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§1光源、單色光與相干光

§2楊氏雙縫干涉§5光程與光程差

一．光程二．透鏡的等光程性作業(yè)：3.13.43.63.16第三章光的干涉1§1光源、單色光與相干光第三章光的干涉2光學(xué)是一門既古老又年輕的學(xué)科古老是指人類在很早就開始研究光現(xiàn)象，年輕是因為光學(xué)仍然是前沿學(xué)科，根據(jù)光學(xué)原理發(fā)展的新技術(shù)仍然層出不窮，特別是二十世紀(jì)六十年代激光器的發(fā)明。2光學(xué)是一門既古老又年輕的學(xué)科3從光學(xué)歷史發(fā)展及研究內(nèi)容，光學(xué)劃分為幾何光學(xué)：以光的直線傳播規(guī)律為基礎(chǔ)，研究反射、折射及研究各種光學(xué)儀器的理論。波動光學(xué)：以光的波動性為基礎(chǔ),研究光的傳播規(guī)律。特別是光的干涉、衍射及偏振的規(guī)律。量子光學(xué)：以光的粒子性及近代量子理論為基礎(chǔ)研究光與物質(zhì)相互作用的規(guī)律。第三章光的干涉3從光學(xué)歷史發(fā)展及研究內(nèi)容，光學(xué)劃分為幾何光學(xué)：以光的直線傳4§1光源、單色光與相干光一．可見光與光源可見光光是電磁波，通常意義上的光是指可見光，即能引起人的視覺的電磁波，它的頻率范圍3.9×1014Hz——8.6×1014Hz真空中的波長范圍350nm——770nm不同頻率的光給人以不同顏色的感覺赤橙黃綠青藍(lán)紫頻率由小到大，波長由大到小4§1光源、單色光與相干光一．可見光與光源可見光5光源自身能發(fā)光的物體普通光源太陽、燈管等，發(fā)光的方式有熱致發(fā)光，如白熾燈,太陽；電致發(fā)光，如半導(dǎo)體發(fā)光二極管；光致發(fā)光，如熒光燈都屬于自發(fā)輻射，非相干光源激光器屬于受激輻射，相干光源5光源自身能發(fā)光的物體普通光源太陽、燈管等，都屬于自發(fā)輻6二.光的單色性單色光與復(fù)色光只含有一種頻率的光——單色光含有多種頻率的光——復(fù)色光準(zhǔn)單色光：頻率很接近的復(fù)色光如鈉燈發(fā)出的光波長范圍在

589.0nm～589.6nm獲得單色光的方法普通光源的發(fā)出的光一般都是復(fù)色光,三棱鏡濾光片激光器件6二.光的單色性單色光與復(fù)色光只含有一種頻率的光——單色7三棱鏡濾光片當(dāng)復(fù)色光通過三棱鏡時，由于不同頻率的光在玻璃中的傳播速度各不相同，折射率也不同，因此復(fù)色光中各種不同頻率的光將按不同的折射角分開，這種現(xiàn)象稱為色散。通過這種方式，將復(fù)色光分成一束束單色光只允許某一頻率的光通過，對其它顏色的光吸收，當(dāng)復(fù)色光通過濾光片后，透射光就是所需要的單色光7三棱鏡濾光片當(dāng)復(fù)色光通過三棱鏡時，由于不同頻率的光只允許某8三.光的相干性光既然是電磁波，就會具有波動的一般特征，波的一個重要特征是產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，即兩列或幾列波疊加時能產(chǎn)生強度在空間穩(wěn)定分布的現(xiàn)象。實際上，不但已觀察到了光的干涉現(xiàn)象，而且這種現(xiàn)象在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用里，例如全息照相。光的干涉現(xiàn)象：當(dāng)兩列相干光相遇時，在相遇空間出現(xiàn)明暗穩(wěn)定分布的現(xiàn)象8三.光的相干性光既然是電磁波，就會具有波動的一般特征，光9p···12r1r2光干涉的強度分布規(guī)律為兩束光的光強，不隨空間位置而變化為相遇處兩束光的位相差，完全相干光源

