物理學光的波動性課件

1、內容：1、光的干涉 2、光的衍射 3、光的偏振光是人類以及各種生物生活中不可或缺的要素。光是人類以及各種生物生活中不可或缺的要素。牛頓：牛頓：光是由光是由“光微粒光微?！苯M成的，是一種機械觀；組成的，是一種機械觀；惠更斯、托馬斯惠更斯、托馬斯楊、菲涅耳：楊、菲涅耳：光是介質中傳播的波；光是介質中傳播的波； 能發(fā)生干涉、衍射。能發(fā)生干涉、衍射。麥克斯韋的電磁理論：麥克斯韋的電磁理論：光是一種電磁波。光是一種電磁波。光電效應光電效應 康普頓散射：康普頓散射：光具有粒子性，這種粒子稱做光具有粒子性，這種粒子稱做“光量子光量子”，德布羅意：德布羅意：所有物質都具有波粒二象性。所有物質都具有波粒二象性。

2、光的兩種互補性質光的兩種互補性質：在傳播過程中顯示波動性，：在傳播過程中顯示波動性，與其他物質相互作用時顯示粒子性。與其他物質相互作用時顯示粒子性。主主 要要 內內 容容1、光的干涉、光的干涉 光的相干性光的相干性 楊氏雙縫干涉楊氏雙縫干涉 薄膜干涉薄膜干涉 邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀2、光的衍射、光的衍射 惠更斯惠更斯 菲涅耳原理菲涅耳原理 單縫衍射單縫衍射 衍射光柵衍射光柵 光學儀器的分辯本領光學儀器的分辯本領 X 射線衍射射線衍射3、光的偏振、光的偏振 自然光和偏振光自然光和偏振光 雙折射雙折射 可見光可見光(visible light)：能引起人的視覺的：能引起人的視覺的電磁波電磁波

3、，真空，真空中的波長中的波長 400 nm 760 nm。熱光源：處于熱激發(fā)態(tài)的原子的自發(fā)輻射熱光源：利用熱能激發(fā)。如太陽、白熾燈冷光源：利用化學能、電能或光能激發(fā)。如磷光、輝光普通光源激光光源光源- 13.6 e V- 3.4 e V- 1.5 e V例子：氫原子的發(fā)光模型例子：氫原子的發(fā)光模型光波列光波列 在熱激發(fā)下原子躍在熱激發(fā)下原子躍遷至高能級激發(fā)態(tài)，遷至高能級激發(fā)態(tài)，由于激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定由于激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，從高能級躍遷躍遷從高能級躍遷躍遷至低能級，發(fā)出光至低能級，發(fā)出光波列。躍遷過程的波列。躍遷過程的持續(xù)時間約為持續(xù)時間約為 10-8 s。各原子或同一原子，每次發(fā)出的波列，其頻率和振動各原

4、子或同一原子，每次發(fā)出的波列，其頻率和振動方向可能不同，每次何時發(fā)光不確定。方向可能不同，每次何時發(fā)光不確定。來自兩個光源或同一光源兩部分的光，不滿足相干條來自兩個光源或同一光源兩部分的光，不滿足相干條件，疊加時在空間不能產生穩(wěn)定的干涉現象。件，疊加時在空間不能產生穩(wěn)定的干涉現象。兩束光發(fā)生兩束光發(fā)生干涉（干涉（interference）的條件：的條件：具有相同的頻率、振動方向相同、有固定的相位關系。具有相同的頻率、振動方向相同、有固定的相位關系。單色光：單色光：具有單一頻率（波長）的光。實際具有單一頻率（波長）的光。實際的單色光都有一定的譜線寬度。光的單色性的單色光都有一定的譜線寬度。光的單

5、色性越好，相干長度（越好，相干長度（coherent length）越長。）越長。I0用單色性好的點光源，把光線分成兩部分，然后再疊加。用單色性好的點光源，把光線分成兩部分，然后再疊加。（取自同一原子的同一次發(fā)光）（取自同一原子的同一次發(fā)光）pS * *分波陣面法分波陣面法p薄膜薄膜S S * *分振幅法分振幅法1801年，英國人托馬斯年，英國人托馬斯 楊（楊（ T. Young ）成功地做了一）成功地做了一個具有判別意義的、關于光的性質的關鍵性實驗。在觀個具有判別意義的、關于光的性質的關鍵性實驗。在觀察屏上有明暗相間的等間距條紋，這只能用光是一種波察屏上有明暗相間的等間距條紋，這只能用光是一

