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1、第十二章 波動(dòng)光學(xué) (Wave Optics),光的衍射(6 - 10),光的干涉(1 - 5),光的偏振(1115),菲涅耳 (Augustin-Jean Fresnel 1788-1827) 菲涅耳是法國(guó)物理學(xué)家和鐵路工程師。 1788年5月10日生于布羅利耶,1806年畢業(yè)于巴黎工藝學(xué)院,1809年又畢業(yè)于巴黎橋梁與公路學(xué)校。1923年當(dāng)選為法國(guó)科學(xué)院院士,1825年被選為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。1827年7月14日因肺病醫(yī)治無(wú)效而逝世,終年僅39歲。 菲涅耳的科學(xué)成就主要有兩個(gè)方面。一是衍射。他以惠更斯原理和干涉原理為基礎(chǔ),用新的定量形式建立了惠更斯-菲涅耳原理,完善了光的衍射理論。他的實(shí)驗(yàn)
2、具有很強(qiáng)的直觀性、明銳性,很多現(xiàn)仍通行的實(shí)驗(yàn)和光學(xué)元件都冠有菲涅耳的姓氏,如:雙面鏡干涉、波帶片、菲涅耳透鏡、圓孔衍射等。另一成就是偏振。他與D.F.J.阿拉果一起研究了偏振光的干涉,確定了光是橫波(1821);他發(fā)現(xiàn)了光的圓偏振和橢圓偏振現(xiàn)象(1823),用波動(dòng)說(shuō)解釋了偏振面的旋轉(zhuǎn);他推出了反射定律和折射定律的定量規(guī)律,即菲涅耳公式;解釋了馬呂斯的反射光偏振現(xiàn)象和雙折射現(xiàn)象,奠定了晶體光學(xué)的基礎(chǔ)。 菲涅耳由于在物理光學(xué)研究中的重大成就,被譽(yù)為“物理光學(xué)的締造者”。,夫瑯禾費(fèi) (Joseph von Fraunhofer 17871826) 夫瑯禾費(fèi)是德國(guó)物理學(xué)家。1787年3月6日生于斯特勞
3、賓,父親是玻璃工匠,夫瑯禾費(fèi)幼年當(dāng)學(xué)徒,后來(lái)自學(xué)了數(shù)學(xué)和光學(xué)。1806年開始在光學(xué)作坊當(dāng)光學(xué)機(jī)工,1818年任經(jīng)理,1823年擔(dān)任慕尼黑科學(xué)院物理陳列館館長(zhǎng)和慕尼黑大學(xué)教授,慕尼黑科學(xué)院院士。 夫瑯禾費(fèi)自學(xué)成才,一生勤奮刻苦,終身未婚,1826年6月7日因肺結(jié)核在慕尼黑逝世。 夫瑯禾費(fèi)集工藝家和理論家的才干于一身,把理論與豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)結(jié)合起來(lái),對(duì)光學(xué)和光譜學(xué)作出了重要貢獻(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。
4、他所制造的大型折射望遠(yuǎn)鏡等光學(xué)儀器負(fù)有盛名。他發(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),做了光譜分辨率的實(shí)驗(yàn),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。,12-6 光的衍射現(xiàn)象 惠更斯菲涅耳原理,一. 光的衍射現(xiàn)象(Diffraction of light),光在傳播過(guò)程中繞過(guò)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(zhǎng)的對(duì)比,當(dāng)障 礙物的大小比光的波長(zhǎng)大得不多時(shí),才能觀察到衍射現(xiàn)象。,定義,現(xiàn)象,衍射屏,觀察屏,光源,圓孔衍射圖樣,單縫衍射圖樣, 10 - 3 a,正三邊形孔 正四邊形孔 正六邊形孔 正八邊形孔
