波動光學(xué)學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1波動波動(bdng)光學(xué)光學(xué)第一頁，共51頁。解釋與實物作用過程（光的吸收(xshu)與發(fā)射）中發(fā)生的現(xiàn)象解釋傳播過程(guchng)（反射、折射、干涉、衍射和偏振）中發(fā)生的現(xiàn)象 本章主要介紹(jisho)光的波動性，光的粒子性在近代物理中介紹(jisho)赫茲實驗證實了光是電磁波的預(yù)言19世紀(jì)60年代麥克斯韋電磁波理論光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)等不能用波動說解釋20世紀(jì)初波動理論遭遇困難光具有波粒二象性表現(xiàn)為粒子表現(xiàn)為波動第1頁/共51頁第二頁，共51頁。第2頁/共51頁第三頁，共51頁。18-5 邁克耳孫干涉儀18-4 由分振幅法產(chǎn)生(chnshng)的光的干涉18-3 光程(un ch

2、n)和光程(un chn)差 薄透鏡的一個性質(zhì)18-2 由分波陣面法產(chǎn)生(chnshng)的光的干涉18-1 光源 光的相干性第3頁/共51頁第四頁，共51頁。1. 理解(lji)獲得相干光的方法。3. 能分析、確定楊氏雙縫干涉條紋(tio wn)及薄膜等厚干涉條紋(tio wn)的位置。4. 理解邁克耳孫干涉儀的工作原理。2. 掌握光程的概念以及光程差和相位差的關(guān)系。第4頁/共51頁第五頁，共51頁。一.光源 發(fā)射光波(gungb)的物體1.熱輻射 加熱(ji r)維持物體的溫度，輻射就能持續(xù)進(jìn)行下去，稱為熱輻射。光波就是電磁波，任何物體(wt)都輻射電磁波。白熾燈太陽第5頁/共51頁第六頁

3、，共51頁。 電致發(fā)光2.發(fā)光 需依靠一些激發(fā)過程獲得能量(nngling)維持輻射 光致發(fā)光 化學(xué)發(fā)光半導(dǎo)體發(fā)光(f un)二極管閃電(shndin)螢火蟲霓虹燈第6頁/共51頁第七頁，共51頁。3.同步輻射(fsh)光源 在同步輻射加速器中速度接近(jijn)光速作環(huán)形運動的電子迅速損失能量產(chǎn)生的輻射 特點(tdin)：方向性好、亮度高，還具有連續(xù)性、優(yōu)異的準(zhǔn)直性和易脈沖化等特性 應(yīng)用：為晶體結(jié)構(gòu)研究，生物大分子和生物蛋白的結(jié)構(gòu)研究提供了高性能的光源北京的正負(fù)電子對撞機可提供同步輻射光第7頁/共51頁第八頁，共51頁。1.普通光源（非激光(jgung)光源）的發(fā)光機理 原子(yunz)發(fā)出

4、的每一列光波是一段有限長的、振動方向一定、振幅不變或緩慢變化的正弦波。波列波列長L = c二. 光的相干性每一波列持續(xù)時間約為s 109 普通光源發(fā)出的光是由構(gòu)成光源的大量(dling)原子或分子運動狀態(tài)改變時發(fā)出的。波列長度的數(shù)量級為L = 0.1 m 因波列持續(xù)時間過短，兩波列的干涉現(xiàn)象無法覺察。第8頁/共51頁第九頁，共51頁。不同(b tn)原子發(fā)的光同一(tngy)原子先后發(fā)的光 同一原子先后發(fā)出的波列振動方向和頻率(pnl)不一定相同，相位間無固定關(guān)系。 不同原子發(fā)出的波列振動方向和頻率也不一定相同，相位間無固定關(guān)系。 兩列波為相干波的條件：頻率相同，振動方向相同，在相遇點有恒定的

5、相位差。 結(jié)論：兩個獨立光源發(fā)出的光波或同一光源兩部分發(fā)出的光波在相遇區(qū)觀察不到干涉現(xiàn)象。第9頁/共51頁第十頁，共51頁。2. 相干光的獲得(hud)方法 為實現(xiàn)光的干涉，可以從同一波列分離出兩個(lin )波列再令其重疊發(fā)生干涉。為得到(d do)明顯的干涉現(xiàn)象，還必須滿足： 在相遇點兩列光波的光程（幾何路程與介質(zhì)折射率的乘積）不能相差太大 在相遇點兩列光波的振幅不能相差太大光程差 r1n1- r2n2相干長度一波列長應(yīng)盡量接近路程 r1路程 r2介質(zhì)折射率 n2介質(zhì)折射率 n1第10頁/共51頁第十一頁，共51頁。通常產(chǎn)生相干(xinggn)光源的兩種方法： 分波陣面法 分振幅(zhnf

6、)法 利用并排的孔或縫或利用反射和折射(zhsh)將入射光的波陣面分成兩部分。 利用兩種透明介質(zhì)的分界面對入射光的反射和透射，將入射光的振幅分成兩部分。第11頁/共51頁第十二頁，共51頁。3. 目前(mqin)最好的相干光源激光光源 激光的波列長度比普通光源(gungyun)長得多，例如氦氖激光器產(chǎn)生的激光相干長度可達(dá)幾千米，再加上良好的單色性和方向性等，能產(chǎn)生易于觀察和測量的干涉現(xiàn)象。一個正在(zhngzi)輻射激光的激光器激光產(chǎn)生的全息圖像第12頁/共51頁第十三頁，共51頁。一. 楊氏雙縫實驗(shyn)S1S2S接收屏上形成的干涉(gnsh)圖樣狹縫(xi fn)視為縫光源光源雙縫接