6、種波來解釋。楊還由此實驗測出了光的波長。來解釋。楊還由此實驗測出了光的波長。 r2r1 xPSs1s2DdoS1 和和 S2 是同相波源。是同相波源。實實驗中，雙縫和屏間距驗中，雙縫和屏間距D一一般般 約約 1 m ，而，而 雙縫間距雙縫間距d 約約 10-4 m。兩條光路的兩條光路的波程差波程差：sin12drrDxtgsindxD根據干涉原理，波程差決定了干涉的強弱效果：根據干涉原理，波程差決定了干涉的強弱效果： 波程差為波程差為波長波長的整數倍時，干涉極大；的整數倍時，干涉極大； 波程差為波程差為半波長半波長的奇數倍時，干涉極小。的奇數倍時，干涉極小。0 級明紋級明紋1 級明紋級明紋2

7、級明紋級明紋1 級明紋級明紋2 級明紋級明紋1 級暗紋級暗紋2 級暗紋級暗紋1 級暗紋級暗紋2 級暗紋級暗紋當當 時，干涉極大，時，干涉極大，即：即： ，k = 0 , 1 , 2 , ，處為明條紋。處為明條紋。dxkD Dxkd (21)2k 當當 時，干涉極小，時，干涉極小，即：即： ，k = 1 , 2 , ，處為暗條紋。處為暗條紋。(21)2Dxkd 相鄰兩明紋或暗紋間的距相鄰兩明紋或暗紋間的距離離dDx所指明紋或暗紋間的位置是指所指明紋或暗紋間的位置是指明條紋或暗條紋的中心位置。明條紋或暗條紋的中心位置。條紋間距與波長成正比條紋間距與縫間距成反比干涉項干涉項xoIcos2212221

8、2AAAAAcos22121IIIII4I11、雙縫干涉形成等間距的明暗條紋。雙縫間距、雙縫干涉形成等間距的明暗條紋。雙縫間距 d 愈小愈小，干涉條紋間距，干涉條紋間距x 愈大，愈大，干涉愈明顯干涉愈明顯。d大到一定程度大到一定程度，條紋間距小于，條紋間距小于0.1 mm時，肉眼觀察不到干涉現象。時，肉眼觀察不到干涉現象。2、愈大，則條紋間距大；愈大，則條紋間距大；復色光源復色光源做實驗時，紅光在做實驗時，紅光在外，紫光在內。外，紫光在內。3、要使條紋分得開，還需要、要使條紋分得開，還需要D大。大。MN勞埃德鏡勞埃德鏡ABS1S2勞埃德（勞埃德（H. Lloyd）鏡：當經平面鏡反射鏡：當經平面

9、鏡反射的光線，與直接射到的光線，與直接射到屏幕上的光相遇，發(fā)屏幕上的光相遇，發(fā)生干涉，出現干涉條生干涉，出現干涉條紋。紋。當將屏幕移近到鏡當將屏幕移近到鏡面的一端時，發(fā)現接觸處出現的是面的一端時，發(fā)現接觸處出現的是暗條紋暗條紋！這一實驗事！這一實驗事實說明，從鏡面反射的光，實說明，從鏡面反射的光，發(fā)生了發(fā)生了 的相位突變的相位突變！半波損失：光從光疏介質到光密介質表面反半波損失：光從光疏介質到光密介質表面反射時，射時，反射光有半個波長的附加波程差反射光有半個波長的附加波程差。雙面鏡SS1S2d2MABDRdLDPSS1S2MNAB雙棱鏡光在不同介質中傳播時，光在不同介質中傳播時，頻率不變而波長

