text13波動(dòng)光學(xué)

1、北極光北極光光是什么？光是什么？光的直線傳播光的直線傳播光的反射光的反射光的折射光的折射大量事實(shí)證明，光是直線前進(jìn)的大量事實(shí)證明，光是直線前進(jìn)的-具有顆粒的特性具有顆粒的特性光是什么？光是什么？白光下的肥皂膜白光下的肥皂膜光是什么？光是什么？單縫衍射單縫衍射光具有波的特性光具有波的特性光到底是什么？光到底是什么？1717世紀(jì)明確形成世紀(jì)明確形成了兩大對(duì)立學(xué)說(shuō)了兩大對(duì)立學(xué)說(shuō)牛頓牛頓惠更斯惠更斯微粒說(shuō)微粒說(shuō)波動(dòng)說(shuō)波動(dòng)說(shuō)1919世紀(jì)初證明了世紀(jì)初證明了波動(dòng)說(shuō)的正確性波動(dòng)說(shuō)的正確性由于波動(dòng)說(shuō)沒(méi)有由于波動(dòng)說(shuō)沒(méi)有數(shù)學(xué)基礎(chǔ)以及牛數(shù)學(xué)基礎(chǔ)以及牛頓的威望使得微頓的威望使得微粒說(shuō)一直占上風(fēng)粒說(shuō)一直占上風(fēng)1919世

2、紀(jì)末光電效應(yīng)現(xiàn)象使得世紀(jì)末光電效應(yīng)現(xiàn)象使得愛(ài)因斯坦在愛(ài)因斯坦在2020世紀(jì)初提出了世紀(jì)初提出了光子說(shuō)：光具有粒子性光子說(shuō)：光具有粒子性這里的光子完全不同于牛頓所說(shuō)的這里的光子完全不同于牛頓所說(shuō)的“微粒微粒”光學(xué)分類：光學(xué)分類：1）幾何光學(xué)）幾何光學(xué)-研究光的直線傳播及光學(xué)儀器的制造；研究光的直線傳播及光學(xué)儀器的制造；2）波動(dòng)光學(xué)）波動(dòng)光學(xué)-研究光的波動(dòng)性；研究光的波動(dòng)性；3）量子光學(xué)）量子光學(xué)-研究光與物質(zhì)的相互作用。研究光與物質(zhì)的相互作用。機(jī)械波的回顧一、簡(jiǎn)諧振動(dòng)：一、簡(jiǎn)諧振動(dòng)：二、平面簡(jiǎn)諧波：二、平面簡(jiǎn)諧波：0cos()yAt0000cos()cos()2cos(2)cos()xxyAtA

3、tuuxxAtAtu三、波的強(qiáng)度四、波的疊加2IA薄膜干涉薄膜干涉 13-1 單色光的波動(dòng)表達(dá)式單色光的波動(dòng)表達(dá)式uEH1 1. 電磁波的產(chǎn)生電磁波的產(chǎn)生 凡做加速運(yùn)動(dòng)的電荷都是電磁波的波源凡做加速運(yùn)動(dòng)的電荷都是電磁波的波源例如：天線中的振蕩電流例如：天線中的振蕩電流分子或原子中電荷的振動(dòng)分子或原子中電荷的振動(dòng)2. 對(duì)電磁波對(duì)電磁波)(cos0urtEE)(cos0urtHH平面簡(jiǎn)諧電磁波的性質(zhì)平面簡(jiǎn)諧電磁波的性質(zhì)(1)(2) 電磁波是電磁波是橫波橫波的描述（平面簡(jiǎn)諧波）的描述（平面簡(jiǎn)諧波）H,EEH和和傳播速度相同、傳播速度相同、相位相同相位相同u/HEOxyz20EI 能流密度3、電磁波譜

