纹为一组明纹和暗纹相间的条纹。
通过观察并测量干涉条纹的宽度和间距，可以计算出光的波长和光的相干长度。
4. 应用与意义杨氏双缝实验不仅是一种常用的实验方法，还有重要的应用价值。
例如，可以通过杨氏双缝实验对光波的性质进行研究，还可以通过杨氏双缝实验测量光的相干性和波长。
总结：光的干涉是由于光波的波动性质，两束或多束光波相互叠加产生的干涉现象。
杨氏双缝实验是光的干涉实验中最经典的实验之一。
通过杨氏双缝实验可以观察到光的干涉条纹，并利用这些条纹进行光波性质的研究和测量。
第十章 第一讲 相干光 杨氏双缝干涉
mm, 现要能用肉眼观察干涉条纹, 双缝的最大间距是多少？
解: (1) 相邻两明纹的间距公式为 D x = ① d d=2mm时, x =0.295mm
d=10mm时,
x =0.059mm
(2) 如果仅能分辨x =0.15mm, 则由①知:此时双缝间距为 D d = 4mm x 双缝间距大于4mm,肉眼无法分辨.
L2
注意: 各波列的 E , 可能各不相同
E3
结论: 同一原子先后发出的光及同一
时刻不同原子发出的光的频率 、振 动方向、初相、发光的时间均是随机 的. 各光波列互不相干！
3
E2 E1
一、普通光源的发光机制和特点 1．普通光源 ——由原子自发辐射发出光. 各光波列互不相干！
各光波列相干！ 2．激光光源 ——由受激辐射产生光.（§ 13-10） 二、相干光的获得
d
r2
x
O
d tan S2 D x = d (D ～ 1m .d～1mm) 很小 d << D x << D D x k k 0,1,2, 干涉加强 出现明纹 d D (2k 1) k 0 , 1 , 2 , 干涉减弱 出现暗纹 2
条纹位置:
观察、实验： 光的直线传播、反射和折射, 形成了“光线”的概念
发明： 透镜、凹面镜、望远镜.
二)．几何光学时期 (11~18世纪末) 实验： 建立了反射和折射定律.
发现： 光的“色散”现象、红外线、紫外线.
理论： 开始思考光的本性是什么？ (1) 牛顿的机械微粒说： 光是按照惯性定律沿直线飞行的微粒流. (2)惠更斯的机械波动说： 光是在特殊媒质“以太”中传播的机械波.
2 1
由杨氏双缝干涉讨论光的相干性
可见 ， 观察屏 上 是 一些 明暗 相 间 隔 的平 行 直 线
因为 、 ｂ 比 ｆ和 Ｚ小 得多 ， 、 均 ０ 可利 用关 系式
＝
Ｉｒ １Ｉｓ。ｚ （ ａ ＝ｉ６）、 兰ｂ ｎ… ｆ） ￣ ［（Ａ ｃＡ ｃ／ ７ 一 。
可见 ， 只有当光源线度趋于零（ ａ一０ 时 ， 即 ） 条
纹对 比度 才最 好 （ ＝ １ ， 着光 源 线度 的增加 ， Ｖ ）随 条 纹 对 比度 降低 ， 相干 性变 差 。 当光 源尺 寸满足 ａ ／ １ １时 ， 纹 消失 。 ｂＡ ＝ 条
维普资讯
第２ ９卷
第 ３期
太
原
科
技
大
学
学
报
Ｖ １２ Ｎ ． ｏ．９ ｏ ３
Ｊｎ ２ ０ ｕ ．０ ８
２０ ０ ８年 ６月
Ｊ Ｕ Ｎ ＬＯ Ａ Ｙ Ａ Ｎ Ｖ Ｒ ＩＹ Ｏ Ｃ Ｅ Ｃ Ｎ Ｅ ＨＮ Ｌ Ｇ Ｏ Ｒ Ａ ＦＴ Ｉ Ｕ Ｎ Ｕ Ｉ Ｅ ＳＴ Ｆ Ｓ Ｉ Ｎ Ｅ Ａ Ｄ Ｔ Ｃ Ｏ Ｏ Ｙ
强；
１ 光源线度与光 的空间相干性
如 图 １所示 ， 示杨 氏双缝 干涉 实验 装置 。 表
Ｉ ｏ＝４０ 为 观察屏 上 的最 大光 强 ； ，。
相 差 竿（ 一。＝ ， 位 ＝ ｒ ， ； ２ ）
Ａ ｒ＝， 一， 表示 由点光 源 Ｓ经 狭缝 Ｓ 、 。 。Ｓ 到 达观 察点 Ｐ的光 程差 。