10、改變頻率不變而波長改變。在真空中。在真空中波長波長，到折射率為，到折射率為n的介質中變?yōu)榈慕橘|中變?yōu)?：光在介質中傳播時，經過幾何路程光在介質中傳播時，經過幾何路程 r 的相位差：的相位差：n nrr22光程光程=nr光程：光在介質中經過的幾何路徑光程：光在介質中經過的幾何路徑r與該介質的折射率與該介質的折射率n的乘積的乘積ndr2r1)(212rnddr21()rdndr兩束相干光的兩束相干光的光程差為半波長的偶數倍光程差為半波長的偶數倍時，時，干涉加強（相長），干涉加強（相長），光程差為半波長的奇數光程差為半波長的奇數倍倍時，干涉減弱（相消）。時，干涉減弱（相消）。FABoFAB焦平面焦平

11、面2sin222122inne薄膜干涉：薄膜干涉：在擴展光源在擴展光源太陽或寬廣光源的自然光的照太陽或寬廣光源的自然光的照射下，油膜等薄膜表面會出現彩色的干涉圖樣。薄膜干涉射下，油膜等薄膜表面會出現彩色的干涉圖樣。薄膜干涉是利用分振幅法獲得相干光的。是利用分振幅法獲得相干光的。LP1n1n2nMNeiDC34E5A1rrB2發(fā)生干涉的兩條發(fā)生干涉的兩條2、3光光線的光程差為：線的光程差為：21()2n AB BCn AD半波損失in1n2en1等傾干涉環(huán)等傾干涉環(huán)2sin222122inne光程差決定于傾角光程差決定于傾角i，焦平面上同一干涉條紋（亮或暗），焦平面上同一干涉條紋（亮或暗）對應相

12、同的入射角。對應相同的入射角。222211,2,3,.2sin2(21)1,2,3,.2kke nnikk在等傾干涉條紋中：i k，越往內k值越大，i=0對應中央條紋，因此 中央條紋級次最大P1n1n2n1M2MeLiDC34E5A1B212nn 222t212sine nni透射光和反射光的干透射光和反射光的干涉條紋具有互補性涉條紋具有互補性 。0i222dn22dn1n1n2n1n3n2n123nnn當當 時：時：一、一、 劈尖干涉劈尖干涉夾角很小的兩個平面所構成的薄膜夾角很小的兩個平面所構成的薄膜rad 101054 ： 空氣劈尖空氣劈尖平行單色光平行單色光垂直照射垂直照射空氣劈尖上，上

13、、下表面的空氣劈尖上，上、下表面的反射光將產生干涉。反射光將產生干涉。n入射光垂直入射入射光垂直入射 ，厚度，厚度為為e 處處兩條相干光線的兩條相干光線的光程差：光程差：22 nee暗條紋明條紋2 , 1 , 02) 12(3 , 2 , 122kkkke干涉條件（空氣劈尖）干涉條件（空氣劈尖）劈尖上厚度相同的地方，兩相干光的光程差相同，對劈尖上厚度相同的地方，兩相干光的光程差相同，對應一定應一定k值的明或暗條紋值的明或暗條紋等厚干涉等厚干涉出現暗條紋出現暗條紋有有“半波損失半波損失”相鄰兩條紋對應的厚度差：相鄰兩條紋對應的厚度差：neekk212, 0e棱邊處棱邊處光程差決定于厚度，同一干涉

14、條紋對應的厚度相同，故光程差決定于厚度，同一干涉條紋對應的厚度相同，故稱稱等厚條紋等厚條紋。等厚條紋是一些與棱邊平行的明暗相間的。等厚條紋是一些與棱邊平行的明暗相間的直條紋。在棱邊處形成暗條紋。直條紋。在棱邊處形成暗條紋?？諝馀馊我庀噜徝鳁l紋對應的空氣劈尖任意相鄰明條紋對應的厚度差：厚度差：21/eekk sinsineelkk21 任意相鄰明條紋任意相鄰明條紋(或暗條紋或暗條紋)之間的距離之間的距離 l 為：為：在入射單色光一定時，劈尖的楔角在入射單色光一定時，劈尖的楔角 愈小，則愈小，則l愈大，愈大，干涉條紋愈疏；干涉條紋愈疏； 愈大，則愈大，則l愈小，干涉條紋愈密。愈小，干涉條紋愈密。