4、、電磁波譜光色光色 波長(zhǎng)波長(zhǎng)(nm) 頻率頻率(Hz) 中心波長(zhǎng)中心波長(zhǎng) (nm) 紅紅 760622 660 橙橙 622597 610 黃黃 597577 570 綠綠 577492 540 青青 492470 480 蘭蘭 470455 460 紫紫 455400 430 141410841093.141410051084.141410451005.141410161045.141410461016.141410661046.141410571066.可見(jiàn)光七彩顏色的波長(zhǎng)和頻率范圍可見(jiàn)光七彩顏色的波長(zhǎng)和頻率范圍13-1 相干光相干光一、相干光源：頻率相同、振動(dòng)方向相同、相位差恒定一、相干

5、光源：頻率相同、振動(dòng)方向相同、相位差恒定二、光源發(fā)光機(jī)制二、光源發(fā)光機(jī)制1. 普通光源普通光源-自發(fā)輻射自發(fā)輻射2. 激光光源激光光源-受激輻射受激輻射一個(gè)外來(lái)的光子通過(guò)受激輻射可以變成兩個(gè)完全相同一個(gè)外來(lái)的光子通過(guò)受激輻射可以變成兩個(gè)完全相同光子，兩個(gè)又變成四個(gè)，放大光強(qiáng)光子，兩個(gè)又變成四個(gè)，放大光強(qiáng)三、相干光的獲得三、相干光的獲得 同一原子的同一次光波分解為兩部分，讓他們通過(guò)不同的路同一原子的同一次光波分解為兩部分，讓他們通過(guò)不同的路徑后再重新相遇徑后再重新相遇三、光波的疊加三、光波的疊加S1S2P)2cos(212122122212 rrEEEEE P點(diǎn)的光強(qiáng)度：點(diǎn)的光強(qiáng)度：2EI 1r

6、2r cos 22121 IIIII )(21212rr 1011cos()EEt2022cos()EEt11112cos()prEEt22222cos()prEEt(1) 干涉加強(qiáng)（明）干涉加強(qiáng)（明） 2,k(2) 干涉減弱（暗）干涉減弱（暗） ,)12( k 021III04 II kr12r0 I.2 , 1 , 0 k.2 , 1 , 0 k如果如果光強(qiáng)相等，干涉清晰光強(qiáng)相等，干涉清晰討論：討論： cos 22121 IIIII，krr2)(21212krr2)(21212，2112r12）（kr 13-3 楊氏雙縫干涉楊氏雙縫干涉（分波陣面法）（分波陣面法） 一一、楊氏實(shí)驗(yàn)楊氏實(shí)驗(yàn)

7、1s2s明條紋位置明條紋位置明條紋位置明條紋位置明條紋位置明條紋位置S1.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象S1S2dD若：若：n=11r2rrXOdD P2.定量分析定量分析Cmmd5 . 0作輔助線作輔助線S1C k 12rr Dxd x光的干涉條件光的干涉條件 Dxd 2/) 1-2(k明紋明紋暗紋暗紋.2 .1k.3 .2 .1 .0 k sind tand -1級(jí)暗紋級(jí)暗紋2級(jí)暗紋級(jí)暗紋1級(jí)暗紋級(jí)暗紋-2級(jí)暗紋級(jí)暗紋1級(jí)明紋級(jí)明紋0級(jí)明紋級(jí)明紋-1級(jí)明紋級(jí)明紋2級(jí)明紋級(jí)明紋-2級(jí)明紋級(jí)明紋(1) 屏上相鄰明條紋中心或相鄰暗條紋中心間距為屏上相鄰明條紋中心或相鄰暗條紋中心間距為dDxxkk1x一系列平行