文章 编号 ：６ ３— ０ ７ ２ ０ ） ３－ ２ ９－ ４ １７ ２ ５ （０ ８ ０ ０ ０ ０
由杨 氏 双 缝 干 涉 讨 论 光 的 相 干 性
王爱 中
光的干涉与杨氏双缝实验
光的干涉与杨氏双缝实验干涉是光波相遇产生的一种现象，它是由于波的叠加所引起的。
杨氏双缝实验是一种经典的干涉实验，通过它我们可以直观地观察到光的干涉现象。
本文将深入探讨光的干涉原理及杨氏双缝实验的过程和观察结果。
一、光的干涉原理光是一种电磁波，它具有波粒二象性。
当光波通过一个狭缝或孔径时，它会向前传播并经历衍射现象，但这并不是干涉现象。
只有当光线遇到两个或多个波前相同的光源时，它们的波函数发生叠加，才会产生干涉现象。
干涉现象可以通过光的波动性来解释。
当两束光波波峰相遇时，它们会进行叠加并增强光的亮度，这种叠加称为相长干涉；相反，当两束光波的波峰和波谷相遇时，它们会进行叠加并减弱光的亮度，这种叠加称为相消干涉。
干涉现象可以用于测量光的波长和介质的折射率，也可以应用于干涉仪器、光学元件等领域。
二、杨氏双缝实验杨氏双缝实验是一个经典的光的干涉实验，它是由英国科学家杨盖尔在1801年设计并进行的。
这个实验通过在一块屏幕上开设两个非常细小的缝隙，然后让光通过缝隙射到另一块屏幕上，观察到的是一系列明暗相间的干涉条纹。
杨氏双缝实验的装置主要包括一个光源、一个屏幕和一个带有两个小缝隙的遮挡板。
当光线从光源射出并通过遮挡板上的两个小缝隙后，形成的光束会射到屏幕上。
在屏幕上观察到的光强分布形式是一系列的亮暗条纹，这就是干涉条纹。
干涉条纹的形成是由于两束光波经过两个缝隙后，在屏幕上相互叠加产生的。
当两束光波波峰相遇时，它们会相长干涉并形成亮纹；当波峰和波谷相遇时，它们会相消干涉并形成暗纹。
杨氏双缝实验是为了验证光的波动性而进行的，它直观地展示了光的干涉现象。
实验的结果与波长、缝隙间距、屏幕距离等因素有关，通过观察和测量干涉条纹的位置和间距，我们可以得到光的波长和其他相关参数的数值。
三、观察结果和应用通过杨氏双缝实验，我们可以获得一系列干涉条纹，并观察到它们的分布规律。
实验结果表明，干涉条纹的间距与波长、缝隙间距及观察屏幕距离有关。
研究光子干涉的双缝干涉实验
研究光子干涉的双缝干涉实验引言：光学是研究光的传播与相互作用的学科。
光子干涉是光学中一种重要的现象，广泛应用于物理学、光学和量子力学等领域。
双缝干涉实验是一种经典的光子干涉实验，它展示了光在经过两个狭缝后产生干涉、波长和波速性质的现象。
本文将从定律到实验准备、实验过程以及实验的应用和其他专业性角度进行详细解读。
一、定律解读：1. 光的干涉定律：光的干涉定律是由杨振宁于1801年提出的，它指出当两束相干光在空间某一点相遇时，会产生干涉现象，即光的干涉。
干涉效应的出现可以通过两束光的相位差决定，如果相位差为整数倍的波长，干涉效应就会增强，如果相位差为半波长的奇数倍，则干涉效应会减弱或消失。
2. 杨氏双缝干涉原理：杨氏双缝干涉原理是由英国科学家托马斯·杨于1801年提出的，它是一种经典的光子干涉实验。
原理是将一束单色光通过两个狭缝，这两个狭缝形成的光源会在屏幕上产生一系列明暗相间的干涉条纹。
这是因为光波通过两个狭缝后，会形成一道道同心圆形的波纹，当这些波纹相遇时，会出现干涉现象。
实验的结果表明，干涉条纹的间距与波长和狭缝间距有关，可以通过干涉条纹的观察来确定光波的性质。
1. 装置：双缝干涉实验通常使用杨氏装置进行。
安装两个平行的狭缝，可以通过微调装置调整狭缝的间距和宽度。
