【大學(xué)】波動光學(xué)基礎(chǔ)

第14章波動光學(xué)基礎(chǔ)北極光編輯ppt§14.1

光是電磁波一.電磁波1.電磁波的產(chǎn)生凡做加速運動的電荷都是電磁波的波源例如：天線中的振蕩電流分子或原子中電荷的振動2.對電磁波平面簡諧電磁波的性質(zhì)(1)(2)

電磁波是橫波?的描述（平面簡諧波）和傳播速度相同、相位相同編輯ppt(3)量值上(4)波速(5)電磁波具有波的共性——在介質(zhì)分界面處有反射和折射3.電磁波的能量密度真空中折射率編輯ppt能流密度dA波的強(qiáng)度

I結(jié)論：I

正比于E02

或H02,通常用其相對強(qiáng)度坡印亭矢量表示（坡印亭矢量）編輯ppt二.光是電磁波光色波長(nm)

頻率(Hz)中心波長(nm)

紅760~622

660

橙622~597610

黃597~577

570

綠577~492540

青492~470

480

蘭470~455

460

紫455~400

430可見光七彩顏色的波長和頻率范圍編輯ppt§14.2

光源光波的疊加一.光源(1)熱輻射(2)電致發(fā)光(3)光致發(fā)光(4)化學(xué)發(fā)光能級躍遷波列波列長

L=c自發(fā)輻射非相干(不同原子發(fā)的光)非相干(同一原子先后發(fā)的光)..(5)同步輻射光源(6)激光光源受激輻射自發(fā)輻射E2E1編輯ppt·二.光波的疊加光強(qiáng)P12r1r2··當(dāng)干涉項,非相干疊加,相干疊加當(dāng)干涉項編輯ppt討論1.非相干疊加即不恒定

非相干疊加時(1)(2)(3)編輯ppt(1)相長干涉（明）(2)相消干涉（暗）2.相干疊加如果如果相干條件:(1)頻率相同(2)相位差恒定(3)光矢量振動方向平行相干光源:同一原子的同一次發(fā)光3.相干條件、相干光源編輯ppt§14.3

獲得相干光的方法楊氏實驗

（分波陣面法）一.楊氏實驗明條紋位置明條紋位置明條紋位置獲得相干光的方法1.分波陣面法（楊氏實驗)2.分振幅法（薄膜干涉)?實驗現(xiàn)象編輯ppt光強(qiáng)極小（光強(qiáng)極大位置）光強(qiáng)極大（光強(qiáng)極小位置）?理論分析編輯ppt(1)屏上相鄰明條紋中心或相鄰暗條紋中心間距為一系列平行的明暗相間條紋(4)當(dāng)用白光作為光源時，在零級白色中央條紋兩邊對稱地排列著幾條彩色條紋Ik012-1-24I0x0x1x2x-2x-1光強(qiáng)分布討論(2)已知d,D

及Δx,可測(3)Δx

正比

,D;反比d?編輯ppt二.洛埃鏡（洛埃鏡實驗結(jié)果與楊氏雙縫干涉相似）接觸處,

屏上O點出現(xiàn)暗條紋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半波長的波程差無半波損失入射波反射波透射波透射波沒有半波損失??編輯ppt(1)明紋間距分別為(2)雙縫間距

d

為雙縫干涉實驗中，用鈉光燈作單色光源，其波長為589.3nm，屏與雙縫的距離D=600mm解例求

(1)d=1.0mm和d=10mm，兩種情況相鄰明條紋間距分別為多大？(2)若相鄰條紋的最小分辨距離為

0.065mm，能分清干涉條紋的雙縫間距

d最大是多少？編輯ppt用白光作光源觀察楊氏雙縫干涉。設(shè)縫間距為d

，縫面與屏距離為D解

最先發(fā)生重疊的是某一級次的紅光和高一級次的紫光清晰的可見光譜只有一級例在400~760nm范圍內(nèi)，明紋條件為求能觀察到的清晰可見光譜的級次編輯ppt§14.4

光程與光程差若時間

t

內(nèi)光波在介質(zhì)中傳播的路程為r

,則相應(yīng)在真空中傳播的路程應(yīng)為光程是一個折合量，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)路程改變相同相位的條件下真空中光波長光程編輯ppt由光程差計算物象之間等光程原理光程1光程2光程3光程1=光程2=光程3相位差光程……多種介質(zhì)編輯ppt用折射率

n=1.58

的很薄的云母片覆蓋在雙縫實驗中的一條縫上，這時屏上的第七級亮條紋移到原來的零級亮條紋的位置上。如果入射光波長為

550nm解

設(shè)云母片厚度為

d

。無云母片時，零級亮紋在屏上P點，則到達(dá)P

點的兩束光的光程差為零。加上云母片后，到達(dá)P點的兩光束的光程差為當(dāng)P點為第七級明紋位置時例求此云母片的厚度是多少？編輯ppt§14.6邁克耳遜干涉儀一.干涉儀結(jié)構(gòu)二.工作原理光束1和2發(fā)生干涉d加強(qiáng)減弱光程差(無半波損)(有半波損)編輯ppt2.若M1、M'2有小夾角3.若M1平移d時，干涉條紋移過N條，則有當(dāng)M1和M'2不平行，且光平行入射,此時為等厚條紋1.若M1、M2平行三.條紋特點等傾條紋編輯ppt五.應(yīng)用1.微小位移測量3.測折射率2.測波長四.時間相干性兩光束產(chǎn)生干涉效應(yīng)的最大光程差稱為相干長度,與相干長度對應(yīng)的光傳播時間稱為相干時間相干長度L和譜線寬度之間的關(guān)系為編輯ppt§14.7