15、當用白光照射時，將看到由劈尖邊緣逐漸分開的當用白光照射時，將看到由劈尖邊緣逐漸分開的彩色直條紋。彩色直條紋。傾角增大，則條紋寬度減??；傾角增大，則條紋寬度減?。幌蛏掀揭?，傾角不變，厚度增加，則條紋寬度不變，向上平移，傾角不變，厚度增加，則條紋寬度不變， 條紋級次條紋級次增大，所以條紋向劈尖處移動。增大，所以條紋向劈尖處移動。條紋間距條紋間距sin2l2) 1222kke測微小厚度測微小厚度ise1n2n2ios干涉膨脹儀干涉膨脹儀0l12nNel2Ne 牛頓環(huán)干涉圖樣牛頓環(huán)干涉圖樣顯微鏡顯微鏡SLRre M半透半透半反鏡半反鏡T2222()22rRReReeReRre中央為暗斑（中央為暗斑（k

16、=0）的內疏外密的明暗相的內疏外密的明暗相間的同心圓環(huán)。間的同心圓環(huán)。22erR即：即： 。 因此因此暗環(huán)暗環(huán)半徑：半徑：kRr kRrk2Rmkrmk)(222 k mkrrRm暗條紋明條紋2 , 1 , 02) 12(3 , 2 , 122kkkke單色光源單色光源21MM 反反射射鏡鏡 2M反射鏡反射鏡1M21M,M與與 成成 角角04521/GG2G補償板補償板 分光板分光板 1G 移動導軌移動導軌1M反反射射鏡鏡 2M21MM 反射鏡反射鏡1M單色光源單色光源1G2G光程差光程差2 d 的像的像2M2Md1G2Gd2M2M1M兩相干光束在空間完全分開，并可用移動反射鏡或在光兩相干光束

17、在空間完全分開，并可用移動反射鏡或在光路中加入介質片的方法改變兩光束的光程差。路中加入介質片的方法改變兩光束的光程差。例如例如M1移動移動 d時，屏上干涉條紋移動（冒出或埋進）時，屏上干涉條紋移動（冒出或埋進）數目為數目為N：d2dN由此邁克爾遜干涉由此邁克爾遜干涉儀可用于測長度、儀可用于測長度、測折射率。測折射率。當兩鏡面相互嚴格垂當兩鏡面相互嚴格垂直時等效于平行平面間直時等效于平行平面間空氣膜的等傾干涉；空氣膜的等傾干涉；當鏡面有夾角時等效于空氣劈尖的等厚干涉當鏡面有夾角時等效于空氣劈尖的等厚干涉邁克耳孫邁克耳孫 莫雷實驗（莫雷實驗（1881年）關于年）關于尋找尋找“以太以太”的否定結果，

18、是相對論的的否定結果，是相對論的實驗基礎之一。實驗基礎之一。邁克耳孫干涉儀和以它為原型發(fā)邁克耳孫干涉儀和以它為原型發(fā)展起來的多種干涉儀有廣泛的用展起來的多種干涉儀有廣泛的用途，如可精密測量長度、折射率途，如可精密測量長度、折射率、光譜線的波長和精細結構等。、光譜線的波長和精細結構等。美國科學家邁克耳孫因發(fā)明干涉美國科學家邁克耳孫因發(fā)明干涉儀和對計量學的研究而獲得了儀和對計量學的研究而獲得了1907年的諾貝爾物理獎。年的諾貝爾物理獎。1892年，用邁克耳孫干涉儀測量了巴黎計量局的標準米尺年，用邁克耳孫干涉儀測量了巴黎計量局的標準米尺的長度，相當于的長度，相當于1553163.5個鎘紅光波長個鎘紅

19、光波長當光遇到的障礙物尺寸足夠小時當光遇到的障礙物尺寸足夠小時，發(fā)現屏上得不到這些物體清晰，發(fā)現屏上得不到這些物體清晰的幾何投影，而是有光進入陰影的幾何投影，而是有光進入陰影區(qū)內，產生區(qū)內，產生光的衍射現象光的衍射現象。針和線的衍射條紋針和線的衍射條紋不同大小的圓孔的衍射條紋不同大小的圓孔的衍射條紋方孔衍射方孔衍射網格衍射網格衍射圓孔衍射：圓孔衍射：單縫衍射：單縫衍射：PH*SG*S衍射分類衍射分類按照光源、衍射屏和接收屏的相對位置按照光源、衍射屏和接收屏的相對位置夫瑯禾費衍射夫瑯禾費衍射光源與接收屏距衍射屏均為無限遠光源與接收屏距衍射屏均為無限遠縫縫1L2L在實驗中實現在實驗中實現夫瑯禾費衍