在狭缝之后放置一个屏幕，用于观察干涉条纹。
还需要一束单色的光源，如激光。
2. 实验材料：除了上述的装置之外，还需要一些辅助材料，如支架、光屏等。
三、实验过程：1. 调整装置：首先需要调整狭缝的间距和宽度，通常情况下，狭缝的间距应与波长相当，并且宽度应尽量小。
调整后应确保两个狭缝平行并且在同一水平线上。
2. 照射光源：将单色光源照射到两个狭缝上，并将屏幕放置在适当的位置，以观察干涉条纹。
可以使用激光或其他单色光源来保证光的单色性。
3. 观察干涉条纹：在恰当的条件下，可以观察到屏幕上出现明暗相间的干涉条纹。
可以通过调整装置中的狭缝间距、光源的波长等参数来观察到不同的干涉效应。
光源、相干光及杨氏干涉
r2 r1 I I1 I 2 2 I1I 2 cos( 2 1 2 )
S1 S2
r1
r2
X 讨论： 若： E1 E2
S
I
r2 I1 I 2 2 I1 I 2 cos 2 I1 2 I1 cos 2 2 I1 (1 cos ) 4 I1 cos 2
同一原子先后发出的光及同一瞬间不同原子 发出的光的频率、振动方向、初相位、发光 的时间均是随机的。
E
t
t
结论：一般而言热光源及普通光源发出的光为非 相干光。且同一光源上不同点发出的光也 是非相干光。若要产生干涉须将非相干光 变为相干光。激光光源为相干光源。 将非相干光变为相干光的原则是： “同出一源，分之为二”
光是一个复杂性的客体，它的本性只能通过 它所表现的性质来确定，它的某些方面象波而另 一方面象微粒（波粒二象性）。但它既不是波， 也不是微粒，也不是二者的混合体。 但从20 世纪50年代起光学的发展仍是“方兴未 艾，前途无限”—付里叶光学更新经典光学。
出现了“相干光学”、“纤维光学”、“全息光 全息技术”….它是既年轻又古老的科学。也是现 代技术的基础。 分类： 1、几何光学：研究光的直线传播及光学仪器的 制造； 2、波动光学：研究光的波动性； 3、量子光学：研究光与物质的相互作用。
v水 v空气
对立面：惠更斯--波动说
v水 v空气 v水 v空气
分歧的焦点：光在水中的速度
1850年佛科（Foucauld）测定 微粒说开始瓦解
2、光的机械波动说（19世纪初--后半世纪）
2、光的机械波动说（19世纪初-后半世纪） 英国人杨（T.uoung)和法国人菲涅尔(A.T.Fresnel) 通过干涉、衍射、偏振等实验证明了光的波动性 及光的横波性。
大学物理第三章1杨氏双缝干涉
x)
Acos((t
2
x
4
3
)
入射波与反射波叠加，合成波函数为
y
y1
y2
Acos(t
2
x)
Acos(t
2
x 4 )
3
y 2Acos(2 x 2 )cos(t )
3
3
在 x 2 3 处的合振幅:
A合
2 A cos ( 2
2
3
2
3
)
2A
第三章 光的干涉
S 2
r r
1
2
二. 强度分布规律
r r
1
2
设 S1 和S2 d 的距离为 ， M 中点为 ，
， M D 到屏幕的距离为
2. 光干涉的强度分布规律
光波是电磁波，传播着的是交变的电磁场，
E H 即场矢量 和 的传播。在这两个矢量中，
对人的眼睛或感光仪器（如照相底版、热电偶）等
E 起作用的主要是电场矢量 ，
因此，以后提到光波中的振动矢量时，
E 用 矢量来表示，称为光矢量或称电矢量。
设两个同频率单色光在空间
P 某一点 的光矢量分别为
1E10
0
10
20
10 20
2 1 (k1r1 k2r2 )
E1 E10 cos( t 1 k1r1)