8、的一系列平行的明暗相間條紋明暗相間條紋(4) 當(dāng)用白光作為光源時(shí)，在零級(jí)白色中央條紋兩邊對(duì)稱地當(dāng)用白光作為光源時(shí)，在零級(jí)白色中央條紋兩邊對(duì)稱地排列著幾條彩色條紋排列著幾條彩色條紋 Ik012- -1- -24I0 x0 x1x2x- -2x- -1光強(qiáng)分布光強(qiáng)分布討論討論(2) 已知已知 d , D 及及x,可測(cè)可測(cè) (3) x 正比正比 , D ; 反比反比 d-2 -1 0 1 2dDk條紋位置：條紋位置：xdDk2)1-2(（明紋）（明紋）（暗紋）（暗紋）.2 .1 .0 k.2 .1k二二、勞埃鏡勞埃鏡MNO（勞埃鏡實(shí)驗(yàn)結(jié)果與楊氏雙縫干涉相似）（勞埃鏡實(shí)驗(yàn)結(jié)果與楊氏雙縫干涉相似） 接觸

9、處接觸處, , 屏上屏上O 點(diǎn)點(diǎn)出現(xiàn)暗條紋出現(xiàn)暗條紋 半波損失半波損失 有半波損失有半波損失相當(dāng)于入射波與反射波之間附加了一個(gè)半波長(zhǎng)的波程差相當(dāng)于入射波與反射波之間附加了一個(gè)半波長(zhǎng)的波程差無(wú)半波損失無(wú)半波損失1n2n入射波入射波反射波反射波透射波透射波21nn 21nn 透射波沒(méi)有半波損失透射波沒(méi)有半波損失1S2S明紋間距分別為明紋間距分別為mm5 . 310. 010893. 56004 dDx mm35. 00 . 110893. 56004 dDx 雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，用鈉光燈作單色光源，其波長(zhǎng)為雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，用鈉光燈作單色光源，其波長(zhǎng)為589.3 nm，屏與雙縫的距離屏與雙縫的距離 D=

10、600 mm解解 例例求求 d =0.10 mm 和和 d =1.0 mm，兩種，兩種情況相鄰明條紋間距分別情況相鄰明條紋間距分別為多大？為多大？用白光作光源觀察楊氏雙縫干涉。設(shè)縫間距為用白光作光源觀察楊氏雙縫干涉。設(shè)縫間距為d ，縫面與屏，縫面與屏距離為距離為 D kDxd 紫紫kk ) 1( 紅1 . 1400760400 紫紫紅紅紫紫k解解 最先發(fā)生重疊的是某一級(jí)次的紅光和高一級(jí)次的紫光最先發(fā)生重疊的是某一級(jí)次的紅光和高一級(jí)次的紫光 清晰的可見(jiàn)光譜只有一級(jí)清晰的可見(jiàn)光譜只有一級(jí) 例例在在400 760 nm 范圍內(nèi)，明紋條件為范圍內(nèi)，明紋條件為求求 能觀察到的清晰可見(jiàn)光譜的級(jí)次能觀察到的

11、清晰可見(jiàn)光譜的級(jí)次 13-4 光程與光程差光程與光程差波若時(shí)間波若時(shí)間 t 內(nèi)光波在介質(zhì)中傳播的路程為內(nèi)光波在介質(zhì)中傳播的路程為 r ,則相應(yīng)在真空則相應(yīng)在真空中傳播的路程應(yīng)為中傳播的路程應(yīng)為 nrucrctx光程是一個(gè)折合量，在相位改變相同的條件下，把光在光程是一個(gè)折合量，在相位改變相同的條件下，把光在介質(zhì)中傳播的路程折合為光在真空中傳播的相應(yīng)路程介質(zhì)中傳播的路程折合為光在真空中傳播的相應(yīng)路程.即：相當(dāng)于光在真空中傳播的路程。即：相當(dāng)于光在真空中傳播的路程。一、光程一、光程nrx 光程差光程差波在不同介質(zhì)中傳播頻率周期不變波在不同介質(zhì)中傳播頻率周期不變cnuTu2)n(21122rnr由光程

