第四篇振动与波动 第15章波的干涉、衍射和偏振 本章共8讲
? 本章共8讲 第四篇 振动与波动 第15章 波的干涉、衍射和偏振
§15.2光的干涉 光的相干性 1.光「义:电磁波 狭义:可见光,电磁浪中的狭窄浪段 Wavelength (m) Frequency (Hz sible lish 700mm6506055t 450400m 7600A 3900A V:3.95×1014I~769×1014H 颜色:红 紫
§15.2 光的干涉 一、光的相干性 : : 3.95 10 Hz ~ 7.69 10 Hz 1 4 1 4 颜色： 红 ~ 紫 7600A ~ 3900A 广义：电磁波 狭义： 可见光，电磁波中的狭窄波段 1. 光
光浪:交变电磁场在空间传播 光矢量:E:引起视觉和感光作月 光振动:E(0):大小、方向随周期性变化 E= Eo coS(at +o) 光强: 相对光强:I=E
光矢量： E :引起视觉和感光作用 光振动： E(t):大小、方向随t周期性变化 cos( ) E = E0 t + 光强： 2 E0 I 相对光强： 2 E0 I = 光波： 交变电磁场在空间传播
2%浪与机械波相干性比较 相同: 振动方向相同 (1)相干条件频率相同 相位差恒定 (2)光强分布:I=1+l2+2√1l2cos△g 干涉项 △=92-q1-2兀 2 相长 (3)△q= k=0,±l,±2 (2k+1)z相消 若q1 k相长 k=0,土l,土2… k+1)2相消
2.光波与机械波相干性比较 相同： (2) 光强分布： I = I1 + I2 + 2 I1 I2 cos 干涉项 2 1 2 1 2 r − r = − − (1) 相干条件 振动方向相同 频率相同 相位差恒定 若1 =2 = r1 − r2 = k 2 (2 1) k + 相长 相消 相长 相消 = k = 0, 1, 2 2k (2k + 1) (3) k = 0, 1, 2
不同:机械波源与光波波源特征不同 容易满足相千条件 难以满足相千条件 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。 例:氢原子光谱巴耳末系(可见光) 个原子,一次跃迁,发出 一个光浪浪列 E=E/n' 5432 频率一定 △E=hv △E AE=hy=hc E,=-13.6eV 振动方向一定 初相一定
不同： 机械波源与光波波源特征不同 容易满足相干条件 难以满足相干条件 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。 例：氢原子光谱巴耳末系（可见光） 一个原子，一次跃迁，发出 一个光波波列 2 1 E = E n E1 = −13.6 eV 3 … 5 4 2 hc E = h = 频率一定 E = h h E = 振动方向一定 初相一定
持续时间有限:△t~108s 断续、脉冲式 波列长度有限:△=cAt非严格单色波 不同原子发光、或同一原子各次发光 频率 具有随机性 振动方向 难以满足相千条件 初相 设观察时间为一至少为仪器或人眼反座时间 I=11+12+2rI 12 cos△adt=I,+I 2 均匀分布, 非相千叠加 两普通光源或同一光源的不同部分是不相干的
持续时间有限: 波列长度有限: s 8 ~ 10− t l = ct 断续、脉冲式 非严格单色波 不同原子发光、或同一原子各次发光 频率 振动方向 初相 具有随机性 难以满足相干条件 设观察时间为 —至少为仪器或人眼反应时 间 = + + = + 0 1 2 1 2 1 2 cos 1 I I I 2 I I dt I I 均匀分布， 非相干叠加 两普通光源或同一光源的不同部分是不相干的 0
发展状况: (1)激光:产生机理不同,具有相干性 普通光源:自发辐射激光:受激辐射 频率 相位 偏振态 完全相同 E1 E1 传播方向 (2)快速光电接收器件—皮秒技术 接受器时间反应常数由1s→>μs,ns,ps 可以观察到十分短暂的干涉,甚至两个独立光源 的干涉
发展状况： (1) 激光：产生机理不同，具有相干性 普通光源：自发辐射 完 全 相 同 激光：受激辐射 频率 相位 偏振态 传播方向 (2) 快速光电接收器件 ——皮秒技术 可以观察到十分短暂的干涉，甚至两个独立光源 的干涉。 接受器时间反应常数由01 s → μs, ns, ps
3从普通光源获得相千光 思路:将同一点光源、某一时刻发出的光分成两束, 再引导其相遇叠加 (1)分浪阵面法 (2)分振幅法(分振幅分能量) 将同一波面上两不同部 将透明薄膜两个面的反射 分作为相千光源 (透射)光作为相干光源 S1 b n h
3.从普通光源获得相干光 思路：将同一点光源、某一时刻发出的光分成两束， 再引导其相遇叠加 (1) 分波阵面法 将同一波面上两不同部 分作为相干光源 (2)分振幅法（分振幅~分能量） 将透明薄膜两个面的反射 （透射）光作为相干光源 p p e s n1 n2 n1 b d h f ① ② ③ ⑤ ④ i a c
在分别讨论两种方法以前,先建立一个重要概念 ▲4光程、光程差 相干光在相遇点P叠加的合振动强度取决于两分振动的 相位差 u △q=q2-q1-2 相干光 源 02 L 相干光 O1 兀( 源 如何简化?
在分别讨论两种方法以前，先建立一个重要概念 4.光程、光程差 u u 1 r 2 r O1 O2 P u u 1 r 2 r O1 O2 P n d 相 干 光 源 相 干 光 源 相干光在相遇点 P 叠加的合振动强度取决于两分振动的 相位差 2 2 ( ) 1 2 + − = − r r d d 如何简化？ 2 1 2 1 2 r − r = − − 当2 =1时 1 2 2 r − r =
思路:设法将光在介质中传播的距离折合成光在真空中 的距离,统一使用X空计算。 折合原则:在引起光浪相位改变上等效 真空 介质L 介质中x距离内波数:x 真空中同样波数占据的距离 2 △q=4兀△g=4z2 ? 介质折射率 结论:光在折射率为n的介质中前进x距离引起的相位改 变与在真空中前进πx距离引起的相位改变相同
思路：设法将光在介质中传播的距离折合成光在真空中 的距离， 统一使用λ真 空计算。 折合原则：在引起光波相位改变上等效。 结论：光在折射率为 n 的介质中前进 x 距离引起的相位改 变与在真空中前进 nx 距离引起的相位改变相同. 介质中 x 距离内波数： 真空中同样波数占据的距离 x n u c x u c x x = = = 介质折射率 x 真空 介质 u 2 2 = 4 = 4 ？ x c