▲相長干涉（明）

(k=0,1,2,3…)▲相消干涉（暗）

(k=0,1,2,3…)9p···12r1r2光干涉的強度分布規(guī)律為兩束光的光強，不10非相干光源I=I1

+I2

—非相干疊加，強度分布均勻的將隨機的變化，在觀察時間內(nèi)，平均光強Ip···12r1r2P點兩列光波頻率相同，振動方向相同10非相干光源I=I1+I2—非相干疊加11o2-24-4I光強I隨位相差Δφ的變化情況如圖：11o2-24-4I光強I隨位相差Δφ的12一．干涉條紋襯比度為了描述干涉條紋的清晰程度，常用襯比度來定量描述。其定義為：干涉條紋中的最大光強。干涉條紋中的最小光強。兩束光相干疊加時，光強分布為其值越大干涉條紋的清晰程度越高12一．干涉條紋襯比度為了描述干涉條紋的清晰程度，其定義為：13即13即14從上式可以看出，兩束光強度越接近，襯比度也越大干涉條紋越清晰，因此觀察雙光束干涉時，總設(shè)法使他們的光強盡量相等當(dāng)Io2-24-44I1襯比度差(V<1)襯比度好(V=1)IImaxImino2-24-414從上式可以看出，兩束光強度越接近，襯比度也越大當(dāng)Io15光既然能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，為什么通常用兩個燈管照明，不會發(fā)生光的強弱的穩(wěn)定分布呢？不但如此，在實驗室內(nèi)，使兩個單色光源（例如兩個鈉光燈光源）發(fā)的光相遇，也還是觀察不到有明暗穩(wěn)定分布的干涉現(xiàn)象，為什么呢？這要從光源的發(fā)光機理說起。15光既然能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，16四.原子的發(fā)光機理光源發(fā)光是光源中大量的分子或原子進(jìn)行的微觀過程，最基本發(fā)光單元是分子、原子。原子物理告訴原子由原子核和核外電子組成，電子繞核運動，但原子的能量是不連續(xù)的，原子處于一些分立的能量狀態(tài)，這些能量稱為能級，如氫原子的能級圖16四.原子的發(fā)光機理光源發(fā)光是光源中大量的分子或原子17能量最低的狀態(tài)稱作基態(tài)，其它能量較高的狀態(tài)稱作激發(fā)態(tài)。一般情況下，原子處于低能級的激發(fā)態(tài)或基態(tài)，由于外界的激勵，如原子的碰撞，外界的輻射等，使得原子處于較高能級的激發(fā)態(tài)?！瘛瘛瘛瘛瘛裉幱诩ぐl(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，它會自發(fā)地回到低能級的激發(fā)態(tài)或基態(tài)，這一過程稱作電子躍遷,17能量最低的狀態(tài)一般情況下，原子處于低能級的激發(fā)態(tài)或基態(tài)，18●●●●在躍遷過程中，原子向外發(fā)射電磁波，這種輻射光子的過程叫自發(fā)輻射。這一電磁波所攜帶的能量就是原子減少的能量當(dāng)發(fā)射的電磁波的波長在可見光范圍內(nèi)，就是原子發(fā)光過程——這就是原子的發(fā)光機理●●18●●●●在躍遷過程中，原子向外發(fā)射電磁波，這種輻射當(dāng)發(fā)射19●●●●原子每一次發(fā)光所持續(xù)的時間，是有限的而且很短，約為10－8秒，同時所發(fā)射電磁波能量也是有限的，兩個能級之差，所以一個原子每一次發(fā)光就只能發(fā)出一段長度有限，頻率一定和振動方向一定的光波這樣一段光波稱作一個波列波列波列長L=c19●●●●原子每一次發(fā)光所持續(xù)的時間，是有限的而且很短，波20一個原子經(jīng)過一次發(fā)光躍遷后，還可以再次被激發(fā)到較高的能級，因而又可以再次發(fā)光，因此原子發(fā)光都是斷續(xù)。上面討論的是一個原子發(fā)光?！瘛瘛瘛癫胁虚LL=c20一個原子經(jīng)過一次發(fā)光躍遷后，●●●●波列波列長L=21獨立(不同原子發(fā)的光)··對于普通光源，光源內(nèi)有非常多的原子，這些原子的發(fā)光遠(yuǎn)不是同步的，這是因為在這些光源內(nèi)原子處于激發(fā)態(tài)時，它向低能級的躍遷完全是自發(fā)的，每次何時發(fā)光是完全不確定的。各原子的各次發(fā)光是相互獨立的，互不相關(guān)的。普通光源也就是各個原子各次發(fā)光，發(fā)光頻率、振動方向可能不同，彼此位相差是不確定的，出現(xiàn)干涉現(xiàn)象的概率太小了。21獨立(不同原子發(fā)的光)··對于普通光源，光源內(nèi)有非常多的22獨立(同一原子先后發(fā)的光)獨立(不同原子發(fā)的光)··普通光源即使同一原子不同次發(fā)光，也不能保證這些波列的頻率，振動方向都相同，因此，也就不可能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。單色光源可以使這些波列的頻率基本相同，但是兩個相同的光源，或同一光源上的兩個部分發(fā)的光疊加時，在任一點，這些波列的振動方向不可能都相同，相位差不可能保持恒定，因而合振幅不可能穩(wěn)定，不可能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。22獨立(同一原子先后發(fā)的光)獨立(不同原子發(fā)的光)··普通23由于原子發(fā)光具有上述特征，所以在光的干涉現(xiàn)象的研究，從實際到理論，獲得相干光就成了最重要的問題.本章的內(nèi)容，除了利用干涉的一般原理對光的干涉現(xiàn)象進(jìn)行分析外，主要就是說明獲得相干光的原理和實際裝置23由于原子發(fā)光具有上述特征，24五.相干光的獲得普通光源激光器利用普通光源獲得相干光的方法的基本原理是把由光源同一點發(fā)出的光設(shè)法分成兩部分，然后再使這兩部分疊加起來。由于這兩部分光相應(yīng)部分都來自同一發(fā)光原子的同一次發(fā)光，所以它們將滿足相干條件而成為相干光。把同一光源發(fā)出的光分成兩部分的方法有兩種分波陣面法分振幅法激光具有非常好的相干性，相干光源24五.相干光的獲得普通光源激光器利用普通光源獲得相干光的方25§2“分波陣面法”獲得相干光——楊氏雙縫干涉實驗一.楊氏雙縫實驗英國物理學(xué)家托馬斯．楊(T．Young)在1801年首先用實驗方法研究了光的干涉現(xiàn)象，為光的波動理論確定了實驗基礎(chǔ)25§2“分波陣面法”獲得相干光一.楊氏雙縫實驗26實驗裝置如圖，在普通單色光源后平行放置兩個屏，S1S2SE靠近光源的屏上開一長狹縫S，相當(dāng)于一線光源，在另外一個屏上開兩個與S都平行的長狹縫S1和S2，雙縫的距離很小，在雙縫后放置一屏幕E26實驗裝置如圖，在普通單色光源后平行放置兩個屏，S1S2S27S1S2SE實驗現(xiàn)象當(dāng)光源照射狹縫S時，在屏幕E上出現(xiàn)一系列穩(wěn)定的明暗相間的條紋，這些條紋都與狹縫平行，條紋間的距離彼此相等.