12、差計(jì)算由光程差計(jì)算1S2Snn1r2rPdrnnddrn )(2 物象之間等光程原理物象之間等光程原理光程光程1 1光程光程2 2光程光程3 3光程光程1=1=光程光程2=2=光程光程3 3SS相位差相位差光程光程 iiirn 1n2nin1r2rir多種介質(zhì)多種介質(zhì) 光程差光程差 12)(2rnnddrn PP”QPP”當(dāng)當(dāng)P點(diǎn)移至無(wú)限遠(yuǎn)點(diǎn)移至無(wú)限遠(yuǎn)等光程等光程等光程等光程Q焦焦點(diǎn)點(diǎn)焦焦平平面面透鏡不起額外透鏡不起額外的光程差的光程差用折射率用折射率 n =1.58 的很薄的云母片覆蓋在雙縫實(shí)驗(yàn)中的一條的很薄的云母片覆蓋在雙縫實(shí)驗(yàn)中的一條縫上，這時(shí)屏上的第七級(jí)亮條紋移到原來(lái)的零級(jí)亮條紋的縫上

13、，這時(shí)屏上的第七級(jí)亮條紋移到原來(lái)的零級(jí)亮條紋的位置上。如果入射光波長(zhǎng)為位置上。如果入射光波長(zhǎng)為 550 nm解解 設(shè)云母片厚度為設(shè)云母片厚度為 d 。無(wú)云母片時(shí)，零級(jí)亮紋在屏上。無(wú)云母片時(shí)，零級(jí)亮紋在屏上 P 點(diǎn)，點(diǎn)，則到達(dá)則到達(dá) P 點(diǎn)的兩束光的光程差為零。加上云母片后，到達(dá)點(diǎn)的兩束光的光程差為零。加上云母片后，到達(dá)P點(diǎn)的兩光束的光程差為點(diǎn)的兩光束的光程差為d )(1)( nrnddr 當(dāng)當(dāng) P P 點(diǎn)為第七級(jí)明紋位置時(shí)點(diǎn)為第七級(jí)明紋位置時(shí) 7 mm36106 . 6158. 110550717 nd 例例求求 此云母片的厚度是多少？此云母片的厚度是多少？dP135 薄膜干涉薄膜干涉Thin

14、-film interference引言：引言：地面彩色油膜地面彩色油膜肥皂泡上的彩色條紋肥皂泡上的彩色條紋一、均勻薄膜的干涉一、均勻薄膜的干涉-等傾干涉等傾干涉iS123456n1n2n1BCADn1 n2作垂線作垂線BD)(2CBACncoseACCBireiABADsin 12sinsinnin ADn12 tansinei iinne22122sin22) 12(k=. 3 . 2 . 1k. 3 . 2 . 1 . 0k明紋明紋暗紋暗紋kn1n2n3BCAe注意：注意：2、透射光也將產(chǎn)生干涉，、透射光也將產(chǎn)生干涉，且反射光加強(qiáng)時(shí)，透射且反射光加強(qiáng)時(shí)，透射光減弱，反射光減弱時(shí)，光減弱，

15、反射光減弱時(shí)，透射光加強(qiáng)。透射光加強(qiáng)。1 、垂直入射或掠入、垂直入射或掠入射會(huì)有半波損失，半射會(huì)有半波損失，半波損失與折射率波損失與折射率12nn ，垂直入射垂直入射0i n1n2n1n1 n2e222en 2) 12(kk=. 3 . 2 . 1 .k. 3 . 2 . 1 . 0k明明暗暗1.反射光的干涉反射光的干涉2.透射光的干涉透射光的干涉22en 2) 12(kk=. 3 . 2 . 1 .k. 3 . 2 . 1 . 0k明明暗暗(1) (2)(1)(2)2(n22e例：例：白光垂直照射到空氣中一厚度為白光垂直照射到空氣中一厚度為380nm的肥皂膜上，設(shè)的肥皂膜上，設(shè)肥皂膜的折射率

