光的干涉衍射偏振

物理光学 『夯实基础知识』一．光的干涉和衍射 1．双缝干涉干涉是波独有的特征。

如果光是一种波，就应该能观察到光的干涉现象。

1801年，托马斯 利用双缝，终于成功地观察到了光的干涉现象。

（1）两列光波在空间相遇时发生叠加，在某些区域总加强，在另外一些区域总减弱，从而出现亮暗相间的条纹的现象叫光的干涉现象。

（2）产生干涉的条件两个振动情况总是相同的波源叫相干波源，只有相干波源发出的光互相叠加，才能产生干涉现象，在屏上出现稳定的亮暗相间的条纹。

形成相干波源的方法有两种：⑴利用激光（因为激光发出的是单色性极好的光）。

⑵设法将同一束光分为两束（这样两束光都来源于同一个光源，因此频率必然相等）。

下面4个图分别是利用双缝、利用楔形薄膜、利用空气膜、利用平面镜形成相干光源的示意图。

（3）双缝干涉实验规律①双缝干涉实验中，光屏上某点到相干光源1S 、2S 的路程之差为光程差，记为δ。

若光程差δ是波长λ的整倍数，即λδn =（n=0，1，2，3…）P 点将出现亮条纹；若光程差δ是半波长的奇数倍2)12(λδ+=n （n=0，1，2，3…），P 点将出现暗条纹。

②屏上和双缝1S 、2S 距离相等的点0P ，若用单色光实验该点是亮条纹（中央条纹），若用白光实验该点是白色的亮条纹。

③若用单色光实验，在屏上得到明暗相间的条纹；若用白光实验，中央是白色条纹，两侧是彩色条纹。

④屏上明暗条纹之间的距离总是相等的，其距离大小x ∆与双缝之间距离d 、双缝到屏的距离l 及光的波长λ有关，即λdlx =∆。

在l 和d 不变的情况下，x ∆和波长λ成正比，应用该式可测光波的波长λ。

⑤用同一实验装置做干涉实验，红光干涉条纹的间距红x ∆最大，紫光干涉条纹间距紫x ∆最小，故可知红λ大于红紫νλ,小于紫ν。

S 1 S 2S2．薄膜干涉（1）薄膜干涉的成因：由薄膜的前、后表面反射的两列光波叠加而成，劈形薄膜干涉可产生平行相间的条纹。

（2）薄膜干涉的应用①增透膜：透镜和棱镜表面的增透膜的厚度是入射光在薄膜中波长的1/4。

②检查平整程度：待检平面和标准平面之间的楔形空气薄膜，用单色光进行照射，入射光从空气膜的上、下表面反射出两列光波，形成干涉条纹，待检平面若是平的，空气膜厚度相同的各点就位于一条直线上，干涉条纹是平行的；反之，干涉条纹有弯曲现象。

3．光的衍射 （1）光的衍射现象光在遇到障碍物时，偏离直线传播方向而照射到阴影区域的现象叫做光的衍射。

衍射也是波的特性。

如果光是一种波，就应该能观察到光的衍射现象。

但由于可见光的波长在m 710 数量级，而一般物体的大小比这个尺度大得多，因此很难看到明显的光的衍射现象。

（2）光发生明显衍射现象的条件当孔或障碍物的尺寸比光波波长小，或者跟波长差不多时，光才能发生明显的衍射现象缝和孔的衍射现象的规律是相同的：在发生明显衍射的条件下，当窄缝变窄（或孔变小）时，亮斑的围变大，条纹间距离变大，而亮度变暗。

