大學(xué)物理光學(xué)1.ppt

1、2020/8/12,1,第14章 波動光學(xué),第十四章 波動光學(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 楊氏干涉實驗,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 波動光學(xué),14-7 惠更斯菲涅耳原理,14-8 單縫夫瑯和費衍射,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在空間的傳播,2. 電磁波是橫波,3. 電場與磁場大小的關(guān)系,4. 波速,真空中,5. 電磁波的能量密度,2020/8/12,4,第14章 波動光學(xué),二、 光是電磁波,可見光七彩顏色的波長和頻率范圍,2020/8/12,5,第14章 波動光學(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)光機理

3、,2020/8/12,6,第14章 波動光學(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,間歇性,獨立性,二、 光的單色性,單色光：具有同一波長（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 波動光學(xué),三、 光波的疊加,P,1,2,r1,r2,1. 非相干疊加,(1) 相長干涉（亮）,2. 相干疊加,(2) 相消干涉（暗）,相干條件: 同頻率、相差恒定、光矢量振動方向平行,2020/8/12,8,第14章 波動光學(xué),四、 如何獲得相干光,1. 分波陣面法,從點光源

4、發(fā)出的同一波列的同一波面上，取出兩個次波源，這兩個此波源為相干光源。,2. 分振幅法,將光束中的每個波列都分成兩列，二分波列為相干光。,2020/8/12,9,第14章 波動光學(xué),14-3 楊氏雙縫干涉實驗,1. 實驗裝置 ( 點源 分波面 相遇),一、 楊氏實驗,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、對稱分布的干涉條紋,2020/8/12,10,第14章 波動光學(xué),3. 強度分布,確定相干光束 計算波程差 根據(jù)相長 相消條件確定坐標(biāo),o,兩光線波程差,2020/8/12,11,第14章 波動光學(xué),亮紋,暗紋,（光強極大位置）,（光強極小位置）,兩光

5、線波程差,2020/8/12,12,第14章 波動光學(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，在零級白色中央條紋兩邊對稱的排列著幾條彩色條紋,光強分布,討論,(2) 已知 d , D 及x,可測,(3) x 正比 , D ; 反比 d,（光強極大位置）,（光強極小位置）,2020/8/12,13,第14章 波動光學(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 波動光學(xué),洛 埃 鏡 的 干 涉,M,或,三.其他類似裝置,洛埃鏡 費涅耳雙棱鏡 費涅耳雙面鏡,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半波長的波程差,2020/8/12,15,第14章 波動光學(xué),(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589.3 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400 760 nm 范圍內(nèi)，明紋條件為,求 能觀察到的清晰可見光譜的級次,2020/8/12,17,第14章 波動光學(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 波動光學(xué),引進光程可方便地計算相干光的相位差,光線1,光線2,取真空中的波長,介質(zhì)中的波長為,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 波動光學(xué),由光程差計算,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 波動光學(xué),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 550 nm,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 P 點的兩束光的光程差為零。加上云母片后，到達P點的兩光束的光程差為,當(dāng) P 點為第七級明紋位置時

9、,例,求 此云母片的厚度是多少？,2020/8/12,21,第14章 波動光學(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 波動光學(xué),蟬翅在陽光下,蜻蜓翅膀在陽光下,白光下的油膜,肥皂泡玩過嗎?,2020/8/12,23,第14章 波動光學(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 波動光學(xué),2020/8/12,25,第14章 波動光學(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 對應(yīng)

10、同一級條紋等厚條紋。,討論,(2) 公式中有無半波損失項，取決于介質(zhì)折射率。,無半波損失項,有半波損失項,2020/8/12,26,第14章 波動光學(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：,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 波動光學(xué),條紋間距,條紋間距,相鄰條紋的光程差差一個波長,相鄰兩明紋對應(yīng)的厚度差,思考：,2020/8/12,28,第14章 波動光學(xué),劈尖干涉的應(yīng)用,(2) 測表面不平整度,(1) 可測量小角度、微位移 x、微小直徑 D、波長等,（如測金屬絲直徑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，所用光源波長可連續(xù)變化，觀察到500nm和700nm這兩個波長的光在反射中消失。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 波動光學(xué),三. 牛頓環(huán),2. 相干光的獲得,1. 實驗裝置及光路圖,3. 光程差

12、,明紋,暗紋,2020/8/12,32,第14章 波動光學(xué),明紋:,暗紋:,4. 條紋特點,牛頓環(huán)的干涉圖樣是以接觸點為中心的一組明暗相間的同心園環(huán)。,2020/8/12,33,第14章 波動光學(xué),討論,(1) 中心點處是一暗點。,(2) 相鄰兩明紋或暗紋對應(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。,(5) 若將空氣換成水,條紋變密。,2020/8/12,34,第14章 波動光學(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)向外擴張。 中心明暗交替變化。,

13、(7) 比較劈尖和牛頓環(huán),相同點：,垂直入射的等厚干涉條紋,二相鄰條紋對應(yīng)的厚度差,條紋間距,不同點：,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 波動光學(xué),白光入射的牛頓環(huán)照片,2020/8/12,36,第14章 波動光學(xué),5. 應(yīng)用,(1) 測波長，測透鏡的曲率半徑 R,(2) 檢測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,右半邊沒有半波損失項,左右兩邊花樣明暗互補。,左邊：

14、d0處 暗紋,右邊：d0處 明紋,2020/8/12,38,第14章 波動光學(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,減弱,光程差,(無半波損失),d,2. 工作原理,G1分光板，,G2補償板， 用以補償光程,2020/8/12,39,第14章 波動光學(xué),(2). 若M1、M2有小夾角,(3). 若M1平移 d 時，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,無條紋,整個視場或亮或暗,明暗相間的直條紋,M1移動，則視場亮暗交替變化,(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，則觀測到等傾干涉條紋：一組同心圓環(huán)。,2020/8/12,40,第14章 波動光學(xué),二、相干長度 相干時間,相干長度L 波列的長度,（看到干涉現(xiàn)象所允許的最大光程差）,光通過相干長度所需時間,相干時間,相干長度與譜線寬度的關(guān)系：,從同一波列分出來的兩個分波列到達觀測點的時間間隔須小于相干時間，二分波列才可以重合而發(fā)生干涉,相干長度L和譜線寬度是衡量光源品質(zhì)好壞的兩個指標(biāo)。,2020/8/12,41,第14章 波動光學(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),2020/8/12,42,第14章 波動光學(xué),二. 惠更斯菲涅耳原理,同一波前上的各點發(fā)出的都是相干子波。,2. 惠更斯菲涅耳原理,各子波在空間某點的相干疊加，就決定了該點波的強度。,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,波所到達的各點都可看作是一個新的波源，從這些波源又發(fā)出子