复旦大学《大学物理》课件-光波及其相干条件(1).ppt

光波及其相干条件光波及其相干条件 光波是电磁波。光波是电磁波。光波中参与与物质相互作用（感光作用、生理光波中参与与物质相互作用（感光作用、生理作用）的作用）的是电场强度是电场强度 E 矢量，称为矢量，称为光矢量光矢量。E 矢量的振动称为矢量的振动称为光振动光振动。20EI 20EI 平面简谐电磁波：平面简谐电磁波：在波动光学中，主要讨论的是相对光强，因此在在波动光学中，主要讨论的是相对光强，因此在同一介质中直接把同一介质中直接把光强光强定义为：定义为：光强光强：在光学中，通常把平均能流密度称为光强，：在光学中，通常把平均能流密度称为光强，用用 表示。表示。I一、光波的描述方法一、光波的描述方法 二、光的叠加性二、光的叠加性 相干条件相干条件)cos(),(111011 krtEtrE)cos(),(222022 krtEtrE两频率相同，光矢量方向相同的两频率相同，光矢量方向相同的光源在光源在p点相遇点相遇 cos22010220210EEEEE cos22121IIIII )(21212rr 干涉项干涉项 cos221II 1、非相干叠加、非相干叠加 独立光源的两束光独立光源的两束光或或同一光源的不同部位同一光源的不同部位所发出所发出的光的位相差“瞬息万变”的光的位相差“瞬息万变”21III 叠加后光强等于两光束单独照射时的光强之和，叠加后光强等于两光束单独照射时的光强之和，无干涉现象无干涉现象 0cos221 II干涉项干涉项要使两列波在要使两列波在P处产生相干叠加处产生相干叠加 两列波的条件：两列波的条件：（1）频率相同）频率相同（2）振动方向相同）振动方向相同（3）具有固定的位相差）具有固定的位相差 相相干干光光 cosIIIII21212 2、相干叠加、相干叠加 满足相干条件的两束光叠加后满足相干条件的两束光叠加后 位相差恒定，有干涉现象位相差恒定，有干涉现象 21II 若若 2412211 cosI)cos(II 142IIk 012 I)k(干涉相长干涉相长 干涉相消干涉相消 三、三、获得相干光波一般方法获得相干光波一般方法 光源的最基本发光单元是分子、原子光源的最基本发光单元是分子、原子 =(E2-E1)/h E1 E2 能级跃迁辐射能级跃迁辐射 波列波列 波列长波列长L L =0 0c c 1 1.普通光源：普通光源：自发辐射自发辐射 独立独立(不同原子发的光不同原子发的光)独立独立(同一原子先后发的光同一原子先后发的光)发光的随机性发光的随机性 发光的间隙性发光的间隙性 秒秒8010 2 2.激光光源：激光光源：受激辐射受激辐射 =(E2-E1)/h E1 E2 完全一样完全一样(频率频率,位相位相,振动方向振动方向,传播方向传播方向)相干光源相干光源 两个独立的光源不可能成为一对相干光源两个独立的光源不可能成为一对相干光源 原因：原子发光是随机的，间歇性的，两列光波的振原因：原子发光是随机的，间歇性的，两列光波的振 动方向不可能一致，周相差不可能恒定。动方向不可能一致，周相差不可能恒定。钠钠 光光 灯灯A 钠钠 光光 灯灯B 两束光两束光 不相干！不相干！1 分波前的方法分波前的方法 杨氏干涉杨氏干涉 2 分振幅的方法分振幅的方法 等倾干涉、等厚干涉等倾干涉、等厚干涉 普通光源获得相干光的途径普通光源获得相干光的途径（方法方法）p S*分波面法分波面法 分振幅法分振幅法 p 薄膜薄膜 S S *四四、光程和光程差光程和光程差 1S2S1n1r2r2nP)(2112212 rr 干涉现象决定于两束相干光的位相差干涉现象决定于两束相干光的位相差,两束相干光通两束相干光通过不同的介质时，位相差不能单纯由几何路程差决定。过不同的介质时，位相差不能单纯由几何路程差决定。c 光的波长光的波长真空中真空中 un 介质中光的波长介质中光的波长ncu nn 在介质中传播的波长，折在介质中传播的波长，折 算成真空中波长的关系。