5-2 杨氏双缝干涉

2012/10/19
NO. 5-2
提 纲
1.了解光学的发展历史及分类 2.掌握光的相干条件及获得相干光的途径 3.掌握杨氏双缝干涉装置、条纹特点 4.了解空间相干性和时间相干性
2012－10－19
光学发展简史
1. 十七世纪两种学说的争论
（1）光的微粒说
可以解释：光的直线传播、 光的反射、折射 不能解释：光的双折射现象

2
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一、相干光
两个普通光源，在它们都能照到的区域， 能观察到明暗相间的条纹吗？为什么？
一、相干光
4.如何获得相干光 ?
将普通光源的同一束光分割为两束Biblioteka Baidu多束， 使之经不同路径后相遇而产生干涉现象。 基本方法：分波阵面法、 分振幅法
杨氏双缝干涉 薄膜干涉
3.原子发光模型
原子或分子是物质发光的基元，它们通过 能级跃迁所发射的光是一个个有限长的光波列。 激发态 由于普通光源中大量原子发 出波列具有独立、偶然、间歇 的特点，很难同时满足相干条 件，故不能构成相干光源.
2 k
2



2
可以看到干涉现象
看不到干涉现象
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.
思考：在双缝的某一缝前放一层很薄的
介质膜（如薄云母片），干涉条纹将如何 变化？ p
s
s1
d o
r1
r2
d'
x
11－8， 9，10
s2
4
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二、杨氏双缝干涉
讨论：
（6）为什么用普通光源只在中央明条纹附近较小 的范围内看到干涉条纹？ 光源非单色性的影响 光的衍射的影响
三、杨氏双缝干涉
讨论：
（6）为什么用普通光源只在中央明条纹附近较小 的范围内看到干涉条纹？
S1 S S2 S S2 S1
I
I0
I0 2
O

max
s1
d
s2
M
暗纹
d'
630 nm
光从光疏介质垂直入射或者掠射至光密介质，反射光 的相位较之入射光的相位跃变了π，相当于反射光与入 射光之间波程差变化了半个波长. —— 半波损失
二、杨氏双缝干涉
讨论：
（5）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， 逐渐模糊， 最后完全消失. 原理: 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.
d ' d
2.干涉条纹的分布 k , k 0,1,2, 明条纹中心 r d sin (2k 1) , k 1,2, 暗条纹中心
2
d、 d ' 而变化； （3）条纹的位置、间距随 、
思考:（1）若用白光照射双缝，干涉条纹
如何分布？ p
思考:（2）若把整个实验装置放在水中，
二、杨氏双缝干涉
讨论：
（5）光源大小对干涉条纹的影响 对于具有一定尺度的光源来说，它所发出 的光波波阵面沿垂直于波线方向上并不是任意 两处的光都产生干涉，只有来自两点距离小于 某一值的光才是相干的. 我们把这一特性称为 光场的空间相干性. 光源到双缝的距离
b
能发生干涉的光 源的极限宽度
l d
双缝间距
基态
二、杨氏双缝干涉
1.实验装置及原理 讨论：
二、杨氏双缝干涉
B
p （1）相邻明（暗）条纹中心间距；
s
s1
d o

r1

r2
x
x xk 1 xk
d d
s2
r
d'
o'
（2）双缝干涉条纹的特点；
一系列平行的明暗相间的条纹； 中间级次低，两边级次高； 条纹间距与入射光的波长成正比。
干涉条纹如何变化？ p
s
s1
d o
r1
r2
d'
x
s
s1
d o
r1
r2
d'
x
s2
o'
s2
o'
由于水中波长小于空气中波长，所以间距减小， 条纹变窄、变密！
3
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思考:（3）对于杨氏双缝干涉装置，其干
涉条纹是严格等宽、等间距的吗？
二、杨氏双缝干涉
讨论：
（4）与杨氏双缝干涉相似的装置： 双镜 P
光学发展简史
2. 波动说的崛起
（1）托马斯·杨的双缝干涉实验（1801） 为波动说提供了有力的证明。
“尽管我仰慕牛顿的大名，但我并因此非得认 为他是百无一失的。我遗憾地看到他也会弄错， 而他的权威也许有时甚至阻碍了科学的进步。”
（2）光的波动说
可以解释：光的干涉、衍射、光的直线 传播、反射、折射及双折射等现象。
•
光波是一种电磁波，振动的是电场强度 E和 磁场强度 H ； 14 14

: 3.94 10 Hz ~ 7.5 10 Hz : 400 nm ~ 760 nm
• 光波是一种电磁波，振动的是电场强度 E和 磁场强度 H ； : 3.94 1014 Hz ~ 7.5 1014 Hz
M1
s
L
s1
d
s2
C
M2
不等。（1）是柱面波，不是平面波； （2）sin ≠ tan ，只有在小角度时才相等。
d'
二、杨氏双缝干涉
（4）与杨氏双缝干涉相似的装置： 劳埃德镜 P P'
讨论：
例：杨氏双缝实验双缝间距为 d 0.2mm ，屏到
双缝距离 d ' 2m ，若测得干涉条纹中第三级明 条纹到屏中心的距离为18.9mm，求： （1）此单色光的波长； （2）相邻明条纹的间距。
几何光学
波动光学 量子光学
以光的直线传播规律为基础，研究各种 光学仪器的理论。 “粒子” 研究光的电磁性质和传播规律，特别是 光的干涉、衍射和偏振规律。
光具有波粒二像性(duality)
“波”
以近代量子理论为基础，研究光与物质 相互作用的规律。 “波粒二象性”
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量子光学应用
一、相干光
（2）菲涅耳采用波动说解释了偏振光的 相干性，并指出光是横波； （3）19世纪中期，麦克斯韦由理论得到： 光是电磁波，光的传播无需介质。
光学发展简史
3. 光具有量子性
19世纪末20世纪初， Albert. Einstein 解释光电效应： 光具有量子性（光子） （具有崭新内涵的微粒说）
光学
研究各种光现象、光的本性、光与物质 相互作用的规律。
I
4I0 2I0 I0
1.光波叠加原理
对于在真空中传播的光或在介质中传播的 不太强的光，当几列光波相遇时，其合成光波的 光矢量 E 等于各分光波光矢量的矢量和。
I1 = I2 = I0
E E1 E2 E3
4 3 2 0 2 3 4
一、相干光
一、相干光
2.光的相干叠加
若两束光的光矢量 E 满足相干条件，则它们
•
: 400 nm ~ 760 nm
其中能引起人眼视觉和底片感光的是 E ,故 通常把 E 叫做光矢量；

是相干光，对应的光源叫相干光源。
空间光强分布：
•
光的干涉和衍射是光波发生相干叠加的结果。
I I1 I 2 2 I1I 2 cos
o'
5