20、射夫瑯禾費衍射SRP菲涅耳衍射菲涅耳衍射縫縫PS光源和（或）接收屏距衍射屏有限遠光源和（或）接收屏距衍射屏有限遠惠更斯：波陣面上各點都看成是子波波惠更斯：波陣面上各點都看成是子波波源。源。定性解釋光的傳播方向問題。定性解釋光的傳播方向問題?；莞够莞?Christian Huygens, 1629-1695)，荷蘭荷蘭數學家、物理學家。發(fā)現土星的光環(huán)，發(fā)明了數學家、物理學家。發(fā)現土星的光環(huán)，發(fā)明了擺鐘，對波動理論的發(fā)展起了重要作用擺鐘，對波動理論的發(fā)展起了重要作用。菲涅耳：從同一波面上各點發(fā)出的子波菲涅耳：從同一波面上各點發(fā)出的子波，在空間相遇時，也將疊加而產生干涉，在空間相遇時，也將疊加而

21、產生干涉現象。現象。定量解釋衍射圖樣中的強度定量解釋衍射圖樣中的強度分布。分布。菲涅耳菲涅耳(Augustin Jean Fresnel，1788-1827)，法國物理學家、數學家。法國物理學家、數學家?；莞够莞狗颇颇砝?波在傳播過程中，波在傳播過程中，從同一波陣面從同一波陣面S上發(fā)出的上發(fā)出的子波，經傳播而在空間子波，經傳播而在空間某點相遇時，可相互疊某點相遇時，可相互疊加而產生干涉現象。加而產生干涉現象。圖中圖中P點的光振動就是由點的光振動就是由S上各點的上各點的ds面元的振動傳播到面元的振動傳播到P點，并疊加而成。點，并疊加而成。由此即可計算出空間各點的光振動。由此即可計

22、算出空間各點的光振動。SKL1L2E 單縫衍射夫瑯和費實驗裝置圖單縫衍射夫瑯和費實驗裝置圖菲涅耳衍射菲涅耳衍射(Fresnel Diffraction)： 衍射屏離光源或接收屏為有限距離的衍射。衍射屏離光源或接收屏為有限距離的衍射。夫朗和費衍射夫朗和費衍射(Fraunhofer Diffraction)： 衍射屏離光源或接收屏為無限遠距離的衍射。衍射屏離光源或接收屏為無限遠距離的衍射。P光源和觀察屏都在距離衍射單縫光源和觀察屏都在距離衍射單縫“無限遠無限遠”處。處。平行光垂直入射到縫寬為平行光垂直入射到縫寬為a的單縫上。顯然，匯聚到焦的單縫上。顯然，匯聚到焦平面處的屏中心的光線具有相同的光程，

23、因此出現亮平面處的屏中心的光線具有相同的光程，因此出現亮條紋。為了討論在條紋。為了討論在 任一點任一點P的的光振動合成的明暗情況光振動合成的明暗情況，引入引入“半波帶半波帶(half wave zone)”的概念的概念.BAsin2Na/2a考慮對應衍射角考慮對應衍射角 方向上的出方向上的出射光，它們將經透鏡匯聚到射光，它們將經透鏡匯聚到屏上屏上P點。現點?，F將波陣面將波陣面 AB分分成若干個等寬長條帶成若干個等寬長條帶，分割，分割原則是：原則是：相鄰條帶的相應點相鄰條帶的相應點發(fā)出的光到達發(fā)出的光到達 P 點的光程差點的光程差為半個波長。為半個波長。當然半波帶的當然半波帶的個數個數與衍射角有