16、為肥皂膜的折射率為1.33。試問(wèn)膜的正面和背面各呈什么顏色。試問(wèn)膜的正面和背面各呈什么顏色。 解：反射光解：反射光22 ne)(218 .1010212nmkknek 干涉加強(qiáng)干涉加強(qiáng)透射光：透射光：2nek)(8 .10102nmkkne當(dāng)當(dāng)k=2時(shí)，時(shí)，505.4nm 背面呈綠色。背面呈綠色。當(dāng)當(dāng)k=2時(shí)，時(shí)， (紅紅)當(dāng)當(dāng)k=3時(shí)，時(shí)， (紫紫)2673.8nm 3404.3nm 正面呈紫紅色正面呈紫紅色n反反透透例：例：n1=1.52n2=1.30如圖所示，增透膜適用于如圖所示，增透膜適用于600nm 的垂直照射光，的垂直照射光，求膜的最小厚度？求膜的最小厚度？ 解：解： 增透膜即透射

17、光干涉加強(qiáng)增透膜即透射光干涉加強(qiáng)221,2.2n ekkmin229721446.00 101.15 104 1.30kennm n=1設(shè)每一干涉條紋對(duì)應(yīng)的薄膜厚度分別為：設(shè)每一干涉條紋對(duì)應(yīng)的薄膜厚度分別為：keeee321.22 en2) 12(kk=. 3 . 2 . 1 .k. 3 . 2 . 1 . 0k明紋明紋暗紋暗紋1n二、劈尖干涉二、劈尖干涉-等厚干涉等厚干涉0sinie設(shè)條紋間距為設(shè)條紋間距為l由明紋公式：由明紋公式：kkeel1sin(3)12(1) .(2)2kenk 2.(1)2ke nk neekk21 nnl2sin2 ke1keA）條紋是等間距）條紋是等間距結(jié)論：結(jié)

18、論：B） 越小越小,間距越寬間距越寬條紋間距？條紋間距？dlsin2ln LtandL 1)用測(cè)微顯微鏡測(cè)出用測(cè)微顯微鏡測(cè)出L、l紙紙n=1lL2sinL劈尖干涉的應(yīng)用舉例：劈尖干涉的應(yīng)用舉例：2)測(cè)量微小厚度變化：測(cè)量微小厚度變化：薄膜厚度增加時(shí)，條紋下移，厚度減小時(shí)條紋上移。薄膜厚度增加時(shí)，條紋下移，厚度減小時(shí)條紋上移。從視場(chǎng)中移動(dòng)了從視場(chǎng)中移動(dòng)了N個(gè)條紋，薄膜厚度改變了：個(gè)條紋，薄膜厚度改變了：2eN 如何求得紙片的厚度如何求得紙片的厚度d？例例2：用波長(zhǎng)為用波長(zhǎng)為500nm的單色光垂直照射由兩塊光學(xué)玻璃的單色光垂直照射由兩塊光學(xué)玻璃 構(gòu)構(gòu) 成的空氣劈尖上。在反射光的干涉中，距劈尖棱邊成

19、的空氣劈尖上。在反射光的干涉中，距劈尖棱邊 處是第四條暗紋中心（從棱邊算起），處是第四條暗紋中心（從棱邊算起）， 求此空氣劈尖求此空氣劈尖 的夾角？的夾角？cml56. 1 1n3e33 , 2 , 1 , 02) 12(224nkkkken是第四條暗紋解：解：4sinelradlle5274108 . 41056. 12105323例例3 3：在半導(dǎo)體器件生產(chǎn)中，為精確地測(cè)定硅片上在半導(dǎo)體器件生產(chǎn)中，為精確地測(cè)定硅片上SiO2SiO2薄膜厚度，薄膜厚度，將薄膜一側(cè)腐蝕成尖劈形狀，如圖所示。用波長(zhǎng)為將薄膜一側(cè)腐蝕成尖劈形狀，如圖所示。用波長(zhǎng)為589.3nm589.3nm的鈉的鈉黃光從空氣中垂直

