物理光学课件(川大)chaptor2A

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2.1.2 光干涉的条件
I = I1 + I 2 + 2 I1 I 2 cos θ cos ϕ
I12 = 2 I1 I 2 cosθ cos ϕ 称干涉项
θ : 振动方向夹角;ϕ : 相位差

干涉是否发生,干涉效应是否明显,完全决定于
ϕ
当 I12 ≡ 0 时,I=I1+I2,不发生干涉,非相干 叠加。 相位差 ϕ 在叠加区域内逐点变化,形成不均 匀的光强分布,相同的点组成一系列等光强面 (或等光强线),即干涉花样。
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2.1.1 光的干涉现象
I = E + E + 2E1x E2 x cos ϕ + E + E + 2 E1 y E2 y cos ϕ
2 1x 2 2x 2 1y 2 2y
= E + E + 2( E1x E2 x + E1 y E2 y ) cos ϕ
2 1 2 2 2 2 = E01 + E02 + 2E01E02 cos θ cos ϕ
(Interferometers and their applications)
2.6 光的相干性
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(The coherence of light)
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( 2.1 光干涉的条件 The conditions of interference )
2.1.1 光的干涉现象
在两束(或多束)光在相遇的区域内,各点的光 强可能不同于各光波单独作用所产生的光强 之和,形成稳定的明暗交替或彩色条纹的现象, 称为光的干涉现象。
0.8
0.6
0.4
Im
0.2
当 I2 / I1 = 1 时,V = 1; 当 I2 / I1 = 0 或 ∞ 时, V = 0; 为获对比鲜明的干涉条纹,应力求两叠加光 的强度相等。
0.0 -4 -2 0 2
x
4
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2.1.2 光干涉的条件
相干条件 综上所述,相干条件为 (A)频率相等 (B)振动方向平行 (C)稳定的初相位差 (D ) I1 ≈ I 2 (A)(C)应严格满足
即两光束的频率相等且两光束的初相位差固定。
2.1.2 光干涉的条件
I
条纹的可见度
1.0
IM
0.8
IM − Im V = IM + Im
0.6
0.4
Im
0.2
0.0 -4 -2 0 2 4
x
当 Im= 0 时,V=l , 条纹最清晰; 当 IM = Im 时,V=0, 无干涉条纹; 当 0< Im < IM 时,0 < V < 1。
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2.1.1 光的干涉现象
* 干涉原理---独立传播原理 两/多列波在相交处
振动独 立 → 振动 相 加 → 强度干涉
实际的光场是许多个简谐波的叠加 叠加结果为光波振幅 的矢量和,而非强度和
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2.1.1 光的干涉现象
独立传播原理
两列光波相遇,每列波仍然保持原有的特性 (频率、波长、振动方向、传播方向等)。
⎡E1x exp ⎡i (ω1t − k1 ⋅ r1 +ϕ01 ) ⎤⎤ ⎡E2x exp⎡i (ω2t −k2 ⋅ r2 +ϕ02 ) ⎤⎤ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎥ E2 = ⎢ ⎥ E1 = ⎢ ⎢E1y exp ⎡i (ω1t − k1 ⋅ r1 +ϕ01 ) ⎤⎥ ⎢E2y exp⎡i (ω2t −k2 ⋅ r2 +ϕ02 )⎤⎥ ⎣ ⎦⎦ ⎣ ⎦⎦ ⎣ ⎣ ⎧E1x exp ⎣i (ω1t − k1 ⋅ r1 + ϕ01 ) ⎦ + E2x exp ⎣i (ω2t − k2 ⋅ r2 + ϕ02 ) ⎦⎪ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎫ ⎪ E =⎨ ⎬ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎭ ⎪E1y exp ⎣i (ω1t − k1 ⋅ r1 + ϕ01 ) ⎦ + E2y exp ⎣i (ω2t − k2 ⋅ r2 + ϕ02 ) ⎦ ⎪ ⎩
*
2.1.3 获得相干光的方法
分波面法 Division of wave-front
– 由同一波面分出两部分或多部分,然后再 使这些部分的子波叠加产生干涉。双缝干 涉就是一种典型的分波阵面干涉。
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2.1.3 获得相干光的方法
分振幅法 Division of amplitude