24、關：與衍射角有關：這樣分割后相鄰半波帶的光，合成后為零。這樣分割后相鄰半波帶的光，合成后為零。因此，因此，最終最終P點的明暗取決于這樣的半波帶的個數！點的明暗取決于這樣的半波帶的個數！sin(21)2ak 對奇數個半波帶，則可得對奇數個半波帶，則可得明條紋明條紋：sinak 對偶數個半波帶，則可得對偶數個半波帶，則可得暗條紋暗條紋：兩式中的兩式中的 k=1,2, ； =0是指是指條紋的中心位置。條紋的中心位置。半波帶個數與條紋級數關系示意：半波帶個數與條紋級數關系示意：第第1級明，級明，3個半波帶個半波帶第第2級明，級明，5個半波帶個半波帶第第1級暗，級暗，2個半波帶個半波帶第第2級暗，級暗，

25、4個半波帶個半波帶axf 0暗暗紋紋),k(ksina21 一級暗紋條件fxaatga00sin一一級級暗暗紋紋坐坐標標 afx 中央亮紋線寬度 2tan200affx中中央央亮亮紋紋半半角角寬寬度度 0a 1sina1sina 3. 相鄰兩衍射條紋間距相鄰兩衍射條紋間距條紋在接收條紋在接收屏上的位置屏上的位置a/fkx a/f)k(x212 暗紋中心暗紋中心明紋中心明紋中心21 ,k其它各級明條紋的寬度為中央明條紋寬度的一半。其它各級明條紋的寬度為中央明條紋寬度的一半。中中央央亮亮紋紋線線寬寬度度 22afxx a當當縫縫寬寬 x 中中央央亮亮紋紋線線寬寬度度af)k(xakfxkk 11

26、afxxxkk 11sinIobb2b3bb2b3sinak 暗紋即干涉相消位置：暗紋即干涉相消位置：sin(21)2ak 明紋即干涉加強位置：明紋即干涉加強位置：a=0.16 mma=0.08 mma=0.04 mma=0.02 mm單縫衍射的激光實驗照片，入射激光波長單縫衍射的激光實驗照片，入射激光波長 =632.8nm。明條紋寬度反比于縫寬。明條紋寬度反比于縫寬。 越大，衍射效應越明顯。越大，衍射效應越明顯。PLH愛愛里里斑斑d：愛里斑直徑：愛里斑直徑ddfDLP21.22dfD 愛里斑的半角寬度愛里斑的半角寬度對于任一個物點（點光源），經物鏡后所形成的像實際對于任一個物點（點光源），經

27、物鏡后所形成的像實際不是一個點，而是圓孔衍射圖樣不是一個點，而是圓孔衍射圖樣, ,其主要部分為愛里斑。其主要部分為愛里斑。因此，當兩個物點相距很近，就有因此，當兩個物點相距很近，就有如何分辨的問題如何分辨的問題：物點物點對應對應像點（像斑）像點（像斑）對于兩個強度相等的不相干的點光源（物點），一對于兩個強度相等的不相干的點光源（物點），一個點光源的衍射圖樣的個點光源的衍射圖樣的主極大主極大剛好和另一點光源衍剛好和另一點光源衍射圖樣的射圖樣的第一極小第一極小相相重合重合，這時兩個點光源（或物，這時兩個點光源（或物點）點）恰為這一光學儀器所分辨恰為這一光學儀器所分辨(Just Resolved).

28、最小分辨角等于圓最小分辨角等于圓孔衍射的愛里斑的孔衍射的愛里斑的半角寬：半角寬：0111.22DR最小分辨角的倒數是最小分辨角的倒數是分辨率分辨率 (Resolving Power)，也稱，也稱分辨本領：分辨本領：01.22D可見增大望遠鏡的物鏡直徑可以提高分辨本領。可見增大望遠鏡的物鏡直徑可以提高分辨本領。1990 年發(fā)射的哈勃太空望遠年發(fā)射的哈勃太空望遠鏡，其凹面鏡的直徑為鏡，其凹面鏡的直徑為 2.4 m ，角分辨率約為，角分辨率約為 0.1，在大氣層外在大氣層外615 km 處繞地球處繞地球運行，可觀察運行，可觀察 130 億光年遠億光年遠的宇宙深景，發(fā)現了的宇宙深景，發(fā)現了 500 億