E2 E20 cos(t 2 k2r2 )
p
1· r1
·
r2
·
EE E
2
1
2
E E cos( t ) 0
2 1 (k1r1 k2r2 )
E2 E 2 E 2 2E E cos
1. 原子的发光机理 光源发光是光源中大量的分子或原子进行的 微观过程，最基本发光单元是分子、原子。
大学物理 光的干涉1(杨氏双缝)
y
光速--电磁波速 --电磁 3. 光速--电磁波速
u= 1
E
εµ
1ห้องสมุดไป่ตู้
O
z
H
2
u
x
真空中 c =
ε0µ0
= 2.9979×108 m⋅ s−1
4. 折射率
εµ c n= = = ε0µ0 u
εr µr ≈ εr
1 1 2 w = ε E + µ H2 2 2
5. 光强(电磁波平均能流密度) 光强(电磁波平均能流密度)
λ紫 400 k= = =1.1 λ 红− λ 紫 760 − 400
清晰的可见光谱只有一级. 清晰的可见光谱只有一级.
20
已知： 例3：已知：S2 缝上覆盖 S1 的介质厚度为 h,折射率为 S2 n ，设入射光的波长为λ.
h
r 1
r2
原来的零级条纹移至何处？ 问：原来的零级条纹移至何处？若移至原来的第 k 级明条纹处，其厚度 h 为多少？ 级明条纹处， 为多少？ 解：从S1和S2发出的相干光所对应的光程差
4
波长(nm) 光色 波长 红 橙 黄 绿 青 蓝 紫 760~622 622~597 597~577 577~492 492~470 470~455 455~400
3.9 × 1014 ~ 4.8 × 1014 4.8 × 1014 ~ 5.0 × 1014 5.0 × 1014 ~ 5.4 × 1014 5.4 × 1014 ~ 6.1 × 1014 6.1 × 1014 ~ 6.4 × 1014
6.4 × 1014 ~ 6.6 × 1014
6.6 × 1014 ~ 7.5 × 1014
物理学-10-1 光的干涉
明纹 k=0,1,2… 暗纹 k=1,2…
k=0(中央明纹 中央明纹) 中央明纹 k=1(-1级明纹 级明纹) 级明纹 k=2(-2级明纹 级明纹) 级明纹
表示各级条纹在屏幕中心O点 ±：表示各级条纹在屏幕中心 点
k——干涉条纹的级次
k=0 有x=0，δ =0 ——中央明条纹 ，
（2）条纹特点 —明暗相间等间距分布 ） 明暗相间等间距分布
θ 很小
x δ 波程差： = r1 − r2 = d D （1）条纹分布 ）
D ±k d λ x= ±(2k −1) D λ 2d
两侧对称分布
3.干涉规律
λ 加强 k=0,1,2… ± 2k 2 = ± (2k − 1) λ 减弱k=1,2… 2
k=2(+2级明纹 级明纹) 级明纹 k=1(+1级明纹 级明纹) 级明纹
2 1 3
n1 = 1.0
n2 = 1.38
n3 = 1.50 玻璃
e
则反射最少时薄膜厚度最小值为 取k = 1 ，则反射最少时薄膜厚度最小值为 1 λ 1 550 e = ⋅ = ⋅ ≈ 100 nm 4 n2 4 1 .3 8
Dλ Dλ Dλ （3） x+3 − x−5 = 3 − (−5 ) = 8 ） d d d 0.50 × 589.3 ×10−9 = 8× = 1.5 ×10−3 m 1.2 ×10−3
三、劳埃德镜
相干光源：实光源S1和一个虚光源 S2 验证了反射时有半波损失存在—当屏幕 P 移至 L 处，从 S1 和 S2 到 L点的光程差为零，但是观察到L 点为暗条纹. 表明：入射光与反射光在L处相位相反，即相位差为π.