– 同一光波经薄膜的上、 下表面反射,将其振幅 分成两部分或多部分, 再将这些波束叠加产生 干涉。薄膜干涉、迈克 耳逊干涉仪和多光束干 涉仪均利用了分振幅干 涉。
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2.2.1 分波面双光束干涉
* 程差公式
= D 2 + ( y + d / 2) = D 2 + y + ( d 2 / 4) + dy r
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2.1.2 光干涉的条件
ϕ 不随时间变化
ϕ = k2 ⋅ r2 − k1 ⋅ r1 +ϕ01 −ϕ02 + (ω1 −ω2 ) t
可得ϕ 不随时间变化条件为
为观察到稳定的条纹分布,还要求两光束的相位差 ϕ 不随时间变化,由
ω1-ω2=0
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ϕ01-ϕ02=常量
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2.2.1 分波面双光束干涉
激光分波面 双光束干涉 不定域 干涉, 干涉强 度较 弱。
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2.2.1 分波面双光束干涉
干涉问题的一般处理方法
I12 = 2 I1I 2 cosθ cos ϕ
Δ( y)
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y md → → ε、 色 散 δ ( y) y mb
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E 2 = E 02 exp ⎡ i (ω 2 t − k 2 ⋅ r2 + ϕ 02 ) ⎤ ⎣ ⎦
2.1.1 光的干涉现象
I = [ E] [ E]
τ

{E {E
{E
1y 1y
= E1x exp ⎡i (ω1t − k1 ⋅ r1 +ϕ01 ) ⎤ + E2x exp ⎡i (ω2t − k2 ⋅ r2 +ϕ02 ) ⎤ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦
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人物传记-Thomas Yong.
• Thomas Yong( 1773―1829 )英国物理学家,考古学 家,医生。光的波动说的奠基人之一。1773年6月13 日生于米尔费顿,曾在伦敦大学、爱丁堡大学和格丁 根大学学习,伦敦皇家学会会员,巴黎科学院院士。 1829年5月10日在伦敦逝世。 Yong在行医时就开始研究感官的知觉作用,1793年 写了第一篇关于视觉的论文,发现了眼睛中晶状体的 聚焦作用,1801年发现眼睛散光的原因,由此进入光 学的研究领域。他怀疑光的微粒说的正确性,进行了 著名的杨氏双孔及双缝干涉实验,首次引入干涉概念 论证了光的波动说,又利用波动说解释了牛顿环的成 因及薄膜的彩色。他第一个测定了7种颜色光的波 长。1817年,他得知A.J.菲涅尔和D.F.J.阿拉果关于 偏振光的干涉实验后,提出光是横波。他对人眼感知 颜色问题做了研究,提出了三原色理论。他首先使用 运动物体的“能量”一词来代替“活力”,描述材料弹性 的杨氏模量也是以他的姓氏命名的,他在考古学方面 亦有贡献,曾破译了古埃及石碑上的文字。
exp ⎡ −i (ω1t − k1 ⋅ r1 + ϕ01 ) ⎤ + E 2y exp ⎡ −i (ω2t − k2 ⋅ r2 + ϕ02 ) ⎤ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦
2 2 = E12x + E2 x + 2E1x E2 x cos ϕ + E12y + E2 y + 2 E1 y E2 y cos ϕ 2 = E12 + E2 + 2( E1x E2 x + E1 y E2 y ) cos ϕ 2 2 = E01 + E02 + 2E01E02 cosθ cos ϕ
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2.1.3 获得相干光的方法
两类方法
* 要严格满足前面条件(A)、(C), 只能将源于同一波列的光分成几束光 波,然后再令其产生干涉。 分光束的具体方法 分波面-division of wave-front 分振幅-division of amplitude
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Newton’s Rings
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2.1.1 光的干涉现象
三个层次 按考察的时间不同,干涉分为三个层次: 场的即时叠加——暂态干涉——稳定干涉。 在线性媒质中第一层次总是存在的,它能否 过渡到第二、第三层次则与观测条件有关。 不同的观测条件导致相干条件的不同提法。 所谓稳定干涉是指在一定的时间间隔内,光 强的空间分布不随时间改变。强度分布是否 稳定是区别相干和不相干的主要标志。
1x