29、億個星系。個星系。 美國建造了直徑達美國建造了直徑達305米的米的拋物面射電望遠鏡，不能拋物面射電望遠鏡，不能轉動，是世界上最大的單轉動，是世界上最大的單孔徑射電望遠鏡?？讖缴潆娡h鏡。德國建造了德國建造了100米直徑的米直徑的全向轉動拋物面射電望遠全向轉動拋物面射電望遠鏡，是世界上最大的可轉鏡，是世界上最大的可轉動單天線射電望遠鏡。動單天線射電望遠鏡。反射光柵：反射光柵：透射光柵：透射光柵：透光寬度透光寬度不透光寬度不透光寬度光柵常量：光柵常量：d=a+bab大量等寬等間距的平行狹縫（大量等寬等間距的平行狹縫（或反射面）構成的光學元件。或反射面）構成的光學元件。光柵寬度為光柵寬度為 l ，每

30、毫米縫數為每毫米縫數為 m ，則總縫數：，則總縫數：N=mlabdab sin (0,1,2,)dkk 干涉明紋位置干涉明紋位置相鄰兩縫間的光程差：相鄰兩縫間的光程差：()sinsinLabd 光柵常數：光柵常數：5610 10 m 光柵常數光柵常數衍射角衍射角a：透光部分的寬度：透光部分的寬度b：不透光部分的寬度：不透光部分的寬度光柵衍射條紋的形成光柵衍射條紋的形成光柵的衍射條紋是光柵的衍射條紋是單縫衍單縫衍射射和和多縫干涉多縫干涉的總效果。的總效果。sind 光柵方程光柵方程I II II IO OO OO Osinsin sinsin sinsin aadd2d3d4dd2d3d4dd2

31、d3d4dd2d3d4單縫衍射多縫干涉光柵衍射各主極大要各主極大要受單縫衍射受單縫衍射的調制。的調制。sinak()sinabk kabak對應某些對應某些 值按多光束干涉應出現某些級的主極大，正值按多光束干涉應出現某些級的主極大，正好落在單縫衍射的暗條紋上，而造成這些主極大缺失。好落在單縫衍射的暗條紋上，而造成這些主極大缺失。即滿足以下兩個條件的光柵明條紋為缺級：即滿足以下兩個條件的光柵明條紋為缺級：. , 3 , 2 , 1 k例如，例如，a+b = 3a ，則，則 k = 3，6，9， 對應的主極大缺級。對應的主極大缺級。0級級2級級-2級級-1級級3級級-3級級白光的光柵光譜白光的光柵

32、光譜光柵光譜：具有連續(xù)光譜的復合光，其同級明紋將形光柵光譜：具有連續(xù)光譜的復合光，其同級明紋將形成按波長排列的彩色光帶，紫光靠近中央，紅光在遠成按波長排列的彩色光帶，紫光靠近中央，紅光在遠端。端。1級級 X 射線是射線是倫琴倫琴(Roentgen)于于 1895 年發(fā)現的，它是在真空年發(fā)現的，它是在真空管中高速電子撞擊金屬靶時管中高速電子撞擊金屬靶時產生的一種射線，人眼看不產生的一種射線，人眼看不見，具有很強的穿透能力。見，具有很強的穿透能力。勞厄斑勞厄斑X X射線管射線管X 射線是波長很短的電磁波，射線是波長很短的電磁波，波長在波長在0.0110 nm。 1912 年勞厄年勞厄(Laue)將

33、將X射線照射晶體，獲得了衍射圖射線照射晶體，獲得了衍射圖樣。實驗中晶體的晶格點陣起了天然光柵（三維空間樣。實驗中晶體的晶格點陣起了天然光柵（三維空間光柵）的作用，同時證明了光柵）的作用，同時證明了X射線的波動性射線的波動性。CABd2 sindk相干加強條件滿足相干加強條件滿足布拉格公式布拉格公式： . , 3 , 2 , 1 k式中式中 是掠射角，是掠射角，d 是某方向上晶面的間距是某方向上晶面的間距。布拉格公式布拉格公式可應用于測晶面間距可應用于測晶面間距 d ，分析晶體結構。，分析晶體結構。 1913年，英國的布拉年，英國的布拉格格(Bragg)父子提出一父子提出一種研究種研究X射線衍射