7、收屏 縫光源S 產(chǎn)生柱面波，雙縫S1和S2與S 等距，位于同一波陣面上，相位相同，成為相干光源，發(fā)出的子波在相遇區(qū)發(fā)生干涉。第13頁/共51頁第十四頁，共51頁。 因Dd，S1、S2 發(fā)出(fch)的光波到P 點的波程差為=d sin d tan OP = x， Dx tanDxdrr 12 r1- r2 = S2B1. 單色光入射時屏上明暗相間干涉條紋(tio wn)位置的計算垂直于縫長的平面(pngmin)內(nèi)同相面Pr1r2xxDOS1S2MBd波程差計算狹縫縫光源第14頁/共51頁第十五頁，共51頁。 若 kDxdrr 12即, 2, 1, 0, kdDkx 初相相同(xin tn)的兩

8、相干波疊加后加強與減弱的條件為 , 2, 1, 02)12(, 2, 1, 02212kkkkrr 合振幅(zhnf)最大合振幅(zhnf)最小出現(xiàn)明條紋 若2)12(12 kDxdrr即, 3 , 2, 1,2)12( kdDkx 出現(xiàn)暗條紋明條紋級次暗條紋級次第15頁/共51頁第十六頁，共51頁。2.楊氏雙縫干涉(gnsh)的特點 單色光干涉，相鄰(xin ln)明條紋（或暗條紋）的間距為dDx 干涉條紋等距離(jl)分布 白光干涉，只有中央明條紋是白色，其它條紋發(fā)生重疊，形成彩色條紋x x 明條紋間距明條紋間距中央明紋 干涉條紋間距與單色光波長成正比第16頁/共51頁第十七頁，共51頁。

9、二. 菲涅耳雙鏡實驗(shyn) sin2rd cosrLD sin2)cos(rrLdDx S1和 S2相當(dāng)于兩個相干(xinggn)光源相鄰明條紋(tio wn)（或暗條紋(tio wn)）的間距為 屏上出現(xiàn)明暗條紋的條件與楊氏實驗結(jié)果的類似光源接收屏M1中鏡像M2中鏡像鏡面第17頁/共51頁第十八頁，共51頁。 例題18-1 菲涅耳雙鏡=10-3rad，單色線光源 S 與兩鏡交線平行，r =0.5m，=500nm，L=2m。(1)求屏上兩相鄰明條紋的間距(jin j)；(2)若=10-2rad，問條紋間距(jin j)將怎樣改變？解 （1）cos1，sin=10-3mm25. 1105

10、. 02105 . 0)5 . 02(sin2)cos(36 rrLx（2）當(dāng)=10-2rad時，有mm125. 0105 . 02105 . 0)5 . 02(26 x 變大時，條紋間距將變小，要獲得(hud)較大的條紋間距，必須很小。第18頁/共51頁第十九頁，共51頁。三. 勞埃德鏡實驗(shyn) 平面鏡MM下表面(biomin)涂黑，光僅從上表面(biomin)反射 S 和 S相當(dāng)于兩個相干(xinggn)光源實驗結(jié)果表明： 反射光的相位改變了 ，稱為半波損失 干涉條紋與楊氏實驗結(jié)果的類似光源MM中鏡像小平面鏡接收屏此處出現(xiàn)暗條紋第19頁/共51頁第二十頁，共51頁。 光從光疏介質(zhì)（

11、折射率較?。┫蚬饷芙橘|(zhì)（折射率大）表面入射時，如果入射角接近 （掠入射）或為 （正入射），則反射光的相位改變 ，即出現(xiàn)半波(bn b)損失。理論和實驗(shyn)證明： 90 0n2n1正入射n2 n1掠入射法線(f xin)第20頁/共51頁第二十一頁，共51頁。 例題(lt)18-2 勞埃德鏡實驗中，線光源S1到鏡面的垂距為1mm，D為1.5 m，MM=D/2，MO為D/4。（1）求干涉區(qū)域上下兩邊到屏中心距離OA和OB；（2）若= 600 nm，求相鄰明條紋間距，并問屏上能觀察到幾條明條紋？S1S2MM dABOCD 解 （1）由三角形相似(xin s)，有434/2/2/ DDDdOA

12、OAOA=3mm，OB=0.333mm得414/2/ DDdOBOB第21頁/共51頁第二十二頁，共51頁。（2）與楊氏實驗相比(xin b)，得相鄰明紋間距為dDx m105 . 44 由于有半波(bn b)損失，光程差應(yīng)為2 xDd明紋位置(wi zhi) x 應(yīng)滿足, 2 , 1,)21(2 kdDkxkxDd 第22頁/共51頁第二十三頁，共51頁。第一級明紋位置(wi zhi) x1=0.225mm d ，故上式可略去高階小量d 2 ，可得Rrd22 22222RrdRdR drRCO第45頁/共51頁第四十六頁，共51頁。 , 2 , 1 , 02)12(, 2 , 1 2222kkkkRnrnd 明環(huán)暗環(huán) , 2 , 1 , 0, 2 , 1)21(knRkknRkr 明環(huán)暗環(huán)或設(shè)薄膜折射率為n ，則在有半波損失(snsh)時的光程差第46頁/共51頁第四十七頁，共51頁。 特點：如果反射有半波損失，則中心處為暗斑，否則(fuz)為明紋；條紋的級次是中間小，邊緣高；條紋的間距是中間大，邊緣小。第47頁/共51頁第四十八頁，共51頁。 入射光經(jīng)半反膜后分成兩束，G1、G2 是平行放置的平板玻璃，其中(qzhng)G2 是補償板。M 1、M2 是兩個全反鏡，一般相互垂直。M 12211S半透半反膜M2M1G1G2E第48頁/共51頁第四十九頁，共51頁