27S1S2SE實驗現(xiàn)象當(dāng)光源照射狹縫S時，這些條紋都與28●實驗解釋考慮其中的一個原子某一次所發(fā)的波列照射狹縫S時，通過S形成一個柱面光波，然后入射到狹縫S1和S2處，光通過S1和S2，又形成兩個柱面光波并在空間交疊起來。單色光源照射狹縫S光源所發(fā)出光是由許多原子所發(fā)出的、許許多多相互獨立的波列組成的。28●實驗解釋考慮其中的一個原子某一次所發(fā)的通過S形成一個29●實驗解釋由于狹縫S1和S2彼此平行，靠的又很近，到S的距離相等，所以S1和S2位于S發(fā)出的光波的同一個波陣面上，因此它們具有相同的頻率，相同的位相。由S1和S2射出的光波的光振動方向（電場強度的方向）近似平行。所以從由S1和S2射出的兩列光波是相干光。由于S1和S2是同一波陣面的兩部分，所以這種獲得相干光的方法稱作分波陣面法。29●實驗解釋由于狹縫S1和S2彼此平行，靠的又很近，到30但是每個波列在S1和S2都發(fā)出相干光。而且位相差始終相同。因此各個波列的干涉強度的分布相同?！駥嶒灲忉尮庠此l(fā)出光是由許多原子所發(fā)出的、許許多多相互獨立的波列組成的。下面利用干涉原理來分析楊氏雙縫干涉實驗中光的強度分布。這一分布是在屏上以各處明暗不同的形式顯示出來的。30但是每個波列在S1和S2都發(fā)出相干光。而且位相差●實驗31二.強度分布規(guī)律●●考慮屏幕上任一點P，到狹縫S1和S2距離分別為r1和r2在圖示裝置中，狹縫S1和S2處于同一個波陣面上，所以S1和S2為同相相干波源，在P點處波的強度就僅由從S1和S2到P點的波程差決定31二.強度分布規(guī)律●●考慮屏幕上任一點P，在圖示裝置中32二.強度分布規(guī)律設(shè)S1和S2的距離為d，中點為M，

