大學(xué)物理光學(xué)1.ppt

1、2020/8/12,1,第14章 波動(dòng)光學(xué),第十四章 波動(dòng)光學(xué),光學(xué) 研究光的現(xiàn)象、光的本質(zhì)和光與物質(zhì) 相互作用的學(xué)科,幾何光學(xué),波動(dòng)光學(xué),量子光學(xué),以光的直線傳播規(guī)律為依據(jù),研究光的電磁性質(zhì)和傳播規(guī)律,研究光與物質(zhì)相互作用的規(guī)律,2020/8/12,2,第14章 波動(dòng)光學(xué),14-1 光是電磁波,14-2 光源 光波的疊加,14-3 楊氏干涉實(shí)驗(yàn),14-5 薄膜干涉,14-6 邁克耳遜干涉儀,14-4 光程與光程差,第十四章 波動(dòng)光學(xué),14-7 惠更斯菲涅耳原理,14-8 單縫夫瑯和費(fèi)衍射,14-9 光柵衍射及光柵光譜,14-10 偏振光和自然光,14-11 起偏和檢偏 馬呂斯定律,14-12

2、 反射和折射產(chǎn)生的偏振光,14-13 雙折射現(xiàn)象,2020/8/12,3,第14章 波動(dòng)光學(xué),14-1 光是電磁波,一、 電磁波的產(chǎn)生,電磁波是交變電磁場(chǎng)在空間的傳播,2. 電磁波是橫波,3. 電場(chǎng)與磁場(chǎng)大小的關(guān)系,4. 波速,真空中,5. 電磁波的能量密度,2020/8/12,4,第14章 波動(dòng)光學(xué),二、 光是電磁波,可見光七彩顏色的波長(zhǎng)和頻率范圍,2020/8/12,5,第14章 波動(dòng)光學(xué),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(jí)躍遷,L = c,自發(fā)輻射,(5) 同步輻射,(6) 激光,受激輻射,自發(fā)輻射,發(fā)光機(jī)理

3、,2020/8/12,6,第14章 波動(dòng)光學(xué),非相干(不同原子發(fā)的光),非相干(同一原子先后發(fā)的光),.,.,2. 發(fā)光特點(diǎn),間歇性,獨(dú)立性,二、 光的單色性,單色光：具有同一波長(zhǎng)（頻率）的光,（光學(xué)的理想化模型）,同一種原子組成的光源發(fā)出的光波頻率也有一定的寬度,越小，譜線的單色性越好,2020/8/12,7,第14章 波動(dòng)光學(xué),三、 光波的疊加,P,1,2,r1,r2,1. 非相干疊加,(1) 相長(zhǎng)干涉（亮）,2. 相干疊加,(2) 相消干涉（暗）,相干條件: 同頻率、相差恒定、光矢量振動(dòng)方向平行,2020/8/12,8,第14章 波動(dòng)光學(xué),四、 如何獲得相干光,1. 分波陣面法,從點(diǎn)光源

4、發(fā)出的同一波列的同一波面上，取出兩個(gè)次波源，這兩個(gè)此波源為相干光源。,2. 分振幅法,將光束中的每個(gè)波列都分成兩列，二分波列為相干光。,2020/8/12,9,第14章 波動(dòng)光學(xué),14-3 楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn),1. 實(shí)驗(yàn)裝置 ( 點(diǎn)源 分波面 相遇),一、 楊氏實(shí)驗(yàn),明條紋位置,明條紋位置,明條紋位置,2. 現(xiàn)象,與縫平行、等寬、等間距、明暗相間、對(duì)稱分布的干涉條紋,2020/8/12,10,第14章 波動(dòng)光學(xué),3. 強(qiáng)度分布,確定相干光束 計(jì)算波程差 根據(jù)相長(zhǎng) 相消條件確定坐標(biāo),o,兩光線波程差,2020/8/12,11,第14章 波動(dòng)光學(xué),亮紋,暗紋,（光強(qiáng)極大位置）,（光強(qiáng)極小位置）,兩光

5、線波程差,2020/8/12,12,第14章 波動(dòng)光學(xué),(1) 屏上相鄰明條紋中心或相鄰暗條紋中心間距為,一系列等間距的明暗相間條紋,(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)稱的排列著幾條彩色條紋,光強(qiáng)分布,討論,(2) 已知 d , D 及x,可測(cè),(3) x 正比 , D ; 反比 d,（光強(qiáng)極大位置）,（光強(qiáng)極小位置）,2020/8/12,13,第14章 波動(dòng)光學(xué),白光入射的楊氏雙縫干涉照片,紅光入射的楊氏雙縫干涉照片,2020/8/12,14,第14章 波動(dòng)光學(xué),洛 埃 鏡 的 干 涉,M,或,三.其他類似裝置,洛埃鏡 費(fèi)涅耳雙棱鏡 費(fèi)涅耳雙面鏡,處理辦法：等效雙縫,思考：

