大学物理学第三版(张三慧)课件第22章光的干涉详解

c1
S c2
b1 S1
a1·P a2
b2
S2
不能干涉
只有同一波列分成的两部分，经过不同的 路程再相遇时才能发生干涉。
波列长度就是相干长度： max L 17
4.相干时间 光通过相干长度所需时间叫相干时间。
max
c
时间相干性的好坏，就是用一个波列延续
的时间 或波列长度L来衡量的。
18
例22-2 在一双缝干涉实验中，光源用低压 汞灯并使用它发出的绿光作实验，
空间相干性: 相干间隔
d0
R b
若 b 和 R一定，则要得到干涉条纹，必须
d
d0
R b
相干间隔d0 是光场中正对光源的平面上能 够产生干涉的两个次波源间的最大距离。
相干孔径：
0
d0 R
源自文库
b
0 越大空间相干性越好。
22
利用空间相干性可以测遥远星体的角直径
M1 反射镜
M3
S1
d M4
F
S2
屏 M2
迈克耳孙测星干涉仪
19
* 22.4 光源的大小对干涉条纹的影响
当光源宽度b增大到某个宽度b0时，干涉条 纹刚好消失。
b0称为光源的极限宽度
L• b0 /2M•
N• 光源宽
度为 b0
R
S1 d /2
S2 D
I
+1L 非
0N 相
0M 干
0L 1N
叠 加
20
b0的计算：
单色光源
L• r1
b0 / 2
M r2
R
d
r1 r2
相位差： 2 π
明纹 2k π，k 0，1，2，
k,
x
k
D d
暗纹 (2k 1) π，k 0，1，2，
(2k 1) ，x (2k 1) D
2
2d
5
条纹间距
x D
d
二、双缝干涉条纹强度
屏上任一点处： E1 E10 cos1 E2 E20 cos2
合场强：E E1 E2 E0 cos 合振幅：E02 E120 E220 2E10E20 cos(2 1)
1 2
1 2
E1 E2
2 1 const.
11
⑵同一原子发出的一束光，分成两束后成 为相干光。
分波面法
p S*
类双缝实验 劳埃德(Lloyd)镜
分振幅法
S*
·p
薄膜
(半波损失！)
菲涅耳(Fresnel)双镜
菲涅耳双棱镜
12
劳埃德镜实验:
x
E’
E
暗
纹
S1
M S2
N’
0
一个点光源和一个平面镜获得两相干光源, 干涉光路与杨氏双缝类似. 此实验可观察光的半波损失 屏与镜 的接触点为暗纹.
测星干涉仪：
迈克耳孙巧妙地用四块反射 镜增大了双缝的缝间距。
屏上条纹消失时，M1M2 间的距离就是d0。猎户座
星 nm（橙色），
第四篇 光学
光学简史 （Optics）
17世纪：粒子说(Newton) 波动说(Huygens)
19世纪：双缝实验(Thomas Young) 电磁理论(Maxwell) ——光的波动性
20世纪初：光电效应 (Photoelectric Effect) 康普顿效应(Compton) ——光的波粒二象性1
I I0
I0
2
0
0
Δ
2
0
Δ
15 2
I
合成光强
+ (/2) 0 0 11 2 2 3 3 4 45 5 6 - (/2)
x
条纹消失时， 最大光程差
max
(
2
)k
(
2
)k
1
k
16
3.相干长度
两列波发生干涉的最大波程差叫相干长度。
c1 S
c2
max
k
2
S1 b1 S2 b2
aa·12P
能干涉
薄膜干涉（二）等倾条纹
迈克耳孙干涉仪
3
22.1 杨氏双缝干涉
一、双缝干涉
Thomas Young (1773-1829), 1801年做成实
验，确认了光的波动性。 X
r1
px
d
r2
O
D
几何： D>>d ( D/d~104 )
屏幕
很小 (~10-3 rad)
4
波程差：
r2
r1
d
sin
d
tg
d
x D
6
强度： I I1 I2 2 I1I2 cos(2 1)
特殊情形： I1 I2 I0
记 2 1
则有
I
I
2I0
(1
cos
)
光强曲线
4I0
-4 -2 0
-2 -1 0
-2x/2d
x1
- /d
0 0
2 4
12k
x1 x2 x
/d 2 /d sin
明纹强度 = 4I0 暗纹强度 = 0
7
D
x
· +1L
△x / 2
0
x D
d
一级明纹： (r2 r2) (r1 r1)
D >> d ：
d sin d x 2
D2
R >>b0 、d ： d sin d b0 2
R
b0d R
此时L端 的一级明 纹中心在 x x 处
2
21
当光源宽度 b b0时才能观察到干涉条纹。
三、双缝干涉条纹的特点 分布特点：①同一级条纹在零级明纹两侧对
称分布。
②条纹间距相等： x D
d
红光入射的杨氏双缝干涉照片
8
例22-1 用白光作光源观察双缝干涉。设缝 间距为d，试求能观察到的清晰可见
光谱的级次。
解：白光波长（390~750nm），明纹条件有
d sin k 某级次的红光r和高一级次的紫光v重合有
1960年：红宝石激光器(Maiman) ——现代光学
波动光学：光的干涉、衍射、偏振
光
广义：电磁波 狭义： 可见光，电磁波中的狭窄波段
2
第22章 光的干涉
Interference of Light
内容： 杨氏双缝干涉
相干光
光的非单色性对干涉条纹的影响
光源大小对干涉条纹的影响
光程
薄膜干涉（一）等厚条纹
此绿光波长=546.1nm，谱线宽度
Δ=0.044nm ， 试 求 能 观 察 到 干 涉
条纹的级次和最大允许的光程差。
解：k / 546.1/ 0.044 1.241104
max
2
546.12 0.044
6.8 103 (m)
6.8(mm)
对普通单色光源，就光的非单色性，实验
中总能观察到很多的干涉条纹。
13
菲涅耳双镜实验:
用一个点光源和两个互不平行的平面镜, 获得相干光源; 干涉光路与杨氏双缝类似
S x
M1
r1
S1
r2 0
S2
M2
14
* 22.3 光的非单色性对干涉条纹的影响
1.理想的单色光
2.实际光束：波列 准单色光
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。
: 谱线宽度
因而 kr k 1 v
k v 390 1.08
r v 750 390
9
由于k只能取整数，故有从紫到红的排列清 晰的可见光谱只有正负一级，如下图所示
10
22.2 相干光
一、相干光源 一般光源的发光机制：被激发到较高能级 的原子跃迁到低能级时，辐射出能量。
⑴不同原子发出的光，一般不是相干光。