PM與MO的夾角為θ，從S1做S2

P垂線S1C。通常情況下，D>>dD>>x，

θ很小●●M到屏幕的距離為D，垂足為o

，以o為坐標(biāo)原點，P點的坐標(biāo)為x32二.強度分布規(guī)律設(shè)S1和S2的距離為d，PM33●●二.強度分布規(guī)律通常情況下，

D>>dD>>x，

θ很小33●●二.強度分布規(guī)律通常情況下，34二.強度分布規(guī)律干涉相長（明紋）的條件條紋的中央為明紋，稱為零級明紋或中央明紋●●此式給出了各明紋的位置，k稱為明條紋的級次。34二.強度分布規(guī)律干涉相長（明紋）的條件條紋的中央為明35二.強度分布規(guī)律干涉相消（暗紋）的條件●●35二.強度分布規(guī)律干涉相消（暗紋）的條件●●36IO0

●●暗紋明紋36IO0●●暗紋明紋37暗紋明紋討論條紋間距兩相鄰明紋或暗紋的間距與波長成正比當(dāng)單色光照射時，為明暗相間的條紋當(dāng)白光照射時，為彩色條紋，中央仍為白色條紋而且隨級次增高，不同顏色的條紋發(fā)生重疊，以致模糊不清37暗紋明紋討論條紋間距兩相鄰明紋或暗紋的間距與波長成正38演示用激光演示雙縫干涉實驗38演示用激光演示雙縫干涉實驗39例1.在楊氏雙縫實驗中，采用藍(lán)綠光源，波長分別為λ1=440和λ2=540

，試計算條紋從第幾級發(fā)生完全重疊。解：楊氏干涉條紋中明紋的位置為條紋發(fā)生重疊39例1.在楊氏雙縫實驗中，采用藍(lán)綠光源，解：楊氏干涉條紋中40在上述雙縫實驗中，在S2前加一塊玻璃，實驗發(fā)現(xiàn)屏幕上的明暗條紋位置要發(fā)生移動，說明兩光振動在P點的位相差發(fā)生了變化，為什么呢？●●問題？40在上述雙縫實驗中，在S2前加一塊玻璃，●●問題？41因為光經(jīng)過不同媒質(zhì)時引起的位相差不同●●問題？位相差不再是41因為光經(jīng)過不同媒質(zhì)時引起的位相差不同●●問題？位相差不再42§5光程與光程差為了方便的比較、計算光經(jīng)過不同媒質(zhì)時引起的位相差，引入了光程的概念一．光程與光程差光在媒質(zhì)中傳播時，光振動的位相沿傳播方向逐點落后，●●以表示光在媒質(zhì)中的波長，則通過路程時，光振動位相落后的值光程42§5光程與光程差為了方便的比較、計算光經(jīng)過不同媒43同一頻率的光在不同媒質(zhì)中傳播時的波長不同，以表示光在真空中的波長，為媒質(zhì)的折射率代入上式從右式來看，表示光在真空中傳播路程時所引起的位相差是光在媒質(zhì)中則通過路程時，所引起的位相差43同一頻率的光在不同媒質(zhì)中傳播時的波長不同，以44

