大學(xué)物理-波動(dòng)光學(xué).ppt

1、,光學(xué)是物理學(xué)中最早發(fā)展起來(lái)的學(xué)科之一。關(guān)于光的本性，在十七世紀(jì)末，惠更斯建立了光的波動(dòng)說(shuō)；到十九世紀(jì)，以許多新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)為依據(jù)，揚(yáng)，菲涅爾等才真正確定了光的波動(dòng)論。麥克斯韋的電磁理論及赫茲的實(shí)驗(yàn)，確立了光是電磁波。波的一般性質(zhì)和電磁波的性質(zhì)都適合于光。,第十四章 波 動(dòng) 光 學(xué),光學(xué)美,第一節(jié) 單色光 雙縫干涉 光程 光程差,在光波中，產(chǎn)生感光作用和生理作用的是電場(chǎng)強(qiáng)度 ，因此我們常將 稱為光矢量， 的振動(dòng)稱為光振動(dòng)。在以后的討論中，將以 振動(dòng)為主。,光振動(dòng)與光矢量,028,演示,光的雙縫干涉,明，暗條紋的分布規(guī)律,幕,根據(jù)波的干涉理論，當(dāng),會(huì)計(jì)算某級(jí)的彩帶的寬度。,三 光程 光程差,二波的

2、波動(dòng)方程,例 142 如圖所示。,光程差,光程差,處點(diǎn)移過(guò)的明紋數(shù)為七條。,題,例 144 求單色平面波在幕中央光程差和位相差。,若在上縫處加一塊透明介質(zhì),第二節(jié) 薄膜干涉,油膜,從劈尖的上下二表面上反射的二光 來(lái)自同一光，二者頻率相同，振動(dòng)方向相同，在相遇點(diǎn)處有固定的位相差，故為相干光。二光在劈尖的上表面附近相遇，形成干涉花樣。,沿著入射光的方向看去，看到在上表面附近形成明，暗相間的干涉直條紋。,單色光波長(zhǎng)，劈尖角，薄膜折射率和相鄰明暗紋間距的關(guān)系式,則,解：,討論 光程差的變化引起干涉條紋的移動(dòng)。以劈尖為例。,三 牛頓環(huán),實(shí)驗(yàn)裝置,空氣劈尖,劈尖的上下表面的反射光形成干涉。,暗環(huán),明暗環(huán)的

3、分布規(guī)律,膜厚,平凸透鏡的 曲率半徑,幾何條件,代入光程差公式,光的干涉現(xiàn)象,相干光,鍍層膜,2 應(yīng)用,題,題,干涉特點(diǎn)綜述：可用八個(gè)字來(lái)表示“一分為二，合二而一”。實(shí)際上，利用普通光源獲得相干光的基本原理是，把由光源上同一點(diǎn)發(fā)的光設(shè)法分成兩部分，然后，使這兩部分通過(guò)不同的光程再相遇而進(jìn)行同方向，同頻率的光振動(dòng)的疊加。由于這兩部分光實(shí)際上同一發(fā)光原子的同一次發(fā)光 ，所以，它們是滿足相干條件的相干光。,第 三 節(jié) 光的相干性,一 問(wèn)題的提出,二 時(shí)間的相干性,* 解釋：相干長(zhǎng)度對(duì)干涉的影響。,二 空間的相干性,光源的線度對(duì)干涉的影響,各處光強(qiáng)相同，干涉條紋消失,經(jīng)證明，產(chǎn)生干涉的條件為,一 光的

4、衍射現(xiàn)象,光通過(guò)狹縫時(shí)，改變方向，為光的衍射現(xiàn)象,二 惠更斯-菲涅耳原理,3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理論解釋-菲涅爾半波帶法,衍射條紋的半波帶解釋,來(lái)自不同的子波源但傳播方向相同的光經(jīng)透鏡匯聚在幕（焦平面）上的某區(qū)域處，它們相干涉的結(jié)果，因不同處合振動(dòng)的振幅不同而使幕上不同點(diǎn)呈現(xiàn)不同的亮度。,（1）中央明紋的形成機(jī)理,討論傳播方向不變的一組光：,原因：等光程性。由狹縫處的不同子波源發(fā)出的光波，到主焦點(diǎn)處的幾何路程不同，但光程相同（證明略）。,（2）其它明，暗紋的形成機(jī)理,*解釋等光程性。,不難看出，由 發(fā)出的光與由 發(fā)出的光在 點(diǎn)處的光程差為 ，而由 發(fā)出的光與由 發(fā)出的光在 點(diǎn)的光程差為 ，二者在 相消

5、；而由 點(diǎn)下方某點(diǎn)發(fā)出的光與由 點(diǎn)下方的對(duì)稱點(diǎn)發(fā)出的光在 點(diǎn)的光程差為 ，二者在 處相消。結(jié)果，AD內(nèi) 的子波源與DB內(nèi)的對(duì)應(yīng)子波源發(fā)出的光在 點(diǎn)相消，因而， 為暗紋。,被稱為菲涅爾半波帶。,考慮更傾斜的一組衍射光線。,按以上的物理思想，相鄰的半波帶在幕上的相遇點(diǎn) 必相消，結(jié)果，還剩下一個(gè)半波帶，在 點(diǎn)形成了明紋。,明紋（奇數(shù)個(gè)菲涅爾半波帶）,結(jié)論：不難想象，對(duì)于某一方向的衍射光線，若單縫處的波面恰被分成偶數(shù)個(gè)菲涅爾半波帶，此方向上的的衍射形成暗紋；對(duì)另一方向的衍射光線，若單縫處的波面恰被分成奇數(shù)個(gè)菲涅爾半波帶，相鄰半波帶相互抵消，還余下一半波帶，故為明紋形成。,四 夫瑯和費(fèi)單縫衍射的光強(qiáng)分布