5、單縫,( 佛光),“佛光”是一種在特殊氣候和地理環(huán)境下形成的光學(xué)現(xiàn)象。當(dāng)觀者面對(duì)霧層背光而立,身影被投射在面前彌漫的江霧上(如同電影放映的原理),此時(shí)你會(huì)驚奇的發(fā)現(xiàn):以自己頭影為中心,周圍有一個(gè)直徑約2米的紅、橙、黃、綠、青、蘭、紫組成的彩色光環(huán),人影在環(huán)中,人動(dòng)光環(huán)動(dòng),人去光環(huán)空。縱然是多人擁在一起,每人也只能看到自己的身影?!胺鸸狻彪S著江霧的飄動(dòng)時(shí)而清晰,時(shí)而淺淡,繼而又悄然離去,這就是神奇的“新安江佛光”。 新安江素以江上奇霧而名聞遐邇。新安江上游的千島湖底層流淌出的江水常年保持在14-17攝司度恒溫,由于地面氣溫和水溫的巨大反差作用,新安江江面上就形成了亦夢(mèng)亦幻的奇特江霧,這就是“新安
6、佛光”的主要成因。 版權(quán)作品,請(qǐng)勿轉(zhuǎn)載。,構(gòu)筑敦煌文化的千年佛光是佛祖顯靈還是自然現(xiàn)象?構(gòu)筑敦煌文化的千年佛光 公元366年的一天傍晚,在中國(guó)西北部的甘肅省敦煌市附近的一座沙山上,“佛光”的一次偶爾呈現(xiàn)被一個(gè)叫樂(lè)僔的和尚無(wú)意中看到了??吹健胺鸸狻钡臉?lè)僔當(dāng)即跪下,并朗聲發(fā)愿要把他見到“佛光”的地方變成一個(gè)令人崇敬的圣潔寶地。受這一理念的感召,經(jīng)過(guò)工匠們千余年斷斷續(xù)續(xù)的構(gòu)筑,終于成就了我們今天看到的這座舉世聞名的文化藝術(shù)瑰寶敦煌莫高窟!學(xué)者賴比星拍到的寶光今天,在敦煌莫高窟第332窟李克讓重修莫高窟佛龕碑的碑文上記載了這一段莫高窟創(chuàng)建的原始動(dòng)機(jī)。那么,樂(lè)僔和尚看見的“寶光”到底是什么呢?佛家認(rèn)為,
7、只有與佛有緣的人才能看到佛光,因?yàn)榉鸸馐菑姆鸬拿加铋g放射出的救世之光,吉祥之光。傳說(shuō)1600多年前,敦煌莫高窟建窟前曾閃現(xiàn)“金光”和“千佛”的奇異景象。那么,“金光”和“佛光”的出現(xiàn),是“佛祖顯靈”呢,還是一種自然現(xiàn)象?文獻(xiàn)有將“金光”解釋為霞或因幻覺所見的“光象”,也有將它解釋為“佛光”的,如余秋雨在其文化苦旅中用白話文對(duì)李克讓重修莫高窟佛龕碑前半段,特別是對(duì)“樂(lè)僔忽見金光,狀有千佛”作了較為詳細(xì)而生動(dòng)的闡釋。關(guān)于金光的成因,海內(nèi)外學(xué)者提出過(guò)多種學(xué)說(shuō),有“復(fù)雜散射”學(xué)說(shuō),也有“先反射,后衍射”學(xué)說(shuō),還有“先衍射,后反射”學(xué)說(shuō),不一而足。由于存在一些缺陷,至今尚無(wú)定論。最近,賴比星的論文提出的
8、“衍射-反射”成像原理,成功地解釋了寶光的形成過(guò)程,這一研究成果得到了學(xué)術(shù)界相關(guān)專家的高度評(píng)價(jià)?!胺鸸狻毙纬稍砥鋵?shí)并不復(fù)雜,當(dāng)觀察者處于太陽(yáng)和云霧之間時(shí),就很有可能看到“佛光”環(huán)在云霧上顯現(xiàn)。“佛光”,俗稱“寶光”,它是一種在有云霧的山地較常見的大氣光象,以往人們認(rèn)為在峨眉山多見,因此人們又把“佛光”稱之為“峨眉寶光”。簡(jiǎn)稱“寶光”。孫永學(xué)先生在黃山拍攝到的寶光 千百年來(lái),“峨眉寶光”馳名古今中外,佛教的渲染更使其富有傳奇色彩和神秘感,吸引著無(wú)數(shù)的好奇者前去探尋。有關(guān)專家介紹說(shuō),“寶光”呈現(xiàn)所需的客觀條件其實(shí)并不苛刻,只要有光源和云霧,觀測(cè)者介入光源和云霧其間,三者位于一條直線上,觀測(cè)者就有