n21稱為第二種介質(zhì)對第一種介質(zhì)的相對折射率波的折射定律對于光波介質(zhì)1為真空由上式有稱作第二種介質(zhì)的折射率44n21稱為第二種介質(zhì)波的折射定律對于光波介質(zhì)1為真空45由此可知，同一頻率的光在折射率為n的媒質(zhì)中傳播時，通過路程r時引起的位相差和光在真空中傳播，通過路程nr時所引起的位相差相同。稱作與r路程相應(yīng)的光程r是光在媒質(zhì)中通過的實際路程，光程nr是在真空中發(fā)生相同位相差需要通過的路程。實際上是把光在介質(zhì)中通過的路程按位相變化相同折合到真空中的路程45由此可知，稱作與r路程相應(yīng)的光程r是光在媒質(zhì)中通過46光程差有了光程的概念的好處，可以統(tǒng)一地用光在真空中的波長來計算光在不同媒質(zhì)中傳播時的位相變化●●●在折射率為n的媒質(zhì)中有兩同相相干光源S1和S2媒質(zhì)中任一點P，到光源S1和S2距離分別為r1和r2，S1和S2到點P光程分別為nr1和nr2光程差位相差46光程差有了光程的概念的好處，●●●在折射率為n的媒質(zhì)47例1有兩種介質(zhì)折射率分別為n1和n2，計算由兩同相相干光源S1和S2發(fā)出的光到達(dá)P點產(chǎn)生的光程差及相應(yīng)位相差?！瘛瘛窠猓河蒘1到達(dá)P點的光程由S2到達(dá)P點的光程47例1有兩種介質(zhì)折射率分別為n1和n2，●●●解：48二．透鏡的等光程性平行光通過透鏡后，各光線要會聚在焦點，形成一亮點，這一事實說明，在焦點處各光線是同相的。48二．透鏡的等光程性平行光通過透鏡后，各光線要會聚在焦點，49由于平行光的同相面與光線垂直，所以從任一與入射平行光光線垂直的平面算起，到會聚點各光線的光程都是相等的。這一性質(zhì)稱作透鏡的等光程性透鏡可以改變光線的傳播方向，但不附加光程差。49由于平行光的同相面與光線垂直，透鏡可以改變光線的傳播方向50二．透鏡的等光程性50二．透鏡的等光程性51

§1光源、單色光與相干光

§2楊氏雙縫干涉§5光程與光程差

一．光程二．透鏡的等光程性作業(yè)：3.13.43.63.16第三章光的干涉1§1光源、單色光與相干光第三章光的干涉52光學(xué)是一門既古老又年輕的學(xué)科古老是指人類在很早就開始研究光現(xiàn)象，年輕是因為光學(xué)仍然是前沿學(xué)科，根據(jù)光學(xué)原理發(fā)展的新技術(shù)仍然層出不窮，特別是二十世紀(jì)六十年代激光器的發(fā)明。2光學(xué)是一門既古老又年輕的學(xué)科53從光學(xué)歷史發(fā)展及研究內(nèi)容，光學(xué)劃分為幾何光學(xué)：以光的直線傳播規(guī)律為基礎(chǔ)，研究反射、折射及研究各種光學(xué)儀器的理論。波動光學(xué)：以光的波動性為基礎(chǔ),研究光的傳播規(guī)律。特別是光的干涉、衍射及偏振的規(guī)律。量子光學(xué)：以光的粒子性及近代量子理論為基礎(chǔ)研究光與物質(zhì)相互作用的規(guī)律。第三章光的干涉3從光學(xué)歷史發(fā)展及研究內(nèi)容，光學(xué)劃分為幾何光學(xué)：以光的直線傳54§1光源、單色光與相干光一．可見光與光源可見光光是電磁波，通常意義上的光是指可見光，即能引起人的視覺的電磁波，它的頻率范圍3.9×1014Hz——8.6×1014Hz真空中的波長范圍350nm——770nm不同頻率的光給人以不同顏色的感覺赤橙黃綠青藍(lán)紫頻率由小到大，波長由大到小4§1光源、單色光與相干光一．可見光與光源可見光55光源自身能發(fā)光的物體普通光源太陽、燈管等，發(fā)光的方式有熱致發(fā)光，如白熾燈,太陽；電致發(fā)光，如半導(dǎo)體發(fā)光二極管；光致發(fā)光，如熒光燈都屬于自發(fā)輻射，非相干光源激光器屬于受激輻射，相干光源5光源自身能發(fā)光的物體普通光源太陽、燈管等，都屬于自發(fā)輻56二.光的單色性單色光與復(fù)色光只含有一種頻率的光——單色光含有多種頻率的光——復(fù)色光準(zhǔn)單色光：頻率很接近的復(fù)色光如鈉燈發(fā)出的光波長范圍在