S1 S2
D
n e
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第三篇 波动光学基础
第5章 光的干涉 第6章 光的衍射 第7章 光的偏振
第5章 光的干涉
光学------研究 光的现象； 光的本性；
光与物质相互作用。
几何光学：以光的直线传播规律为基础，研究各种光学仪器的理论。
波动光学：以光的电磁波本性为基础，研究传播规律，特别是干涉、衍射、偏振
的理论和应用
量子光学：以光的量子理论为基础，研究光与物质相互作用的规律。
§5-1 光源 光的相干性
一、光源
普通光源：自发辐射 激光光源：受激辐射
1、普通光源的发光机理：
例如：普通灯泡发的光；火焰；电弧；太阳光等等。
光源的最基本的发光单元是分子、原子！
)/h
E 1
E 2
自发辐射跃迁 波列
波列长 L = τ c
发光时间 τ≈10-8s
原子发光是间隙式的。
各个原子的发光是完全独立的，互不相关： 它们何时发光完全是不确定的；
发光频率、光的振动方向、光波的初相位以及光波的传播方向等都可能不同。
因此,不同原子发的光不可能产生干涉现象！ 多原子不同步地发出许多相互独立的波列。
2、光的颜色和光谱
可见光：3900 Å —— 7600 Å
不同频率的光引起不同的颜色感觉。
（见表12.1） 理想的单色光：具有恒定单一频率的简谐光波 复色光：一般光源的发光，包含各种波长成分 3、光强 光是电磁波：
实验表明，能引起眼睛视觉和照相底片感光作用的是光波中的电场 E 光矢量：E
光振动：E 随时间周期性的变化 光的波动方程
002cos E E t x πωϕλ⎛
⎫=+-
⎪⎝
⎭
E → 光矢量
H
v
独立（不同原子发的光）
独立（同一原子先后发的光）
能流密度：S E H =⨯
002cos E E t x πωϕλ⎛
⎫=+-
⎪⎝⎭
光强 2
0I E ∝
二、光的相干性
1、光的相干性
光的相干条件：频率相同，光振动方向相同，相位差恒定
两光源发出的光传播到 P 点，在 P 点所引起的光振动方程分别为
1101012c o s E E t r πωϕλ⎛
⎫
=+-
⎪⎝⎭ 2202022c o s E E t r πωϕλ⎛
⎫=+-
⎪⎝⎭
P 点合成光振动
()00cos E E t ωϕ=+
P 点合成光矢量的振幅
2
220102010202c o s E E E E E ϕ
=++∆ ()()2010212r r π
ϕϕϕλ
∆=--
-
P 点光强
12I I I ϕ=++∆ （1）非相干叠加 相位差 ϕ∆ 不恒定 12I I I =+ （2）相干叠加 相位差 ϕ∆恒定
12I I I ϕ=++∆
S 2
S 1
r 1
r 2
p
P 点的光强不随时间变化，不同位置 ϕ∆ 不同，光强 I 不同
⇒ 光强稳定分布的图样
干涉相长： 2k ϕπ∆=± （0,1,2,
k =） → 明纹中心
干涉相消： ()21k ϕπ∆=±+ （0,1,2,k =） → 暗纹中心
2、获得相干光的方法：
“将光源上同一原子同一次发的光分成两部分，再使它们叠加”
分波阵面法：杨氏双缝干涉，菲涅耳双面镜，洛埃镜 分振幅法： 薄膜干涉
§5-2 杨氏双缝干涉
一、杨氏双缝干涉实验
英国科学家 Thomas Young(1773-1829)
d
λ
D
d （4
~10, ~d m D m -）
波程差： 21sin r r d δθ=-≈
（ D d ，θ 很小）