惠更斯—菲涅耳原理一.光的衍射現(xiàn)象1.現(xiàn)象衍射屏觀察屏2.衍射光在傳播過程中繞過障礙物的邊緣而偏離直線傳播的現(xiàn)象衍射現(xiàn)象是否明顯取決于障礙物線度與波長的對比，波長越大，障礙物越小，衍射越明顯。說明光源(剃須刀邊緣衍射)編輯ppt二.惠更斯—菲涅耳原理

同一波前上的各點發(fā)出的都是相干次波。設(shè)初相為零,面積為s的波面

Q，其上面元ds

在P點引起的振動為

各次波在空間某點的相干疊加，就決定了該點波的強(qiáng)度。1.原理內(nèi)容2.原理數(shù)學(xué)表達(dá)取決于波面上ds處的波強(qiáng)度,為傾斜因子.??編輯pptP處波的強(qiáng)度說明(1)

對于一般衍射問題，用積分計算相當(dāng)復(fù)雜，實際中常用半波帶法和振幅矢量法分析。(2)惠更斯—菲涅耳原理在惠更斯原理的基礎(chǔ)上給出了次波源在傳播過程中的振幅變化及位相關(guān)系。編輯ppt(遠(yuǎn)場衍射)2.夫瑯禾費衍射(近場衍射)1.菲涅耳衍射

三.光的衍射分類無限遠(yuǎn)光源無限遠(yuǎn)相遇光源O,觀察屏E(或二者之一)到衍射屏S的距離為有限的衍射，如圖所示。光源O,觀察屏E到衍射屏S的距離均為無窮遠(yuǎn)的衍射，如圖所示。(菲涅耳衍射

)(夫瑯禾費衍射

)編輯ppt·*§14.8

單縫的夫瑯禾費衍射一.典型裝置(單縫夫瑯禾費衍射典型裝置)的光程差二.菲涅耳半波帶法1.衍射暗紋、明紋條件——中央明紋?(

a為縫AB的寬度)編輯ppt此時縫分為兩個“半波帶”,P為暗紋。暗紋條件半波帶半波帶P

為明紋。此時縫分成三個“半波帶”,明紋條件??λ|2λ|2λ|2λ|2λ|2λ|2λ|2λ|2λ|2編輯ppt(1)得到的暗紋和中央明紋位置精確,其它明紋位置只是近似(2)單縫衍射和雙縫干涉條紋比較。單縫衍射條紋雙縫干涉條紋說明編輯ppt2.單縫衍射明紋角寬度和線寬度衍射屏透鏡觀測屏中央明紋角寬度線寬度角寬度相鄰兩暗紋中心對應(yīng)的衍射角之差線寬度觀察屏上相鄰兩暗紋中心的間距第k級明紋

角寬度請寫出線寬度編輯ppt三.單縫衍射強(qiáng)度(振幅矢量法)設(shè)每個窄帶在P點引起的振幅為令P處的合振幅為A、B

點處窄帶在P點引起振動的相位差為相鄰窄帶的相位差為1.單縫衍射強(qiáng)度公式將縫

AB均分成

N個窄帶，每個窄帶寬度為·編輯ppt對于O點對于其它點

P令┏(如當(dāng)

N

取

5

時

)N取無窮大時編輯ppt相對光強(qiáng)曲線中央明紋暗紋條件和半波帶法得到的暗紋條件一致。2.明、暗紋條件-1.431.43-2.462.46??I/I0編輯ppt解得相應(yīng)半波帶法得到的明紋位置是較好的近似明紋條件?編輯ppt(1)波長越長，縫寬越小,條紋寬度越寬。波動光學(xué)退化到幾何光學(xué)。觀察屏上不出現(xiàn)暗紋。討論(2)(4)縫位置變化不影響條紋位置分布(3)(單縫夫瑯禾費衍射典型裝置)·編輯ppt求對于暗紋有則如圖示，設(shè)有一波長為

的單色平面波沿著與縫平面的法線成

角的方向入射到寬為a

的單縫AB上。解在狹縫兩個邊緣處，衍射角為

的兩光的光程差為例寫出各級暗條紋對應(yīng)的衍射角

所滿足的條件。編輯ppt四.光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)1.圓孔的夫瑯禾費衍射孔徑為D衍射屏中央亮斑(愛里斑)2.透鏡的分辯本領(lǐng)幾何光學(xué)物點相對光強(qiáng)曲線經(jīng)圓孔衍射后,一個點光源對應(yīng)一個愛里斑波動光學(xué)物點一一對應(yīng)像點一一對應(yīng)像斑愛里斑的半角寬度為編輯ppt瑞利判據(jù):對于兩個等光強(qiáng)的非相干物點,如果一個像斑中