589.0nm～589.6nm獲得單色光的方法普通光源的發(fā)出的光一般都是復(fù)色光,三棱鏡濾光片激光器件6二.光的單色性單色光與復(fù)色光只含有一種頻率的光——單色57三棱鏡濾光片當(dāng)復(fù)色光通過三棱鏡時，由于不同頻率的光在玻璃中的傳播速度各不相同，折射率也不同，因此復(fù)色光中各種不同頻率的光將按不同的折射角分開，這種現(xiàn)象稱為色散。通過這種方式，將復(fù)色光分成一束束單色光只允許某一頻率的光通過，對其它顏色的光吸收，當(dāng)復(fù)色光通過濾光片后，透射光就是所需要的單色光7三棱鏡濾光片當(dāng)復(fù)色光通過三棱鏡時，由于不同頻率的光只允許某58三.光的相干性光既然是電磁波，就會具有波動的一般特征，波的一個重要特征是產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，即兩列或幾列波疊加時能產(chǎn)生強度在空間穩(wěn)定分布的現(xiàn)象。實際上，不但已觀察到了光的干涉現(xiàn)象，而且這種現(xiàn)象在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用里，例如全息照相。光的干涉現(xiàn)象：當(dāng)兩列相干光相遇時，在相遇空間出現(xiàn)明暗穩(wěn)定分布的現(xiàn)象8三.光的相干性光既然是電磁波，就會具有波動的一般特征，光59p···12r1r2光干涉的強度分布規(guī)律為兩束光的光強，不隨空間位置而變化為相遇處兩束光的位相差，完全相干光源