20、照射到黃光從空氣中垂直照射到SiO2SiO2薄膜的劈狀邊緣部分，共看到薄膜的劈狀邊緣部分，共看到5 5條條暗紋，且第暗紋，且第5 5條暗紋恰位于圖中條暗紋恰位于圖中N N處，試求此處，試求此SiO2SiO2薄膜的厚度薄膜的厚度（硅的折射率為（硅的折射率為n1=3.42 SiO2 n1=3.42 SiO2 的折射率為的折射率為 n2=1.50 )n2=1.50 )。NSiSiO2解：解：22(21)2n ek2212 4 1589.344 1.50884kennm 1n例例4：如圖平板玻璃的折射率為如圖平板玻璃的折射率為1.60，用波長(zhǎng)為，用波長(zhǎng)為600nm的單色光垂的單色光垂直入射，產(chǎn)生等厚干

21、涉條紋。劈尖內(nèi)改充直入射，產(chǎn)生等厚干涉條紋。劈尖內(nèi)改充n=1.40的液體時(shí)，條紋間的液體時(shí)，條紋間距縮小距縮小0.5mm，劈尖夾角應(yīng)是多少？，劈尖夾角應(yīng)是多少？ nnl2sin2 2.(1)2ke nk 12(1) .(2)2kenk ke1ke如條紋間距為如條紋間距為lkkeel1sin(3)1222llln 943(1)(1.6 1)600 103.6 1022 0.5 10nl 解：解：三、牛頓環(huán)三、牛頓環(huán)A-曲率半徑很大的凸透鏡曲率半徑很大的凸透鏡裝置：裝置：B-平面光學(xué)玻璃平面光學(xué)玻璃AB干涉圖樣：干涉圖樣：半反半反射鏡射鏡顯顯微微鏡鏡r隨著隨著r的增加而變密！的增加而變密！krRO

22、RO定量分析定量分析ke設(shè)設(shè)n=1，垂直入射時(shí)，垂直入射時(shí)2)12(22 knek knek 22明紋明紋(1)暗紋暗紋(2)kr222)(kkeRRr2Re2kke2Re2kkeRrekk22kr2) 12(Rk kR. 3 . 2 . 1 .k. 3 . 2 . 1 . 0k明環(huán)明環(huán)暗環(huán)暗環(huán) 1）中心是零級(jí)暗紋）中心是零級(jí)暗紋 2）內(nèi)疏外密）內(nèi)疏外密牛頓環(huán)特點(diǎn)：牛頓環(huán)特點(diǎn)：1M2M1G2GPL13-6 邁克耳遜干涉儀邁克耳遜干涉儀Michelson interforometer一一、干涉儀結(jié)構(gòu)干涉儀結(jié)構(gòu)二二、工作原理工作原理光束光束 1 和和 2 發(fā)生干涉發(fā)生干涉S2211d22M,2,122 kk ,2 , 10212，）（ kk d22 d加強(qiáng)加強(qiáng)減弱減弱光程差光程差(無(wú)半波損無(wú)半波損)(有半波損有半波損)2NdN 吞（吐）的條數(shù)吞（吐）的條數(shù)G G1 1和和G G2 2是兩塊材料相同是兩塊材料相同厚薄均勻、幾何形狀完厚薄均勻、幾何形狀完全相同的光學(xué)平晶。全相同的光學(xué)平晶。2. 若若M1、M2有小夾角有小夾角3. 若若M1平移平移 d 時(shí)，干涉條紋移過(guò)或吞（吐）時(shí)，干涉條紋移過(guò)或吞（吐） N 條，則有條，則有2Nd當(dāng)當(dāng)M1和和M2不平行，不平行，且光平行入射且