大学物理光的干涉(一)

1.光的机械微粒学说（17世纪---18世纪末）代表：牛顿对立面：惠更斯--波动说分歧的焦点：光在水中的速度空气水vv空气水vv1850年傅科（Foucault）测定空气水vv微粒说开始瓦解光学发展概述2.光的机械波动说（19世纪初）英国人杨（T.Young)和法国人菲涅尔(A.J.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。性质：弹性机械波，在机械以太中传播。3.光的电磁波动说（19世纪的中后期---）19世纪中期Maxwell建立了电磁理论，提出了光的电磁波动观点。性质：光电磁波在电磁以太中传播4.光的量子学说（20世纪初---）电磁波动说在解释“黑体辐射”及“光电效应”等实验时遇到困难。1900年普朗克提出了“黑体辐射量子化”；其后爱因斯坦提出了光子的概念，将光看成一束粒子流。与电磁波动说相呼应，二者各自统治着自已的领域。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，它的某些方面像波而另一方面像微粒（波粒二象性）。但它既不是波，也不是微粒。人们对光的认识经历了一个否定之否定过程自20世纪50年代起光学的发展一直方兴未艾、前途无限，“傅里叶光学”更新了经典光学，后又出现了“相干光学”、“纤维光学”、“全息光学与全息技术”….光学是既年轻又古老的学科，也是现代科学技术的基础。光学分类：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--研究光的波动性以及光波与物质的相互作用3）量子光学--研究光子与物质的相互作用一有关光波的几个概念2)光矢量用矢量表示光矢量,它在引起人眼视觉和底片感光上起主要作用.E11-1相干光可见光的范围Hz103.4~105.7:nm760~400:14141)001c真空中的光速3)c平面电磁波方程)(cos0uxtEE)(cos0uxtHH4)介质中的光速1n光由一种介质进入另一种介质时,频率不变,变化的是波长和波速5)介质的折射率:rrcn对于可见光而言,空气折射率~1.0,其他非气体透明介质的折射率均大于1，并随光波频率而变.6)介质中的波长:nn7)光波表示法c)复数法b)旋转矢量a)波动方程])(cos[00uxtEE])([00uxtieEE8)光强:能流密度200d1EtwuTIT振幅9)光源:发射光波的物体点光源,线光源,面光源P21s10~10:108t普通光源发光特点：原子发光是断续的，每次发光形成一长度有限的波列,各原子各次发光相互独立，各波列互不相干.普通光源的发光机制hE原子能级及发光跃迁基态激发态nE跃迁自发辐射普通光源发出的光不是相干光二相干光波阵面分割法*光源1s2s振幅分割法三相干光的获得方法：“一分为二，合二为一”一杨氏双缝干涉实验（1801年）11-2杨氏双缝干涉劳埃德镜T.Young,1773-18292002年全美国物理学家投票选出世界十大经典物理实验之一，排名第五ooB实验装置1s2sspdd''dxdrsin12drrr波程差x1r2r'dd'/tansindx实验装置ooB1s2ssrx1r2r'ddpk'dxdr加强,2,1,0k2)12(k减弱2)12('kdd暗纹ddk'x明纹,2,1,0kpooB1s2ssrx1r2r'dd讨论条纹间距)1(kddx'明、暗条纹的位置白光照射时，出现彩色条纹2)12('kdd暗纹ddk'x明纹,2,1,0k(1)一定时，若变化,则将怎样变化？'dd、x(2)一定时,条纹间距与的关系如何？xd'd、二劳埃德镜1sPM2sd'dP'L半波损失：光从光速较大的介质射向光速较小的介质时反射光的相位较之入射光的相位跃变了，相当于反射光与入射光之间附加了半个波长的波程差，称为半波损失.类似于杨氏双缝干涉实验讨论：（1）光源大小对干涉条纹的影响在双缝干涉实验中，如果逐渐增加光源狭缝S的宽度，则在屏P上的条纹就会变得逐渐模糊起来，最后完全消失.原因:光源可以看成由许多彼此独立的线光源组成，它们不相干.总的干涉条纹为各个条纹光强的非相干叠加.三空间相干性和时间相干性（2）为什么只在中央明条纹附近较小的范围内看到干涉条纹？讨论：SS1S2SS1S2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.这一属性称作光的时间相干性.可以看到干涉现象看不到干涉现象相位差)(π2)'(π212rTtrTt*1sP1r*2s2rn)(π2cos1101rTtEE)'(π2cos2202rTtEE)(2)'(π21212rnrrrn'四光程物理意义：光程就是光在介质中通过的几何路程按相位差折合到真空中的路程nrr'*1sP1r*2s2rn(1)光程:介质折射率与光的几何路程之积=nr)(212rnr(2)光程差(两光程之差)12rnrΔ光程差*1sP1r*2s2rnλΔ2πΔ相位差干涉加强,2,1,0,kkΔ,2,1,0π2,kk干涉减弱,2,1,0,2)12(kkΔ,2,1,0,π)12(kk例杨氏双缝干涉实验中，如果将一薄云母片（n=1.58）覆盖在条缝S1上，发现原屏幕上中心明条移到第五级明条中心位置处，若已知入射光波长为600nm，求云母片厚度。S1S20FABo'FAB焦平面平行光在透镜焦平面会聚产生亮点，即干涉加强。因此从与光线垂直的波面到焦点，各光线等光程。五透镜不引起附加的光程差P1n1n2n1M2MdL11-3薄膜干涉ADCDADnBCABn1232)(rdBCABcosiACADsinirdsintan2rninsinsin21212nniDC34E5A1rrB22cos22sin1cos222232rdnrnrd2sin222122rinnd反射光的光程差rk加强),2,1(k2)12(k减弱),2,1,0(kP1n1n2n1M2MdLiDC34E5A1B212nninnd22122tsin2透射光的光程差注意：透射光干涉和反射光干涉具有互补性，符合能量守恒定律.P1n1n2n1M2MdLiDC34E5A1B212nn有无半波损失的差别仅在于干涉条纹的级数差半级,即明暗条纹位置对调,并不影响条纹的其他特征,如形状、间隔等.根据具体情况而定2/sin222122inndr当光线垂直入射时0i222rdn2r2dn1n1n2n1n3n2n12nn当时123nnn当时利用薄膜干涉不仅可以测定波长或薄膜的厚度，还可以提高光学器件的透光率或反射率.2min4nenm6.990k取（增强）氟化镁为增透膜例为了增加透射率,求氟化镁膜的最小厚度.已知空气00.11nnm550,氟化镁,38.12n减弱2)12(22rken解：222ten则23玻璃23nne1n2n反射光消失增反膜：321nnn增透膜和增反膜