▲相長干涉（明）

(k=0,1,2,3…)▲相消干涉（暗）

(k=0,1,2,3…)9p···12r1r2光干涉的強度分布規(guī)律為兩束光的光強，不60非相干光源I=I1

+I2

—非相干疊加，強度分布均勻的將隨機的變化，在觀察時間內(nèi)，平均光強Ip···12r1r2P點兩列光波頻率相同，振動方向相同10非相干光源I=I1+I2—非相干疊加61o2-24-4I光強I隨位相差Δφ的變化情況如圖：11o2-24-4I光強I隨位相差Δφ的62一．干涉條紋襯比度為了描述干涉條紋的清晰程度，常用襯比度來定量描述。其定義為：干涉條紋中的最大光強。干涉條紋中的最小光強。兩束光相干疊加時，光強分布為其值越大干涉條紋的清晰程度越高12一．干涉條紋襯比度為了描述干涉條紋的清晰程度，其定義為：63即13即64從上式可以看出，兩束光強度越接近，襯比度也越大干涉條紋越清晰，因此觀察雙光束干涉時，總設(shè)法使他們的光強盡量相等當(dāng)Io2-24-44I1襯比度差(V<1)襯比度好(V=1)IImaxImino2-24-414從上式可以看出，兩束光強度越接近，襯比度也越大當(dāng)Io65光既然能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，為什么通常用兩個燈管照明，不會發(fā)生光的強弱的穩(wěn)定分布呢？不但如此，在實驗室內(nèi)，使兩個單色光源（例如兩個鈉光燈光源）發(fā)的光相遇，也還是觀察不到有明暗穩(wěn)定分布的干涉現(xiàn)象，為什么呢？這要從光源的發(fā)光機理說起。15光既然能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，66四.原子的發(fā)光機理光源發(fā)光是光源中大量的分子或原子進(jìn)行的微觀過程，最基本發(fā)光單元是分子、原子。原子物理告訴原子由原子核和核外電子組成，電子繞核運動，但原子的能量是不連續(xù)的，原子處于一些分立的能量狀態(tài)，這些能量稱為能級，如氫原子的能級圖16四.原子的發(fā)光機理光源發(fā)光是光源中大量的分子或原子67能量最低的狀態(tài)稱作基態(tài)，其它能量較高的狀態(tài)稱作激發(fā)態(tài)。一般情況下，原子處于低能級的激發(fā)態(tài)或基態(tài)，由于外界的激勵，如原子的碰撞，外界的輻射等，使得原子處于較高能級的激發(fā)態(tài)?！瘛瘛瘛瘛瘛裉幱诩ぐl(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，它會自發(fā)地回到低能級的激發(fā)態(tài)或基態(tài)，這一過程稱作電子躍遷,17能量最低的狀態(tài)一般情況下，原子處于低能級的激發(fā)態(tài)或基態(tài)，68●●●●在躍遷過程中，原子向外發(fā)射電磁波，這種輻射光子的過程叫自發(fā)輻射。這一電磁波所攜帶的能量就是原子減少的能量當(dāng)發(fā)射的電磁波的波長在可見光范圍內(nèi)，就是原子發(fā)光過程——這就是原子的發(fā)光機理●●18●●●●在躍遷過程中，原子向外發(fā)射電磁波，這種輻射當(dāng)發(fā)射69●●●●原子每一次發(fā)光所持續(xù)的時間，是有限的而且很短，約為10－8秒，同時所發(fā)射電磁波能量也是有限的，兩個能級之差，所以一個原子每一次發(fā)光就只能發(fā)出一段長度有限，頻率一定和振動方向一定的光波這樣一段光波稱作一個波列波列波列長L=c19●●●●原子每一次發(fā)光所持續(xù)的時間，是有限的而且很短，波70一個原子經(jīng)過一次發(fā)光躍遷后，還可以再次被激發(fā)到較高的能級，因而又可以再次發(fā)光，因此原子發(fā)光都是斷續(xù)。上面討論的是一個原子發(fā)光。●●●●波列波列長L=c20一個原子經(jīng)過一次發(fā)光躍遷后，●●●●波列波列長L=71獨立(不同原子發(fā)的光)··對于普通光源，光源內(nèi)有非常多的原子，這些原子的發(fā)光遠(yuǎn)不是同步的，這是因為在這些光源內(nèi)原子處于激發(fā)態(tài)時，它向低能級的躍遷完全是自發(fā)的，每次何時發(fā)光是完全不確定的。各原子的各次發(fā)光是相互獨立的，互不相關(guān)的。普通光源也就是各個原子各次發(fā)光，發(fā)光頻率、振動方向可能不同，彼此位相差是不確定的，出現(xiàn)干涉現(xiàn)象的概率太小了。21獨立(不同原子發(fā)的光)··對于普通光源，光源內(nèi)有非常多的72獨立(同一原子先后發(fā)的光)獨立(不同原子發(fā)的光)··普通光源即使同一原子不同次發(fā)光，也不能保證這些波列的頻率，振動方向都相同，因此，也就不可能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。單色光源可以使這些波列的頻率基本相同，但是兩個相同的光源，或同一光源上的兩個部分發(fā)的光疊加時，在任一點，這些波列的振動方向不可能都相同，相位差不可能保持恒定，因而合振幅不可能穩(wěn)定，不可能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。22獨立(同一原子先后發(fā)的光)獨立(不同原子發(fā)的光)··普通73由于原子發(fā)光具有上述特征，所以在光的干涉現(xiàn)象的研究，從實際到理論，獲得相干光就成了最重要的問題.本章的內(nèi)容，除了利用干涉的一般原理對光的干涉現(xiàn)象進(jìn)行分析外，主要就是說明獲得相干光的原理和實際裝置23由于原子發(fā)光具有上述特征，74五.相干光的獲得普通光源激光器利用普通光源獲得相干光的方法的基本原理是把由光源同一點發(fā)出的光設(shè)法分成兩部分，然后再使這兩部分疊加起來。由于這兩部分光相應(yīng)部分都來自同一發(fā)光原子的同一次發(fā)光，所以它們將滿足相干條件而成為相干光。把同一光源發(fā)出的光分成兩部分的方法有兩種分波陣面法分振幅法激光具有非常好的相干性，相干光源24五.相干光的獲得普通光源激光器利用普通光源獲得相干光的方75§2“分波陣面法”獲得相干光——楊氏雙縫干涉實驗一.楊氏雙縫實驗英國物理學(xué)家托馬斯．楊(T．Young)在1801年首先用實驗方法研究了光的干涉現(xiàn)象，為光的波動理論確定了實驗基礎(chǔ)25§2“分波陣面法”獲得相干光一.楊氏雙縫實驗76實驗裝置如圖，在普通單色光源后平行放置兩個屏，S1S2SE靠近光源的屏上開一長狹縫S，相當(dāng)于一線光源，在另外一個屏上開兩個與S都平行的長狹縫S1和S2，雙縫的距離很小，在雙縫后放置一屏幕E26實驗裝置如圖，在普通單色光源后平行放置兩個屏，S1S2S77S1S2SE實驗現(xiàn)象當(dāng)光源照射狹縫S時，在屏幕E上出現(xiàn)一系列穩(wěn)定的明暗相間的條紋，這些條紋都與狹縫平行，條紋間的距離彼此相等.