注意关于衍射的表述一定要准确。

（区分能否发生衍射和能否发生明显衍射） ①各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射。

②发生明显衍射的条件是：障碍物（或孔）的尺寸可以跟波长相比，甚至比波长还小。

③在发生明显衍射的条件下，当窄缝变窄时，亮斑的围变大，条纹间距离变大，而亮度变暗。

（3）衍射图样①单缝衍射：中央为亮条纹，向两侧有明暗相间的条纹，但间距和亮度不同。

白光衍射时，中央仍为白光，最靠近中央的是紫光，最远离中央的是红光。

②圆孔衍射：明暗相间的不等距圆环。

③泊松亮斑：光照射到一个半径很小的圆板后，在圆板的阴影中心出现的亮斑，这是光能发生衍射的有力证据之一。

双缝干涉和单缝衍射的联系与区别⑴双缝干涉和单缝衍射的图样都是明暗相间的条纹。

但双缝干涉的条纹间距是等宽的，亮度也是均匀的；而单缝衍射的条纹是中央宽，两边窄，亮度分布也是中央亮两边暗。

⑵双缝干涉装置中，入射光从单缝到双缝之间的传播过程中，实际上已经发生了衍射；单缝衍射中的亮、暗纹的形成，可以看成是从单缝不同位置射出的光在光屏处发生干涉，这些干涉条纹叠加后形成的就是单缝衍射的结果 三．1光的偏振 ⑴偏振现象在沿同一个方向传播的纵波中，所有介质质点的振动方向都和波的传播方向平行，因此振动总是发生在同一条直线上的；而在沿同一个方向传播的横波中，介质质点的振动方向和波的传播方向是垂直的，而跟波的传播方向垂直的方向有无穷多种可能，沿同一方向传播的横波，质点的振动方向可能是不同的，因此会发生偏振现象。

能否发生偏振，是纵波和横波的区别。

利用偏振可以判定一种波是横波还是纵波。

（2）偏振光：在跟光传播方向垂直的平面，光振动在某一方向较强而在另一些方向振动较弱的光即为偏振光。

自然光通过偏振片后，在垂直于传播方向的平面上，只沿一个特定的方向振动，叫偏振光。

自然光射到两种介质的界面上，如果光的入射方向合适，使反射和折射光之间的夹角恰好是90°，这时，反射光和折射光就都是偏振光，且它们的偏振方向互相垂直。

我们通常看到的绝大多数光都是偏振光。

（3）自然光。

太阳、电灯等普通光源直接发出的光，包含垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同，这种光叫自然光。

（4）光的偏振现象证明光是横波 （5）偏振光的应用偏振光可用于摄影。

在拍摄照片时为消除水面或玻璃表面多余的反光，可以在照相机镜头前装偏振滤光片，让其透振方向与反射光的偏振方向垂直，就可以减弱反射光的干扰，使拍出的相片影象清晰。

偏振光还可用于拍摄和观看立体电影。

2．激光（1）光是从物质的原子中发射出来的。

原子获得能量后处于不稳定状态，会以光子的形式把能量发射出来。

（2）普通光源中的各个原子何时发光，发出什么频率的光，向什么方向发光，都是不确定的。

即使同一个红色灯泡发光，也不能保证发出的光频率相同（3.9-4.9×1014Hz ），因此不能得到稳定的干涉图样。

（3）激光是一种人工相干光，激光的特点有 ⑴激光是人工产生的相干光。

⑵激光的平行度好。

（可以用来测距、测速；可以用来刻录、读取光盘）⑶激光的亮度高。

（切割、焊接、打孔、手术用光刀、治疗视网膜剥落；用于人工控制聚变） 重要应用有：通信、测距、光盘读取、切割等。

四．实验用双缝干涉测光的波长1．实验目的：学会观察双缝干涉图样。

掌握用双缝干涉测定单色光波长的方法 2．实验原理：如图所示，电灯发出的光，经过滤光片后变成单色光，再经过单缝S 时发生衍射，这时单缝S 相当于一单色光源，衍射光波同时到达双缝1S 和2S 之后，再次发生衍射，1S 、2S 双缝相当于二个步调完全一致的单色相干光源，透过1S 、2S 双缝的单色光波在屏上相遇并叠加，1S 、2S 到屏上P 点的路程分别是1r 、2r 两列光波传到P 的路程差||21r r r -=∆，设光波波长为λ1、若),2,1,0(⋯±±==∆n n r λ，两列波传到P 点同相，互相加强，出现明条纹。

2．若),2,1,0()12(2⋯±±=+=∆n n r λ，两列波传到P 点反相，互相减弱，出现暗条纹。

这样就在屏上得到了平行于双缝1S 、2S 的明暗相间的干涉条纹。

相邻两条明纹间的距离x ∆与入射光波长λ，双缝1S 、2S 间距离d 及双缝与屏的距离l 有关，其关系式为ldx λ∆=，因此，只要测出x ∆、d 、l 即可测出波长λ。