算成真空中波长的关系。)(2112212rnrn 1S2S1n1r2r2nP四四、光程和光程差光程和光程差 )(2112212 rr nn ctrucnrL 121122)(LLrnrn 光程差光程差 nrL 光程光程 光程表示在相同的时间内光在真空中通过的路程光程表示在相同的时间内光在真空中通过的路程 iiiurtcLrnciii 1 iiirnL光程光程其中其中光程表示在相同的时间内光在真空中通过的路程光程表示在相同的时间内光在真空中通过的路程 ctL 即：即：光程这个概念可将光在介质中走过的路程，折射光程这个概念可将光在介质中走过的路程，折射 为光在真空中的路程为光在真空中的路程 1r2r3rmr1u2u3umuQP1 2 m 3 光程差光程差)(1122rnrn 2 若两相干光源是同位相的若两相干光源是同位相的 20 ,k 2)1 2(k加强（明）加强（明）210,k 两相干光源同位相，干涉条件两相干光源同位相，干涉条件 减弱（暗）减弱（暗）210,k 不同光线通过透镜要改变传播方向，不同光线通过透镜要改变传播方向，会不会引起附加光程差？会不会引起附加光程差？问题问题 ABCabcFA、B、C 的位相的位相相同，在相同，在F点会聚，点会聚，互相加强互相加强 A、B、C 各点到各点到F点的光程都相等。点的光程都相等。AaF比比BbF经过的几何路程长，但经过的几何路程长，但BbF在透镜在透镜中经过的路程比中经过的路程比AaF长，透镜折射率大于长，透镜折射率大于1，折算成光程，折算成光程，AaF的光程与的光程与BbF的光程相等。的光程相等。解解 释释 使用透镜不会引起各相干光之间的附加光程差。使用透镜不会引起各相干光之间的附加光程差。分波阵面干涉分波阵面干涉 1、实验装置、实验装置 一、杨氏双缝一、杨氏双缝干涉干涉实验实验 S 1 S 2 S*k=+1 k=-2 k=+2 k=0 k=-1 S 1 S 2 S*I 2、杨氏干涉条纹、杨氏干涉条纹 D d 波程差：波程差：Dxdddrr tgsin12干涉加强干涉加强 明纹位置明纹位置 210 ,kdDkxkk 212 21212 dDkxkk)(,)()(S1S2SD xd1r2rpo 干涉减弱干涉减弱 暗纹位置暗纹位置 dDxxxkk 1(1)明暗相间的条纹对称分布于中心明暗相间的条纹对称分布于中心O点两侧；点两侧；xdD恒定,干涉条纹特点干涉条纹特点：(2)相邻明条纹和相邻暗条纹等间距相邻明条纹和相邻暗条纹等间距，与干涉级与干涉级k无关；无关；两两相邻明（或暗）条纹间的距离称为相邻明（或暗）条纹间的距离称为条纹间距条纹间距。若用复色光源，则干涉条纹是彩色的。若用复色光源，则干涉条纹是彩色的。)/(kDxd 方法一：方法一：Dxd/方法二：方法二：(3 3)D,d一定时一定时，由条纹间距可算出单色光的波长由条纹间距可算出单色光的波长 二二 分波前干涉的其它一些实验分波前干涉的其它一些实验 1 菲涅耳双面镜实验：菲涅耳双面镜实验：实验装置实验装置：Dd 虚光源虚光源 、1S2S21SSWW平行于平行于 dDkx dDkx 212 明条纹中心的位置明条纹中心的位置 210 ,k屏幕上屏幕上O点在两个虚光源连线的垂直平分线上，屏幕点在两个虚光源连线的垂直平分线上，屏幕 上明暗条纹中心对上明暗条纹中心对O点的偏离点的偏离 x为：为：暗条纹中心的位置暗条纹中心的位置 S1S2S2M1MWWDdox光栏 C 2 洛埃镜实验洛埃镜实验 1S2SMLdpQ pQD光栏 EE E 当屏幕当屏幕 E 移至移至E处，从处，从 S1和和 S2 到到 L点的点的光程差为零，但是观察到暗条纹，光程差为零，但是观察到暗条纹，验证了反射验证了反射时有半波损失存在。时有半波损失存在。问问：原来的零级条纹移至何处？若移至原来的第：原来的零级条纹移至何处？若移至原来的第 k 级明条纹处，其厚度级明条纹处，其厚度 h 为多少？为多少？