27S1S2SE實驗現(xiàn)象當(dāng)光源照射狹縫S時，這些條紋都與78●實驗解釋考慮其中的一個原子某一次所發(fā)的波列照射狹縫S時，通過S形成一個柱面光波，然后入射到狹縫S1和S2處，光通過S1和S2，又形成兩個柱面光波并在空間交疊起來。單色光源照射狹縫S光源所發(fā)出光是由許多原子所發(fā)出的、許許多多相互獨立的波列組成的。28●實驗解釋考慮其中的一個原子某一次所發(fā)的通過S形成一個79●實驗解釋由于狹縫S1和S2彼此平行，靠的又很近，到S的距離相等，所以S1和S2位于S發(fā)出的光波的同一個波陣面上，因此它們具有相同的頻率，相同的位相。由S1和S2射出的光波的光振動方向（電場強度的方向）近似平行。所以從由S1和S2射出的兩列光波是相干光。由于S1和S2是同一波陣面的兩部分，所以這種獲得相干光的方法稱作分波陣面法。29●實驗解釋由于狹縫S1和S2彼此平行，靠的又很近，到80但是每個波列在S1和S2都發(fā)出相干光。而且位相差始終相同。因此各個波列的干涉強度的分布相同?！駥嶒灲忉尮庠此l(fā)出光是由許多原子所發(fā)出的、許許多多相互獨立的波列組成的。下面利用干涉原理來分析楊氏雙縫干涉實驗中光的強度分布。這一分布是在屏上以各處明暗不同的形式顯示出來的。30但是每個波列在S1和S2都發(fā)出相干光。而且位相差●實驗81二.強度分布規(guī)律●●考慮屏幕上任一點P，到狹縫S1和S2距離分別為r1和r2在圖示裝置中，狹縫S1和S2處于同一個波陣面上，所以S1和S2為同相相干波源，在P點處波的強度就僅由從S1和S2到P點的波程差決定31二.強度分布規(guī)律●●考慮屏幕上任一點P，在圖示裝置中82二.強度分布規(guī)律設(shè)S1和S2的距離為d，中點為M，

PM與MO的夾角為θ，從S1做S2

P垂線S1C。通常情況下，D>>dD>>x，

θ很小●●M到屏幕的距離為D，垂足為o

，以o為坐標(biāo)原點，P點的坐標(biāo)為x32二.強度分布規(guī)律設(shè)S1和S2的距離為d，PM83●●二.強度分布規(guī)律通常情況下，

D>>dD>>x，

θ很小33●●二.強度分布規(guī)律通常情況下，84二.強度分布規(guī)律干涉相長（明紋）的條件條紋的中央為明紋，稱為零級明紋或中央明紋●●此式給出了各明紋的位置，k稱為明條紋的級次。34二.強度分布規(guī)律干涉相長（明紋）的條件條紋的中央為明85二.強度分布規(guī)律干涉相消（暗紋）的條件●●35二.強度分布規(guī)律干涉相消（暗紋）的條件●●86IO0

●●暗紋明紋36IO0●●暗紋明紋87暗紋明紋討論條紋間距兩相鄰明紋或暗紋的間距與波長成正比當(dāng)單色光照射時，為明暗相間的條紋當(dāng)白光照射時，為彩色條紋，中央仍為白色條紋而且隨級次增高，不同顏色的條紋發(fā)生重疊，以致模糊不清37暗紋明紋討論條紋間距兩相鄰明紋或暗紋的間距與波長成正88演示用激光演示雙縫干涉實驗38演示用激光演示雙縫干涉實驗89例1.在楊氏雙縫實驗中，采用藍(lán)綠光源，波長分別為λ1=440和λ2=540

，試計算條紋從第幾級發(fā)生完全重疊。解：楊氏干涉條紋中明紋的