波動(dòng)光學(xué)第3講——邁克爾遜干涉儀、光源的相干性、光的衍射、單縫夫瑯禾費(fèi)衍射.ppt

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1、波動(dòng)光學(xué)第3講——邁克爾遜干涉儀、光源的相干性、光的衍射、單縫夫瑯禾費(fèi)衍射主要內(nèi)容邁克爾遜干涉儀單縫夫瑯禾費(fèi)衍射1邁克耳孫簡(jiǎn)介第6節(jié)邁克耳孫干涉儀2美國(guó)物理學(xué)家。1852年12月19日出生于普魯士斯特雷諾（現(xiàn)屬波蘭），后隨父母移居美國(guó)，畢業(yè)于美國(guó)海軍學(xué)院，曾任芝加哥大學(xué)教授，美國(guó)科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì)主席,美國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)；還被選為法國(guó)科學(xué)院院士和倫敦皇家學(xué)會(huì)會(huì)員，1931年5月9日在帕薩迪納逝世。邁克耳孫主要從事光學(xué)和光譜學(xué)方面的研究，他以畢生精力從事光速的精密測(cè)量，在他的有生之年，一直是光速測(cè)定的國(guó)際中

2、心人物。他發(fā)明了一種用以測(cè)定微小長(zhǎng)度、折射率和光波波長(zhǎng)的干涉儀（邁克耳孫干涉儀），在研究光譜線方面起著重要的作用。1887年他與美國(guó)物理學(xué)家E.W.莫雷合作，進(jìn)行了著名的邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)，這是一個(gè)最重大的否定性實(shí)驗(yàn)，它動(dòng)搖了經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)。他研制出高分辨率的光譜學(xué)儀器，經(jīng)改進(jìn)的衍射光柵和測(cè)距儀。邁克耳孫首倡用光波波長(zhǎng)作為長(zhǎng)度基準(zhǔn)，提出在天文學(xué)中利用干涉效應(yīng)的可能性，并且用自己設(shè)計(jì)的星體干涉儀測(cè)量了恒星參宿四的直徑。3由于創(chuàng)制了精密的光學(xué)儀器和利用這些儀器所完成的光譜學(xué)和基本度量學(xué)研究，邁克耳

3、孫于1907年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。4一、邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)圖12SNPG1G2M1M2M2?12G2使光束1、2到達(dá)P之前都是三次通過(guò)玻璃板,無(wú)膜。S：點(diǎn)光源N：毛玻璃片G1：分光板，后表面鍍有半反射銀膜M1：固定的平面反射鏡P：觀察點(diǎn)M2：可左右移動(dòng)的平面反射鏡G2：補(bǔ)償板M2?:M2在G1的銀膜所成的虛象P處觀察的如同M1和M2?之間的空氣膜產(chǎn)生的干涉圖樣。5或收縮到中心消失(膜厚減小時(shí))。(a)M1和M2嚴(yán)格垂直時(shí)，觀察到等傾干涉條紋，M2移動(dòng)時(shí)，圓環(huán)形的等傾干涉條紋不斷地從中心冒出(M1

4、、M2?間距增大時(shí))；當(dāng)M2移動(dòng)時(shí)，條紋相繼在視場(chǎng)中移過(guò)。(b)M1和M2不嚴(yán)格垂直時(shí)，觀察到等厚干涉條紋，上述兩種情形，當(dāng)M2平移時(shí)，光程差改變經(jīng)視場(chǎng)中的一點(diǎn)移過(guò)一條條紋(a、外展或內(nèi)斂；b、平移)。M2的平移距離與條紋移動(dòng)數(shù)目間的關(guān)系：6二、光源的相干性1、光源的時(shí)間相干性能級(jí)躍遷輻射光源同一原子先后發(fā)的光不同原子發(fā)的光設(shè)光源中原子每次發(fā)光的持續(xù)時(shí)間為(相干時(shí)間)，則每一列波在真空中的長(zhǎng)度(相干長(zhǎng)度)為：來(lái)自同一光源經(jīng)不同路徑相遇的光,只有其光程差時(shí)才能相干，即發(fā)生干涉的區(qū)域必須滿足決定于故