1S2S1r2rh例：例：已知已知：S2 缝上覆盖缝上覆盖 的介质厚度为的介质厚度为 h，折射，折射率为率为 n，设入射光的，设入射光的波长为波长为.12)(rnhhr 解解：从：从S1和和S2发出的相干光所对应的光程差发出的相干光所对应的光程差 0112 hnrr)(当光程差为零时，对应当光程差为零时，对应 零条纹的位置应满足：零条纹的位置应满足：所以零级明条纹下移所以零级明条纹下移 原来原来 k 级明条纹位置满足：级明条纹位置满足：krr 12设有介质时零级明条纹移设有介质时零级明条纹移到原来第到原来第 k 级处，它必须级处，它必须同时满足：同时满足：hnrr)(112 1 nkh 1S2S1r2rh 薄膜干涉薄膜干涉 电磁场的光效应和旋光现象电磁场的光效应和旋光现象 25 一、电光一、电光效应效应(克尔效应克尔效应)某些非晶体和液体在与入射光方向垂直的强电场某些非晶体和液体在与入射光方向垂直的强电场 作用下，呈现双折射现象作用下，呈现双折射现象.在强电场作用下，使分子定向排列，获得各向异性在强电场作用下，使分子定向排列，获得各向异性.ECS1P2P克尔盒克尔盒透光轴相互垂直透光轴相互垂直 液体液体 26 2KEnneo 克尔常数克尔常数 K)(2donnl 通过厚为通过厚为l 的液体后，的液体后，o、e光产生相位差：光产生相位差：22lKE 如平行板所加电压为如平行板所加电压为U)(2donnl 222dUlK 当外电场撤消时，这种性质立即消失当外电场撤消时，这种性质立即消失.若去掉盒内电场，则没有光从若去掉盒内电场，则没有光从 透出。透出。整个系统起“整个系统起“光开关光开关”的作用。”的作用。2p 27 通过控制外加电压，可调节输出的光脉冲的通过控制外加电压，可调节输出的光脉冲的长短和频率，把电讯号转变成光讯号。长短和频率，把电讯号转变成光讯号。由于电光效由于电光效应几乎没有惯性，电讯号的控制速度可达应几乎没有惯性，电讯号的控制速度可达10-9 m/s。“光开关”“光开关”,“光调制器”光调制器”“光断续器”有极快的速“光断续器”有极快的速度启闭光路或调制光强，目前广泛应用于高速摄影、度启闭光路或调制光强，目前广泛应用于高速摄影、电影、电视和激光通讯等许多领域。电影、电视和激光通讯等许多领域。28.S1P2P透光轴相互垂直透光轴相互垂直 电光晶体电光晶体+_ KK 泡泡克尔克尔斯斯效应效应 某些单轴晶体放在正交某些单轴晶体放在正交偏振片之间偏振片之间,在加电场后在加电场后,使它引起使它引起感生双折射感生双折射.29 二、二、旋光现象旋光现象 对某些晶体对某些晶体,当线偏振光沿其光轴方向传播时当线偏振光沿其光轴方向传播时,虽然不虽然不发生发生双折射双折射，但但出射偏振光的振动面相对于原入射光出射偏振光的振动面相对于原入射光的振动面旋转了一定的角度的振动面旋转了一定的角度，这种现象称为这种现象称为振动面的振动面的旋转旋转，也称也称旋光现象旋光现象。未放置未放置C，P2后视场黑暗后视场黑暗 放置放置C后后，旋转旋转P2一定角度一定角度，视场又变黑暗视场又变黑暗.CS1P2P过滤器过滤器 旋光物体旋光物体F 30 1、不同的旋光物质可以使线偏振光的振动面不同的旋光物质可以使线偏振光的振动面 向不同方向旋转向不同方向旋转。2、振动面的旋转角振动面的旋转角 与波长有关与波长有关，波长给定则与旋光物质的厚度波长给定则与旋光物质的厚度d 有关有关。d 旋光率旋光率 3、偏振光通过旋光性液体偏振光通过旋光性液体(如糖溶液如糖溶液、松节油松节油)时时，振动面的旋转角振动面的旋转角 Cd 旋光物质的浓度旋光物质的浓度 C 线偏光电振动方绕着光的传播方向旋转过某一角度线偏光电振动方绕着光的传播方向旋转过某一角度.在迎光矢量图上，电矢量振动方向逆时针方向旋转在迎光矢量图上，电矢量振动方向逆时针方向旋转 的物质，称为左旋偏振光；反之为右旋偏振光。的物质，称为左旋偏振光；反之为右旋偏振光。31 三、磁光三、磁光效应效应 透明介质透明介质在磁场作用下会产生在磁场