任一点P 的位置：tan sin x D D θθ=≈
1、条纹位置：
两条光线的相位差为
()()0201212r r πϕϕϕλ∆=---()2122r r ππ
δλλ
=--=-
s
s 1 s 2
细线光源
单色
干涉相长和干涉相消的条件为
2k ϕπ∆=± （0,1,2,k = 干涉相长
(21)k ϕπ∆=±- （1,2,
k =） 干涉相消
用波程差δ表示为
sin 22
d k λ
δθ==± （0,1,2,k = 光强最大 （亮）
()21
2
d k λ
δ==±- （1,2,k =） 光强最小 （暗）
θ
δ=其它值 介于亮暗之间
线位置 t a n
s i n D
x D D d
θθδ=≈= （1）明纹中心
D
x k d λ=± （0,1,2,k =） 光强最大 → 明纹中心位置
0k =，00x = ，0δ= ⇒ 0级中央明纹 （ 0ϕ∆= ）
1k =，1D x d λ
±=±
，δλ=± ⇒ 1±级明纹 2k =，22D x d
λ
±=±，2δλ=± ⇒ 2±级明纹
可以看出：x 越大，波程差越大，干涉条纹的级次也越大。
（2）暗纹中心
()212
D x k d λ
=±- （1,2,k =） 光强最小 → 暗纹中心位置
1k =， 12D x d λ±=± ，2λ
δ=± ⇒ 1±级暗纹
2k =， 232D x d λ±=±，32
λ
δ=± ⇒ 2±级暗纹
2、条纹间距：
明纹与暗纹交替排列！θ不太大时条纹等间距！
相邻两明纹(或暗纹)之间的距离都是
D x d
λ∆=
3、光强分布：
2220102010202cos E E E E E ϕ=++∆
12I I I ϕ=++∆
（1）120I I I == ：
max 04I I = min 0I =
（2）12I I ≠
min 0I ≠ 4、条纹特点：
对称分布于屏幕中心 O 点两侧，平行于狭缝的直条纹，明暗条纹交替排列，等间距
推广：用白光做实验，观察到什么现象？
22
D x k
d λ
=± ⇒ 波长越长，条纹愈稀！
不同波长光都形成自己的干涉条纹：
∆ ϕ
2π
-2π
4π -4π
m a x m i n
ϕ
2π
-2π
4π
-衬比度好
衬比度差
中央条纹为白光！
除0级外，其余级次都将错开，彩色条纹！
例5.1：以单色光照射到相距为0.2mm 的双缝上，缝屏间距为1m
（1）从第一级明纹到同侧第四级的明纹为7.5mm 时，求入射光波长； （2）若入射光波长为6000 Å，求相邻明纹间距离。
解：（1）0.2d =mm=4210-⨯m ， 1D =m
第k 级明纹的中心位置为 k D
x k
d
λ= 故 4143D D D
x x d d d λλλ-=-=
⇒ ()7415103d
x x D λ-=-=⨯m=5000 Å
（2） 3310D
x d
λ-∆==⨯m=3mm
二、其他分波阵面法（略讲）
1、菲涅耳双面镜：（自学）
2、洛埃镜： （1）原理图：
反射光可视为从虚光源S '发出！组成一对相干光源。
S 与S ' 距离很近（掠入射） （2）半波损失
将屏幕放在L 处并与镜接触，接触屏上出现的是暗条纹！ 位相相反！
波程差 0δ= ！ 但相位相反 ϕπ∆=
E
光从空气掠射到玻璃而发生反射时，反射光相位有π的突变！
光疏介质 光密介质
向前传播一个波长 λ 相位变化 2π
波长损失 2
λ
相位突变 π （损失π）
证明了光的“半波损失”。
条件：光疏介质 （n 小） （n 大）。