{
exp ⎡−i (ω1t − k1 ⋅ r1 +ϕ01 ) ⎤ + E2x exp ⎡−i (ω2t − k2 ⋅ r2 +ϕ02 ⎣ ⎦ ⎣
} )⎤} + ⎦
} }
exp ⎡i (ω1t − k1 ⋅ r1 + ϕ01 ) ⎤ + E 2y exp ⎡i (ω2t − k2 ⋅ r2 + ϕ02 ) ⎤ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦
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2.1.3 获得相干光的方法
满足相干条件的光波称为相干光,发出相干 光的光源称为相干光源。 两个普通的独立光源,即使振动频率相同, 不能认为有恒定的相位差。 即使是同一个光源,它的不同部分(不同点) 发出的光之间也没有恒定的相位差。只有来 自光源上同一电子同一跃迁发射的光波,它 们的初相位才是相同的。 扩展光源是由大量互不相干的点光源组成。 因此,它们都不是相干光源。
振动方向角 位相差
I = I1 + I2 + 2 I1 I2 cosθ cosϕ ⎧I1 + I2 + 2 I1 I2 cosθ ⎪ =⎨ ⎪I1 + I2 − 2 I1 I2 cosθ ⎩
ϕ = 2mπ , ϕ = (2m + 1)π ,
IM Im
当相位差为其它值时,光强介于最大值和最小值之间。
振动相加 → 强度干涉
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2.1.2 光干涉的条件
互相垂直的线偏振光不相干
π 若 E01 ⋅ E02 = 0 或 θ = , 2 有 I12 ≡ 0
干涉项为 I12 = 2 I1 I 2 cos θ cos ϕ
∗ ∗ ∗
两个振动方向互相垂直的线偏振光不相干 当两个振动有平行分量时才会相干 当两列波振动向完全相同时,干涉效应最明显
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2.1.1 光的干涉现象
两列单色平面线偏振光在P处 E 1 = E 01 exp ⎡ i (ω1 t − k1 ⋅ r1 + ϕ 01 ) ⎤ ⎣ ⎦
E = E01 exp⎡i (ω1t − k1 ⋅ r1 +ϕ01 ) ⎤ + E02 exp⎡i (ω2t − k2 ⋅ r2 +ϕ02 )⎤ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦
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光电信息学院 叶玉堂
第2章
前言
光的干涉
干涉现象是波动的 基本特征之一。 本章主要从光的干 涉现象来说明光的波动 性质,讲述光的干涉规 律、典型的干涉装置及 其应用、并讨论光的相 干性。
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第 2 章 光的干涉
(The theory of interference)
2.1 光干涉的条件 (The conditions of interference ) 2.2 双光束干涉 (Two-beam interference) 2.3 多光束干涉 (Multiple-beam interference) (Optical Films) 2.4 光学薄膜 2.5 典型的干涉仪
P点光强
I = I1 + I2 + 2 I1I2 cosθ cosϕ
I2 = E ,
2 02
(2-3)
ϕ = k2 ⋅ r2 − k1 ⋅ r1 +ϕ01 −ϕ02 + (ω1 −ω2 ) t,
物理光学
I1 = E ,
2 01
θ 为两束光振动方向的夹角
位相差
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2.1.1 光的干涉现象
θ ϕ
由这两大类构成了众多形式用途各 异的干涉系统
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2.2 双光束干涉(Two-ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱeam interference)
按相干叠加的光束数,干涉还可 分为双光束干涉和多光束干涉。 本节讨论双光束干涉
物理光学
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2.2.1 分波面双光束干涉
1. 杨氏双缝干涉
Young’s Double Slit Interference
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2.1.2 光干涉的条件
光强比对条纹可见度的影响
对于振动方向平行的双光束干涉
由I = I1 + I 2 + 2 I1I 2 cos ϕ
I
1.0
IM − Im 得 V = IM + Im
4 I1I 2 2 I 2 I1 = = 2( I1 + I 2 ) 1 + I 2 I1
IM
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