34、的方射線衍射的方法，即把晶體的空間點法，即把晶體的空間點陣當作反射光柵處理。陣當作反射光柵處理。光是特定頻率范圍內的電磁波。光是特定頻率范圍內的電磁波。起光作用，如引起人的視覺和使照相底片感光的作起光作用，如引起人的視覺和使照相底片感光的作用，是電場強度矢量，稱為光矢量。用，是電場強度矢量，稱為光矢量。光矢量的振動方向與光的傳播方向垂直，即光是橫光矢量的振動方向與光的傳播方向垂直，即光是橫波，這一特征也稱為光的偏振。波，這一特征也稱為光的偏振。偏振性是橫波區(qū)別于縱波的重要特征。偏振性是橫波區(qū)別于縱波的重要特征。自然光：各個方向的光矢量振幅相同自然光：各個方向的光矢量振幅相同偏振光偏振光完全偏振

35、光完全偏振光（線偏振光、平面偏振光（線偏振光、平面偏振光或偏振光）或偏振光）部分偏振光部分偏振光線偏振光或平面偏振光：光矢量始終沿某一方向的振動。線偏振光或平面偏振光：光矢量始終沿某一方向的振動。yzxu表示振動方向在紙面內表示振動方向在紙面內傳播方向傳播方向傳播方向傳播方向表示振動方向垂直紙面表示振動方向垂直紙面由于原子發(fā)光的獨立性與隨機由于原子發(fā)光的獨立性與隨機性，對于普通光源所發(fā)的光，性，對于普通光源所發(fā)的光，光矢量分布各向均勻。光矢量分布各向均勻。自然光各光矢量之間的相位自然光各光矢量之間的相位關系不固定，是隨機的。關系不固定，是隨機的。介于線偏振光與自然光之間的情形，可看成線偏振光介

36、于線偏振光與自然光之間的情形，可看成線偏振光與自然光的混合。與自然光的混合。用來從自然光獲得偏振光的裝置叫用來從自然光獲得偏振光的裝置叫起偏器起偏器 (polarizer)，又叫又叫偏振片偏振片，也可以用作，也可以用作檢偏器檢偏器(analyzer)以檢驗某束以檢驗某束光是否為偏振光。光是否為偏振光。偏振片：只容許一個特定方向的光振動通過，偏振片：只容許一個特定方向的光振動通過，這個特定方向稱這個特定方向稱為為偏振片的偏振化方向偏振片的偏振化方向。平行線表示偏振化方向平行線表示偏振化方向1、自然光通過偏振片后，、自然光通過偏振片后，光強為原來的光強為原來的二分之一二分之一。旋轉起偏器，屏幕上光

37、旋轉起偏器，屏幕上光強不變強不變。2、檢偏器旋轉一周，、檢偏器旋轉一周，透射光光強出現透射光光強出現兩次最兩次最強，兩次消光，強，兩次消光，說明入說明入射光是線偏振光。射光是線偏振光。P1P2自然光自然光I0I自然光從自然光從P1出射后，變出射后，變成強度為成強度為I0的線偏振光，的線偏振光，又入射到與又入射到與P1成夾角為成夾角為 的偏振片的偏振片P2上。上。從從P2出射的偏振光振幅出射的偏振光振幅A與入與入射偏振光的振幅射偏振光的振幅A0有關系：有關系：0cosAA20cosII因此有光強關系：因此有光強關系：這就是馬呂斯定律。這就是馬呂斯定律。P2P1A0A根據馬呂斯定律可知：當根據馬呂斯定律可知：當P1P2時，出射光為零；時，出射光為零； 當當P1P2時，出射光最強。時，出射光最強。自然光反射和折射后自然光反射和折射后產生部分偏振光產生部分偏振光特別地，當入射角為特殊角特別地，當入射角為特殊角i0 時，反射光為光振動垂直時，反射光為光振動垂直入射面的線偏振光。入射面的線偏振光。i0為起偏振角，也叫布儒斯特角。為起偏振角，也叫布儒斯特角。當光