9、可能看到寶光環(huán)在云霧上顯現(xiàn)。這個(gè)寶光環(huán)紅光圈在外,紫光圈在里,其相應(yīng)的光圈介于紅、紫光圈之間,具體排列從外到內(nèi)依次是紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫。寶光環(huán)中間的“佛”(人影)其實(shí)就是觀測(cè)者自己的影子。,(遠(yuǎn)場(chǎng)衍射),2. 夫瑯禾費(fèi)衍射(Fraunhofer diffraction),(近場(chǎng)衍射),菲涅耳衍射(Fresnel diffraction),二. 光的衍射分類,無(wú)限遠(yuǎn)光源,無(wú)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(wú)窮遠(yuǎn)的衍射,如圖 所示。 是菲涅耳衍射 的極限情形,( 菲涅耳衍射 ),( 夫瑯禾
10、費(fèi)衍射 ),三. 惠更斯菲涅耳原理(HuygensFresnel principle),惠更斯原理 惠更斯提出子波假設(shè),可定性地從某時(shí)刻的已知波陣面位置 求出后面另一時(shí)刻的波陣面位置。但不涉及子波的強(qiáng)度和相 位,因而無(wú)法解釋衍射圖樣中的光強(qiáng)分布。,菲涅耳在惠更斯的子波假設(shè)基礎(chǔ)上,提出了子波相干疊加的 思想,從而建立了反映光的衍射規(guī)律的惠更斯菲涅耳原理.,同一波前上的各點(diǎn)發(fā)出的都是相干次波。,各次波在空間某點(diǎn)的相干疊加,就決定了該點(diǎn)波的強(qiáng)度。,1. 原理內(nèi)容,設(shè)初相為零,面積為s 的波面 Q , 其上面元ds 在P點(diǎn)引起的振動(dòng)為,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.,說(shuō)明
11、子波為什麼不會(huì)向后退,P 處波的強(qiáng)度,說(shuō)明,(1)對(duì)于一般衍射問(wèn)題,用積分計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜,實(shí)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(guò)程中的振幅變化及位相關(guān)系。,菲涅耳衍射積分公式,t某時(shí)刻,P點(diǎn)處的合振動(dòng)就等于波面Q上所有ds發(fā)出的次波在P點(diǎn)引起光振動(dòng)的疊加,即,惠更斯-菲涅耳原理: 波前S上每個(gè)面積元dS發(fā)出的子波在空間任意點(diǎn)P引起一定的光振動(dòng),整個(gè)波前S在P點(diǎn)引起的光振動(dòng)是所有子波在該點(diǎn)光振動(dòng)的相干疊加。,2. 形成單縫衍射條紋與干涉條紋的區(qū)別在于:前者是由同一光波中無(wú)數(shù)相 干子波在狹縫后疊加而產(chǎn)生的,后者是由有限的相干光束疊加
12、的結(jié)果。,3. 波帶法處理單縫衍射問(wèn)題,可以避免復(fù)雜的計(jì)算: 當(dāng)單縫中的兩條邊緣光線的光程差(即最大光程差),為 時(shí),單縫處的波前可以分成偶數(shù)個(gè)波帶,這時(shí)相鄰各波帶對(duì)應(yīng)點(diǎn)的子波相干而抵消,故為暗紋條件。若波前可分為奇數(shù)個(gè)波帶,即 ,則相鄰兩波帶的子波相互抵消,只剩下一個(gè)波帶未被抵消,故得明條紋。,這樣,我們得到單色光垂直入射時(shí)暗紋中心位置: , 明紋中央位置: , 中央明紋: 。注意:?jiǎn)慰p衍射產(chǎn)生明暗條紋的條件與雙縫干涉產(chǎn)生明暗條紋的條件從 公式上來(lái)看,恰好相反,這是因兩者的物理涵義不同所致。,4. 光柵衍射條紋是單縫衍射與多光束干涉的總效果: 與單縫衍射相比,在黑暗的背景上顯現(xiàn)窄細(xì)明亮的譜線,且縫數(shù)越多,譜線越細(xì)越亮。 單色光垂直入射時(shí),譜線主極大位置光柵方程 , 式中 dab,
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