大物光的干涉和衍射

分振幅法：
一束光线中分出两部分，经上下表面反射再相遇， 使能量分割后再叠加
上表面
分束
下表面
薄膜
1 2
相遇
§2 双缝干涉
干涉问题要分析：
(1)相干光是谁 (2)波程差(光程差)计算 (3)条纹特点(形状、位置、分布、条数、移动等)
一、杨氏双缝实验
杨(T.Young)在1801 年首先发现光的干涉 现象，并首次测量了 光波的波长。
几何光学
1619世纪发展最迅速， 研究光的直线传播
波动光学
发展于1719世纪 研究光的波动性
量子光学
发展于19世纪末 研究光的粒子性
绪言
光学是物理学中发展较早的一个分支，它从试图回 答 “人为什么能看见周围的物体?” 开始了其漫长的 发展历程。
古希腊人发现了光的基本性质：
1．在均匀媒质中光以直线传播。
惠更斯的波动说
光是机械波，在弹性介质 “以太”中传播。
光的本性
• 光的电磁理论——波动性
干涉、衍射、偏振
• 光的量子理论——粒子性
黑体辐射、光电效应、康普顿效应
光是电磁波，具有波动和粒子的两重性质， 称为波粒二象性。
粒子性 （牛顿微粒说）
波动性 （惠更斯波动说）
反射、折射
反射、折射、干涉、衍射
波粒二象性
x 。
d
杨氏双缝实验第一次测定了
波长这个重要的物理量。
③级次----中间条纹级次低。 白光照射时，出现彩色条纹
双缝干涉条纹
讨论 条纹间距 x D
d
1. 条纹间距与 的关系； d 、D 一定时，
若 变化，则 x 将怎样变化？
2. 、D 一定时，条纹间距 x与 d 的关系如何？
2. 、D 一定时，条纹间距 x与 d 的关系如何？
30.量子光学（ quantum optics ）：以光和物 质相互作用时显示的微粒性为基础；
第一部分：光的干涉
§1 光源及光的相干性
一、光源（自身发光的物体）
热光源：热能激发的光。 冷光源：化学能、电能、光能激发的光
光源最基本的发光单元是分子或原子
1、普通光源的发光机制: 自发辐射
自发辐射跃迁
k
D d
红
x(k 1)紫
(k
1)
D d
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紫
由 xk红 = x(k+1)紫 的临界情况可得
k红 (k 1)紫
将 红 = 7600Å， 紫 = 4000Å代入得 k=1.1
因为 k只能取整数，所以应取 k=1
这一结果表明：在中央白色明纹两侧， 只有第 一级彩色光谱是清晰可辨的。
二、双 镜
P
s
M1
L
2、普通光源获得相干光的途径
分波面法与分振幅法 •从普通光源中获得相干光的原则
从一个原子一次发光中获得
• 装置的基本特征 先分光 然后再相遇
2
·
实
2
1
验
装2
置
一分为二
1 相
1
遇
合二为一
分波面法： 从一次发光的波面上取出几部分---分割波前再相遇
S1 、S2 满足相干条件
衍射
S
S1 相
遇
S2 区
分束装置
粒子性
（爱因斯坦、康普 顿光子说）
波动性
（麦克斯韦、赫兹 光的电磁理论）
理论光学一般分为三个分支：
10.几何光学（ geometrical optics ）：以光的 直线传播为基础，研究成象原理及仪器的基本理论 ；
20.波动光学（ wave optics ）：以光的波动性 为基础，光的干涉、衍射、偏振现象为其主要研究 内容；
E2 •
波列
= (E2-E1)/h E1 •
发光时间t 10-8s
·
波列长 L = t c
长度有限、频率一定、 振动方向一定的光波
独立
（不同原子同一时刻发的光）
·
独立（同一原子不同时刻发的光）
原子发光： 方向不定的振动 ， 瞬息万变的初相位，
特点：随机、间歇
此起彼伏的间歇振动。
2、激光光源的发光机制：受激辐射
d x (2k 1)
D
2
干涉相长，明纹 干涉相消，暗纹
暗纹中心
xk
(2k 1) D , k 1,2,3...
2d
明纹中心
xk
k
D ,
d
k
0， 1，2，3…
* 两相邻明纹（或暗纹）间距 x D
d
* 条纹特点：
① 形状---- 一系列平行的明暗相间的条纹；
② 分布---- 不太大时条纹等间距；x D
2．光在透明媒质界面发生反射、折射。
17世纪末，对光本质的探讨形成了两种学说：
微粒说：认为光是由光源发出的微粒流 （牛顿）。
波动说：认为光是由光源发出的在“以太” 中传播的 机械波，干涉、衍射现象的发现为波动学提供了有力的证 据（惠更斯）。
光的两种学说
牛顿的微粒说
光是由发光物体发出的遵循 力学规律的粒子流。
S1 * S*
S2 *
x
k=+2 k=+1
k= 0
I
k=-1 k=-2
2. 干涉问题
1） 相干光
s1、s2发出的相干光
2） 波程差的计算
设实验在真空（或空气）中进行，则波程差为：
r2
r1
d sin
d
tg d
px
x D
r 1
θ
·
x
d
r
2
o
D
3） 干涉条纹
* 条纹的位置
d x k
D
n
n水> n空气
x水 x空气
实验装置放入水中后条纹间距变小。
例1 用白光作双缝干涉实验时，能观察到几级清晰可 辨的彩色光谱？
解: 用白光照射时，除中央明纹为白光外，两侧
形成内紫外红的对称彩色光谱.当k级红色明纹位置xk红 大于k+1级紫色明纹位置x(k+1)紫时，光谱就发生重叠。 据前述内容有
xk红
s1
d
s2
C
M2
D
三、 洛埃镜
P'
P
s1
d
s2
ML
D
接触处, 屏上L 点出现暗条纹
n1 n2 有半波损失 n1 n2 无半波损失
透射波没有半波损失
入射波 反射波
半波损失
n1 n2
透射波
半波损失
入射波
若 n1< n2
媒质1 光疏媒质 媒质2 光密媒质
= (E2-E1)/h
E2
E1
完全一样(频率、位相、 振动方向,传播方向)
二、光的相干性
相干波条件：频率相同、振动方向相同、恒定的位相差
1、光的干涉现象
光波是电磁波，干涉现象是波动的特征之一，当满 足相干条件的两列波相遇时产生规则的明暗相间的条 纹的现象。
产生干涉现象的充要条件：
(1).两列光波振动频率相同； (2).振动方向相同； (3).位相相同or位相差恒定
思考题 在双缝干涉实验中：
（1）如何使屏上的干涉条纹间距变宽？
答： 两相邻明纹（或暗纹）间距 x D
d
若D、d 已定，只有，条纹间距 x 变宽。
若已定，只有D↑、d↓（仍然满足d>> )，条 纹间距 x 变宽。
（2）将双缝干涉装置由空气中放入水中时， 屏上的干涉条纹有何变化？
答：
x
D d
n
D d