5、稱為光源的時(shí)間相干性.72、光源的空間相干性S1S2S??S?設(shè)楊氏實(shí)驗(yàn)中透鏡后單縫寬為其上任意兩個(gè)相距的線光源分別在屏上產(chǎn)生寬度均為的明、暗相間的干涉條紋。設(shè)S?的某級(jí)明紋在處，S??的同級(jí)明紋在處.考慮到有當(dāng)即時(shí)，S?和S??的明、暗紋重合。8當(dāng)時(shí)，單縫上一系列相距的線光源的明、暗紋重合，不能出現(xiàn)干涉條紋。條件稱為光源的空間相干性。917.1、光的衍射現(xiàn)象17.2、單縫的夫瑯禾費(fèi)衍射17.3、光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)17.4、光柵衍射17.5、X射線的衍射第17章光的衍射10光在傳播過(guò)程中遇到障礙

6、物，光波會(huì)繞過(guò)障礙物繼續(xù)傳播。如果波長(zhǎng)與障礙物相當(dāng)，衍射現(xiàn)象最明顯。17.1、光的衍射現(xiàn)象一、光的衍射現(xiàn)象11菲涅耳指出，對(duì)于t時(shí)刻波陣面上給定面元dS，它在P點(diǎn)的振幅由下式?jīng)Q定t時(shí)刻波前★光源●·PdA(p)?取決于波前上Q點(diǎn)處的強(qiáng)度K(?):方向因子菲涅耳原理----波傳播到某一點(diǎn)的光強(qiáng)為各個(gè)子波在觀察點(diǎn)的干涉疊加。二、惠更斯--菲涅耳原理12t時(shí)刻波前★光源●·PdA(p)?若取t=0時(shí)刻波陣面上各點(diǎn)發(fā)出的子波初位相為零，則面元dS在P點(diǎn)引起的光振動(dòng)表達(dá)式為：P點(diǎn)的合振動(dòng)就等于波陣面上所有

7、dS發(fā)出的子波引起的振動(dòng)的疊加13根據(jù)障礙物與光源和觀察屏之間的距離來(lái)分1.近場(chǎng)衍射（菲涅耳衍射）PRS觀察比較方便，但定量計(jì)算卻很復(fù)雜。障礙物與光源和觀察屏的距離是有限遠(yuǎn)時(shí)。三、光的衍射的分類142、遠(yuǎn)場(chǎng)衍射（夫瑯禾費(fèi)衍射）實(shí)驗(yàn)室如何觀察夫瑯禾費(fèi)衍射？RE1LSR2L光源S位于透鏡L1的焦點(diǎn)處觀察屏E位于透鏡L2的焦平面處障礙物與光源和觀察屏的距離是無(wú)限遠(yuǎn)時(shí)。15夫瑯禾費(fèi)(1787—1826)的貢獻(xiàn)◆1814年他用自己改進(jìn)的分光系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)并研究了太陽(yáng)光譜中的暗線（現(xiàn)稱為夫瑯禾費(fèi)譜線），利用衍射

8、原理測(cè)出了它們的波長(zhǎng)；◆他設(shè)計(jì)和制造了消色差透鏡，首創(chuàng)用牛頓環(huán)方法檢查光學(xué)表面加工精度及透鏡形狀，對(duì)應(yīng)用光學(xué)的發(fā)展起了重要的影響；◆他所制造的大型折射望遠(yuǎn)鏡等光學(xué)儀器負(fù)有盛名?！羲l(fā)表了平行光單縫及多縫衍射的研究成果（后人稱之為夫瑯禾費(fèi)衍射），第一個(gè)定量地研究了衍射光柵，用其測(cè)量了光的波長(zhǎng)，以后又給出了光柵方程。16§17.2單縫的夫瑯禾費(fèi)衍射1.實(shí)驗(yàn)裝置aESL1L2一.單縫的夫瑯禾費(fèi)衍射172.實(shí)驗(yàn)結(jié)果平行單縫的明暗相間直條紋;條紋關(guān)于中央明條紋對(duì)稱分布;中央明條紋寬而且亮，其它明條紋窄而且