第十六章光的干涉

§16-2 光源 相干光
.5.
(Light Source, Coherent Light)
一、光源
光源的最基本发光单元是分子、原子
能级跃迁辐射 E2
波列
= (E2-E1)/h
称为相干时间
E1
波列长L = c
1. 普通光源：自发辐射
· ·
独立(不同原子发的光)
独立(同一原子先后发的光)
2. 激光光源：受激辐射
(4)用白光作光源可见彩色条纹，从中央明纹向 两边由紫色到红色，且随级次 k 的增大，条纹 发生重叠； (5)越靠近中央，级次越低.
二、光强分布
I I1 I2 2 I1I2 cos ,
若 I1 = I2 = I0
则
I
4I0
cos 2
2
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( d sin 2 )
-4
-2 x -2
-2 /d
-2
.4.
单位时间内通过垂直于波速方向单位面积
的辐射能量,称为 辐射强度,也称坡印廷矢量: S EH
• 在光学中,通常把一个周期内电磁波辐射强度
的平均值称为光的强度.常使用其相对大小:
I
1 2
E
2 0
或
I E02
❖可见,光强正比于电场强度振幅的平方.
四、光是电磁波
理论和实验证实光(可见光)是电磁波;红外线、 紫外线、X射线等都是电磁波,统称“光”.
D
双缝屏
➢实现双缝干涉的条件：
像屏
d >>λ，D >> d (d 10 -4m, D 100 m)
波程差：
r2
r1
d
sin
d
tg
d
x D
dx
D
(几何路程差)
相位差： 2
( 2 1 )
1.明条纹条件 2k
2
明条纹位置
xk
k
D d
(k 0,1,2…)
.10.
k 为条
(k 0,1,2…) 纹级次
o
0
Ei Ei1
Ei
Ei
h
(二). 相干长度与相干时间
.14.
1.相干长度 两波列能发生干涉的最大波程差为相干长度
m
km
2
km
为干涉的最大级次
为中心波长
❖只有同一波列分成的两部分经不同的光程再相遇时
才能发生干涉。
波列长度就
c1 S
S1 b1
aa·12p
是相干长度
c2 S b2
2
2.暗条纹条件 (2k 1) ,
2
(k 1,2…)
暗条纹位置
xk
(2k
1)
D 2d
❖相邻明条纹或暗条纹的间距
双缝干涉条纹特点：
(k 1,2…)
x
xk 1
xk
D d
(1)平行、明暗相间、等间距( 不太大)的条纹； (2)当D、λ一定，则缝间距d 越小，条纹越疏；
(3)当D、d一定，则波长λ越短，条纹越密； .11.
注: “ ” 等代表波列
c1
S c2
b1 S1
a1·p a2
b2
S2
2.相干时间 光通过相干长度所需时间
m
c
由
m
km
2
可见
m
E2 0
E2 10
E2 20
2E10 E20
cos
E20
E0
E10
I E02
I1 E120
I2
E
2 20
.7.
I I1 I2 2 I1 I2 cos
2
1
2
(r2
r1 )
▲相干加强条件 2k , (k = 0,1,2,3…)
I Imax I1 I2 2 I1I2
▲相干减弱条件 (2k 1) , (k = 0,1,2,3…)
§16-7 迈克耳逊干涉仪
§16-1 光的电磁理论
.2.
(Electromagnet Theory of Light)
一、电磁波的产生与传播
根据麦克斯韦电磁场理论：变化的电场与变
化 间的 中磁 以场一相定互的激 速发 度，u传形播成，电形磁成场；电电磁磁波场. 在空
二、电磁波的性质 1.电磁波的电场强度 E和磁场强度 H在同一地 点同时存在，且具有相同位相；
I Imin I1 I2 2 I1I2
3. 条纹衬比度(对比度，反衬度)
V I max I min I max I min
I1 I2
I
Imax
I1 I2 I0
.8.
I
4I0
Imax
Imin
-4 -2 o 2 4
衬比度差 (V < 1) 决定衬比度的因素：
振幅比 光源的宽度
-4 -2 o
E(r,
t
)
E
0cos (t
r u
)
H
(r
,
t
)
H
0cos (t
r u
)
E
E
.3.
u
u
H
H
2.电磁波是横波
E
H
u,
且满足右螺旋(如上图)
3.
E和
H
的关系
E
H
r0 r0
4.电磁波的速度 u 1 真空中: u c 1
0 0
5.介质的折射率 n c u
rr
三、电磁波的辐射强度
2 4 Imin
衬比度好 (V = 1)
光源的单色性
4. 普通光源获得相干光的途径
分波阵面法
p
S*
分振幅法
S*
·p
薄膜
§16-3 双缝干涉 (分波阵面法) (动画) .9.
· (Interference of Tow Gap) p x
一、双缝干涉 单色光垂直入射
s1 d
r1
r2
x o
s2
x
I
.6.
p
E2 完全一样(频率,位 1 r1
·
= (E2-E1)/h
相,振动方向,传播 · r2
E1 方向)
二、光的相干性
·
2
1.相干条件：频率相同；振动方向相同；位相差恒定
2.相干光的强度分布
P:
E1
E10
cos( t
1
2
r1
)
E2
E20 cos( t 2
2
r2
)
E E1 E2 E0 cos( t )
-1 x -1
- /d
I 4I0
0 2 4
012 k
0
x1
x2
x
0 /d 2 /d sin
三、洛埃镜实验：
S1 *
E .12.
K
L
S2 *
➢当点光源S1发出的光几乎平行于镜面KL入 射时，反射光与直射光在相遇区域产生干涉。
➢反射光发生半波损失。
半波损失:光从光疏介质(折射率小)向光密介质 (折射率大)入射时，反射光的位相落后于入射光
第五篇
(光的干涉)
课件制作人 基础课部物理教研室
赵存虎
2001.6. 主要参考资料：清华大学编《大学物理电子课件》
第十六章 光的干涉
.1.
(Interference of Light)
§16-1 光的电磁理论
§16-2 光源 相干光
§16-3 双缝干涉
§16-4 光程和光程差
§16-5 薄膜干涉
§16-6 劈尖干涉 牛顿环
的位相， 相当于反射光少走 / 2的光程.
*四、相干长度与相干时间
、
.13.
(一). 光的非单色性
1.理想的单色光
2.准单色光、谱线宽度
• 准单色光：在某个中心波长(频率)附近有一
定波长(频率)范围的光。
I
• 谱线宽度：
I0
• 造成谱线宽度的原因 自然宽度 I0 /2
谱线宽度
Ei+1
·
Ei+1