两条相邻明（暗）条纹间的距离x ∆用测量头测出。

测量头由分划板、目镜、手轮等构成，如图所示。

转动手轮，分划板会左、右移动，测量时，应使分划板中心刻线对齐条纹的中心（如图所示）记下此时手轮上的读数1a ，转动手轮，使分划板向一侧移动，当分划板中心刻线对齐另一条相邻的明条纹中心时，记下手轮上的刻度数2a ，两次读数之差就是相邻两条明条纹间的距离，即||21a a x -=∆。

x ∆很小，直接测量时相对误差较大，通常测出n 条明条纹间的距离a ，再推算相邻两条明（暗）条纹间的距离，)1/(-=∆n a x 。

3．实验器材双缝干涉仪即：光具座、光源、学生电源、导线、滤光片、单缝、双逢、遮光筒、毛玻璃屏、测量头、刻度尺 4．实验步骤（1）观察双缝干涉图样①将光屏、遮光筒、毛玻璃屏依次安放在光具座上。

如图所示。

②接好光源，打开开关，使灯丝正常发光。

③调节各器件的高度，使光源灯丝发出的光能沿轴线射到光屏。

④安装双缝和单缝，中心大致位于遮光筒的轴线上，使双缝与单缝的缝平行，二者间距约5cm —10cm ，这时，可观察白光的干涉条纹。

⑤在单缝和光源间放上滤光片，观察单色光的干涉条纹。

（2）测定单色光的波长①安装测量头，调节至可清晰观察到干涉条纹。

②使分划板中心刻线对齐某亮条纹中央，记下手轮上的读数1a ；转动手轮，使分划板中心刻线移动至另一亮条纹的中央，记下此时手轮上的读数2a ；并记下两次测量时移过的条纹数n ，则相邻两亮条纹间距||12na a x -=∆③用刻度尺测量双缝到光屏间距离l （d 是已知的）。

④重复测量、计算，求出波长的平均值。

⑤换用不同滤光片，重复实验。

4．注意事项（1）双缝干涉仪是比较精密的仪器，应轻拿轻放，不要随便拆解遮光筒，测量头等元件。

（2）滤光片、单缝、双缝、目镜等如有灰尘，应用擦镜纸或干净软片轻轻擦去。

（3）安装时，注意调节光源、滤光片、单缝、双缝的中心均在遮光筒的中心轴线上，并使单缝、双缝平行。

（4）光源灯丝最好为线状灯丝，并与单缝平行且靠近。

（5）调节的基本依据是：照在像屏上的光很弱，主要原因是灯丝与单缝、双缝，测量头与遮光筒不共轴线所致，干涉条纹不清晰一般主要原因是单缝与双缝不平行所致，故应正确调节。

白炽灯滤光片 单缝 双缝遮光筒屏现有毛玻璃屏A 、双缝B 、白光光源C 、单缝D 和透红光的滤光片E 等光学元件，要把它们放在图18-9中图1所示的光具座上组装成双缝干涉装置，用以测量红光的波长。

⑴将白光光源C 放在光具座最左端，依次放置其他光学元件，由左至右，表示各光学元件的字母排列顺序应为C 、_________、A 。

⑵本实验的步骤有：①取下遮光筒左侧的元件，调节光源高度，使光束能直接沿遮光筒轴线把屏照亮； ②按合理顺序在光具座上放置各光学元件，并使各元件的中心位于遮光筒的轴线上； ③用米尺测量双缝到屏的距离；④用测量头（其读数方法同螺旋测微器）测量数条亮纹间的距离。

在操作步骤②时还应注意___________________和___________________。

⑶将测量头的分划板中心刻线与某条亮纹中心对齐，将该亮纹定为第1条亮纹，此时手轮上的示数如图2所示。

然后同方向转动测量头，使分划板中心刻线与第6条亮纹中心对齐，记下此时图3中手轮上的示数__________mm ，求得相邻亮纹的间距Δx 为__________mm 。