大学物理学(下册)第13章 光的干涉与衍射

k0,1 ,2,3...
(b) 相消干涉（暗）
(2 k 1 )π ,
I I m i I 1 n I 2 2I 1 I 2
k0,1,2,3...
(c) 若相位差为其他任意值时，光强介于明暗之间。
(2010)2n(r2r1)
Hale Waihona Puke Baidu
13.2.3 获得相干光的方法
1.分波阵面法
演示
在光源发出的光的某一波面上，
分割出两个（多个）子波源，他们
发出的光可产生干涉现象，此法称
为分波阵面法。
2.分振幅法 一列光波经过反射、折射后，形
成的两列光波就是相干光产生干涉 的方法称为分振幅法。
光 源
*
s1 s2
波阵面分割法
振幅分割法
13.3 光程 光程差
13.3.1 光 程
1. 定义：光通过的几何路程与介质折射率之积。
nr
A F
o
B A
F'
B
焦平面
13.3.4 半波损失
当光波从光疏介质正入射或掠入射到光密介质时，介 质的分界面上，反射光的相位与入射光的相位之间产生的 相位突变，这一变化相当于反射光光程变化了半个波长
例：光程差为
0 2n2e
附加光程差为
n11
22
总光程差光程为 02n2e2
12
n1
n2
e
n3
中心 频率(Hz)
4.51014 4.91014
5.31014 5.51014
6.51014
6.81014
7.31014
中心波长 (nm)
660 610 570 540 480 460 430
13.2 光源 光波的叠加
13.2.1 光源 普通光源的发光机制
⑴ 光源 能发光的物体称为光源。
光源的分类：
第13章 波动光学
本章内容
13.1 光的电磁理论 13.2 光源 光波的叠加 13.3 光程 光程差 13.4 双缝干涉 13.5 薄膜干涉 13.6 光的衍射 13.7 光栅衍射
绪论
光学：是研究光的本性,光的传播以及它和物质相互作 用的学科。
光学可分为三个分支： 1.几何光学：几何光学主要是从直线传播，折射、反射 定律等实验定律出发，基于光线模型讨论光的传播规律， 主要用于处理光学成像问题 。
2.波动光学：以光波这一模型研究光的波动性的干涉、 衍射、偏振等的学科。
3.量子光学：从光量子性质出发研究光的辐射及光与 物质的相互作用的问题。
13.1 光的电磁理论
13.1.1 光的微粒学说与波动学说之争 微粒说：认为光是按照惯性定律沿直线飞行的粒子流。可解 释了光的直线传播定律,并能对光的反射,折射作一定的解释。 代表：牛顿
光程的物理意义：
r
n
nr c r c r ct
v
v
即光程nr等于在相同的时间内光在真空中传播的几何
路程。光程就是折算到真空中的路程。
2. 光程差
两束光的光程之差。 n2r2n1r1
13.3.2 光程差和位相差的关系 两振动初相相同的相干光，经
n2r2n1r1
过不同的介质到达P点，两光波在
II1I22I1I2cos
此时，光强将是位置的函数。光波在空间不同的区域的叠加， 将形成强弱分布稳定的光强分布，即为相干叠加
这种现象称为光的干涉，形成的空间周期性的分布图像称为 干涉花样
演示
3.干涉明暗条件
(a) 相长干涉（明）
2kπ,
I I m a I 1 x I 2 2 I 1 I 2
P点引起的振动为：
E E 122E E 120r0cc2 oo22s2πsπ((TTttr1rr1212)2)( n2r2
2
1
n22
s1*
s2*
n1r1
n11
)
r1
n1
P
r2
n2
2 (n2r2n1r1)
2
可见，两列光波的位相差，不仅与它们经过 的几何路程有关，还与介质有关。
13.3.3 薄透镜的等光程性
相位差为 2 2 (2 n 2 e 2 ) 4 n 2 e
13.4 双缝干涉
13.4.1 杨氏双缝干涉 1.干涉装置
s s1
缝 s2
光双 源缝
演示1 演示2
干
涉
条
光
纹
屏
2.光程差计算
n(rr)
2
1
s s1
d
s2
r1
P
x
r2
D
根据几何关系：
r2 2
D2
(xd)2 2
是可相见对光论。，人根眼本感上知否的定颜了色“由以频太率”决的定存。在，光波可以在自
由空间传播。
表13.1.1 可见光七彩颜色对应的波长和频率范围
光色 波长范围 (nm)
红 760~622
橙 622~597 黄 597~577
绿 577~492
青 492~470 兰 470~455 紫 455~400
动方程分别为
E 1E 1c0 o2s(t2nr110) E 2E 2c 0 o2s(t2n r22)
在P点叠加形成光波的振幅为
P
E 0E 1 20 E 2 20 2E 1E 02c 0 o s
其中 为两列光波的相位差，有
r1
· 1 r2
(20 1)02 n(r2r1)0p
2·
2.相干叠加
若 0 恒定， 就仅是位置的函数，则
1865年，麦克斯韦建立起经典电磁理论体系，预言了 电1.磁可波见的光存范在围，指出电磁波的速度与光速相同，认为光
光波是是一看种得电见磁的现电象磁，波即，光其是波看长得在见3的90电0n磁m~波76，0n把m之光间现，象频与
率在电7磁.5现×象10做14了~完4美.1的×统10一14H。z之爱间因。斯这坦个在范19围05之年间创的立光狭波义就
激光光源 普通光源
热光源：利用热能激发的光源 电致发光：由电能直接转换为光能 光致发光：由光激发引起的发光现象
化学发光：由化学反应引起的发光现象
以后讨论的光波如不特别说明都是普通光源发出的。
13.2.2 光波的叠加
1.光波的叠加 设频率相同、振动方向相同的两列简谐光波，
在同一均匀介质中传播至空间任意点P处相遇时，其光矢量振
波动说：认为“光同声一样，是以球形波面传播”，光是
在一种特殊弹性媒质中传播的机械波，并且是纵波。代表：
惠更斯和菲涅耳
通过实验验证：
•干涉 •衍射 •偏振
13.1.2 光的电磁理论
旧根波据动麦理克论斯和韦微电粒磁学波说理一论样，，电都场是强建度立矢在量机与械磁论感的应基强础 之度上矢，量把周光期现性象变看化作在是空一间种的机传械播运形动成过电程磁，波认。为电光磁是波在中 某能种引特起殊视弹觉性和介使质感一光“材以料太感”光中的传原播因的主弹要性是波振。动这着就的产电 生场一强系度列，矛并盾把电场的振动称为光振动，电场强度称为光 矢量。