6、為什么光程差公式中出現(xiàn)了,屏上O 點(diǎn)出現(xiàn)暗條紋,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,2020/8/12,15,第14章 波動(dòng)光學(xué),(1) 明紋間距分別為,(2) 雙縫間距 d 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 D=600 mm,解,例,求 (1) d =1.0 mm 和 d =10 mm，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 0.065 mm，能分清干涉條紋的雙縫間距 d 最大是多少？,2020/8/12,16,第14章 波動(dòng)光學(xué),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

7、 D,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,清晰的可見光譜只有一級(jí),例,在400 760 nm 范圍內(nèi)，明紋條件為,求 能觀察到的清晰可見光譜的級(jí)次,2020/8/12,17,第14章 波動(dòng)光學(xué),【內(nèi)容回顧】,光的干涉,獲得相干光的途徑,分波振面法,分振幅法,楊氏雙縫干涉,薄膜干涉,？,2020/8/12,18,第14章 波動(dòng)光學(xué),引進(jìn)光程可方便地計(jì)算相干光的相位差,光線1,光線2,取真空中的波長(zhǎng),介質(zhì)中的波長(zhǎng)為,光在介質(zhì)1中的光程,光在介質(zhì)2中的光程,14-4 光程與光程差,一、光程,1）光程 折射率與幾何路程的乘積 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

8、中傳播的相應(yīng)路程,2）相位差 = 光程差( ),2020/8/12,19,第14章 波動(dòng)光學(xué),由光程差計(jì)算,相位差,光程,多種介質(zhì),光程1,光程2,光程3,透鏡成像不會(huì)引起附加相位差,二、物象之間的等光程原理,光程1=光程2=光程3,2020/8/12,20,第14章 波動(dòng)光學(xué),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)亮條紋的位置上。如果入射光波長(zhǎng)為 550 nm,解,設(shè)云母片厚度為 d 。無(wú)云母片時(shí)，零級(jí)亮紋在屏上 P 點(diǎn)，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)P點(diǎn)的兩光束的光程差為,當(dāng) P 點(diǎn)為第七級(jí)明紋位置時(shí)

9、,例,求 此云母片的厚度是多少？,2020/8/12,21,第14章 波動(dòng)光學(xué),14-5 薄膜干涉,水膜在白光下,白光下的肥皂膜,2020/8/12,22,第14章 波動(dòng)光學(xué),蟬翅在陽(yáng)光下,蜻蜓翅膀在陽(yáng)光下,白光下的油膜,肥皂泡玩過嗎?,2020/8/12,23,第14章 波動(dòng)光學(xué),一. 等厚干涉,反射光2,反射光1,S,1,2,兩條相干光線的光程差,（光程差）,入射角固定，而厚度不均勻的薄膜表面發(fā)生的干涉現(xiàn)象。,若考慮半波損失,2020/8/12,24,第14章 波動(dòng)光學(xué),2020/8/12,25,第14章 波動(dòng)光學(xué),(3)光線垂直入射,反射光1,反射光2,入射光,(1) 同一厚度 d 對(duì)應(yīng)

10、同一級(jí)條紋等厚條紋。,討論,(2) 公式中有無(wú)半波損失項(xiàng)，取決于介質(zhì)折射率。,無(wú)半波損失項(xiàng),有半波損失項(xiàng),2020/8/12,26,第14章 波動(dòng)光學(xué),二. 劈尖干涉,明紋,暗紋,平行光垂直入射到劈尖上,光程差,相干光的獲得,條紋特點(diǎn)：,一組平行于楞邊的直線，條紋出現(xiàn)在薄膜的上表面。,楞邊是暗紋。,2020/8/12,27,第14章 波動(dòng)光學(xué),條紋間距,條紋間距,相鄰條紋的光程差差一個(gè)波長(zhǎng),相鄰兩明紋對(duì)應(yīng)的厚度差,思考：,2020/8/12,28,第14章 波動(dòng)光學(xué),劈尖干涉的應(yīng)用,(2) 測(cè)表面不平整度,(1) 可測(cè)量小角度、微位移 x、微小直徑 D、波長(zhǎng)等,（如測(cè)金屬絲直徑D）,下凹或凸起

11、深度,彎曲深度,2020/8/12,29,第14章 波動(dòng)光學(xué),一平面單色光波垂直照射在厚度均勻的薄油膜上，油膜覆蓋在玻璃板上，所用光源波長(zhǎng)可連續(xù)變化，觀察到500nm和700nm這兩個(gè)波長(zhǎng)的光在反射中消失。油的折射率為1.30，玻璃的折射率為1.50,解,根據(jù)題意，不需考慮半波損失,例,求 油膜的厚度,空氣,油,玻璃,n,暗紋的條件為,2020/8/12,30,第14章 波動(dòng)光學(xué),【內(nèi)容回顧】,薄膜干涉,等厚干涉,劈尖干涉,牛頓環(huán),圖樣：與楞平行等間距明暗相間條紋，楞邊是暗紋。,2020/8/12,31,第14章 波動(dòng)光學(xué),三. 牛頓環(huán),2. 相干光的獲得,1. 實(shí)驗(yàn)裝置及光路圖,3. 光程差

12、,明紋,暗紋,2020/8/12,32,第14章 波動(dòng)光學(xué),明紋:,暗紋:,4. 條紋特點(diǎn),牛頓環(huán)的干涉圖樣是以接觸點(diǎn)為中心的一組明暗相間的同心園環(huán)。,2020/8/12,33,第14章 波動(dòng)光學(xué),討論,(1) 中心點(diǎn)處是一暗點(diǎn)。,(2) 相鄰兩明紋或暗紋對(duì)應(yīng)的厚度差,(3) 條紋間距,牛頓環(huán)條紋是內(nèi)疏外密的同心園環(huán)。,(4) 透射光干涉，在下表面附近產(chǎn)生干涉條紋，但條紋的明暗與反射光干涉結(jié)果相反，中心為一亮點(diǎn)。,(5) 若將空氣換成水,條紋變密。,2020/8/12,34,第14章 波動(dòng)光學(xué),討論,(6) 若透鏡上移，則明暗環(huán)向中心收縮； 若透鏡下移，則明暗環(huán)向外擴(kuò)張。 中心明暗交替變化。,

13、(7) 比較劈尖和牛頓環(huán),相同點(diǎn)：,垂直入射的等厚干涉條紋,二相鄰條紋對(duì)應(yīng)的厚度差,條紋間距,不同點(diǎn)：,劈尖: 直線,牛頓環(huán): 園環(huán),等間距,內(nèi)疏外密,2020/8/12,35,第14章 波動(dòng)光學(xué),白光入射的牛頓環(huán)照片,2020/8/12,36,第14章 波動(dòng)光學(xué),5. 應(yīng)用,(1) 測(cè)波長(zhǎng)，測(cè)透鏡的曲率半徑 R,(2) 檢測(cè)透鏡的曲率半徑誤差及其表面平整度,沒有條紋： 二曲面平行,條紋疏： 樣品與標(biāo)準(zhǔn)件差異小,條紋密： 樣品與標(biāo)準(zhǔn)件差異大,2020/8/12,37,第14章 波動(dòng)光學(xué),試定性畫出牛頓環(huán)的花紋,例,解析：,左半邊有半波損失項(xiàng),右半邊沒有半波損失項(xiàng),左右兩邊花樣明暗互補(bǔ)。,左邊：

14、d0處 暗紋,右邊：d0處 明紋,2020/8/12,38,第14章 波動(dòng)光學(xué),14-6 邁克耳遜干涉儀,一、邁克耳遜干涉儀,1. 結(jié)構(gòu),光束2和1發(fā)生干涉,加強(qiáng),減弱,光程差,(無(wú)半波損失),d,2. 工作原理,G1分光板，,G2補(bǔ)償板， 用以補(bǔ)償光程,2020/8/12,39,第14章 波動(dòng)光學(xué),(2). 若M1、M2有小夾角,(3). 若M1平移 d 時(shí)，干涉條紋移過 N 條，則有,等厚條紋,(1). 若M1、M 2平行,3. 條紋特點(diǎn),無(wú)條紋,整個(gè)視場(chǎng)或亮或暗,明暗相間的直條紋,M1移動(dòng)，則視場(chǎng)亮暗交替變化,(4). 若在M1和M2之間插入厚度為d0的介質(zhì)片n，干涉條紋移過 N 條，則

15、有,(5). 若S為面光源，入射角不同，則觀測(cè)到等傾干涉條紋：一組同心圓環(huán)。,2020/8/12,40,第14章 波動(dòng)光學(xué),二、相干長(zhǎng)度 相干時(shí)間,相干長(zhǎng)度L 波列的長(zhǎng)度,（看到干涉現(xiàn)象所允許的最大光程差）,光通過相干長(zhǎng)度所需時(shí)間,相干時(shí)間,相干長(zhǎng)度與譜線寬度的關(guān)系：,從同一波列分出來(lái)的兩個(gè)分波列到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)的時(shí)間間隔須小于相干時(shí)間，二分波列才可以重合而發(fā)生干涉,相干長(zhǎng)度L和譜線寬度是衡量光源品質(zhì)好壞的兩個(gè)指標(biāo)。,2020/8/12,41,第14章 波動(dòng)光學(xué),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(zhǎng)的對(duì)比，波長(zhǎng)越大，障礙物越小，衍射越明顯。,說明,光源,(剃須刀邊緣衍射),2020/8/12,42,第14章 波動(dòng)光學(xué),二. 惠更斯菲涅耳原理,同一波前上的各點(diǎn)發(fā)出的都是相干子波。,2. 惠更斯菲涅耳原理,各子波在空間某點(diǎn)的相干疊加，就決定了該點(diǎn)波的強(qiáng)度。,說明,(1) 惠更斯菲涅耳原理在惠更斯原理的基礎(chǔ)上給出了子波源在傳播過程中的振幅變化及位相關(guān)系。,1. 惠更斯原理,波所到達(dá)的各點(diǎn)都可看作是一個(gè)新的波源，從這些波源又發(fā)出子