6、,書中106-108頁(yè)的詳細(xì)討論不考慮，不要求。,例 1410 用波長(zhǎng)為 的單色平行光垂直入射于寬度為 的單縫上，透鏡焦距為 ，求第三級(jí)暗紋在屏幕上的位置。,除了以上的單縫衍射外，還有圓孔衍射，單絲衍射等，基本的物理思想相同。在此，僅簡(jiǎn)介圓孔衍射（詳細(xì)內(nèi)容看理科光學(xué)教材）。,題,六 圓孔衍射,七 光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng),光學(xué)儀器如照相機(jī)，幻燈機(jī)，以及人的眼睛等都可簡(jiǎn)化視為一帶透鏡的圓孔，按光的衍射理論，存在衍射現(xiàn)象。下面簡(jiǎn)單地討論一下衍射對(duì)光學(xué)儀器成像的影響。,張角大時(shí)能分辯,光學(xué)儀器的分辯本領(lǐng),1990年發(fā)射的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡,普通光學(xué)顯微鏡，若 ，最小分辨距離為 ，最大放大倍數(shù)為2000。,第四

7、節(jié) 衍射光柵,問(wèn)題的提出：由單縫衍射的不足之處講起。,一 光柵結(jié)構(gòu),大量等寬等間距的平行狹縫所組成的光學(xué)器件。,* 第一個(gè)制做光柵的是美國(guó)人雷登奧斯（1785），他透過(guò)一塊絲手帕看到了非常飄亮的燈光而受的啟發(fā)。但在光柵的原理和制作上貢獻(xiàn)最大的是夫瑯和費(fèi)，當(dāng)初用金屬絲排列而成。,二 光柵公式,三 分析與討論,1 缺級(jí),事實(shí)上，光柵的各個(gè)單縫均存在衍射，因而，光柵縫間的干涉是在各縫衍射的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。若在某一衍射方向上，按光柵公式應(yīng)為明紋，而該方向上又恰為單縫衍射的暗紋。則此明紋不存在，稱為光柵缺級(jí)。,4 主極大和次極大,入射能量集中在若干條明紋上，為寬的暗區(qū)隔開，故條紋明亮細(xì)銳。,光柵光譜,次最

8、大,返回,缺級(jí),光柵,級(jí)中的某一波長(zhǎng)的光與 級(jí)中的某一波長(zhǎng)光在同一衍射方向上。重級(jí),四 斜入射,在光柵中，每一縫處為一波陣面，存在許多子波源，因而有單縫衍射的物理過(guò)程；同時(shí)，有縫間的干涉過(guò)程。確切的說(shuō)，即在幕上的一點(diǎn)處，有由縫處自身的許多子波引起的光矢量的疊加，來(lái)自同一個(gè)縫的各子波光波在幕上一點(diǎn)形成一個(gè)合光振動(dòng)，其振幅與衍射角有關(guān)。同時(shí)，各縫的合光矢量再疊加，即為光的干涉，故光柵的圖樣是縫自身的衍射與縫間的干涉總效果。為簡(jiǎn)化問(wèn)題起見，把縫處的各子波源視為了一個(gè)理想的波源，向場(chǎng)區(qū)內(nèi)的各個(gè)方向輻射振幅（光強(qiáng)）相同的平面波。,* 光柵的應(yīng)用,5 實(shí)際工作中，常用反射式光柵,例 1413 用每毫米有3

9、00條刻痕的衍射光柵來(lái)檢驗(yàn)僅含有紅和藍(lán)的兩種單色成分的光譜，已知紅譜線的波長(zhǎng) 在0.63-0.76 之間，藍(lán)譜線波長(zhǎng) 在0.43-0.49 之間。當(dāng)光垂直入射時(shí)，發(fā)現(xiàn)在 角度處，紅藍(lán)兩譜線同時(shí)出現(xiàn)。,1 如果還有的話，在什么角度下還會(huì)出現(xiàn)這種復(fù)合譜線？2 在什么角度下只有紅譜線出現(xiàn)？,題,第五節(jié) X射線的晶體衍射,X射線是波長(zhǎng)很短的電磁波。波長(zhǎng)在1埃左右。要觀察其波的特征，如干涉或繞射，需要縫寬與波長(zhǎng)相近方可。因此，用晶體來(lái)完成，晶格常數(shù)與波長(zhǎng)相近。,1912年，勞厄首先指出，X光可以在晶體上衍射并完成了侖琴射線的晶體衍射實(shí)驗(yàn)。,布喇格父子最早得出X射線在晶體上的衍射公式，并做出了解釋。,科學(xué)

10、家 侖琴,科學(xué)家 M.勞厄,1879-1960,發(fā)現(xiàn)X射線在晶體內(nèi)的衍射獲1914年諾貝爾獎(jiǎng)。,（德）,原子晶格,鏡面反射相互加強(qiáng),似斜入射光柵的衍射光線,用 射線測(cè)定的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu),全息照象的記錄過(guò)程是物光和參考光在底片上干涉的結(jié)果。,一 自然光 偏振光,第六節(jié) 自然光 偏振光,1 自然光（Natural light）的特征,自然光的內(nèi)部結(jié)構(gòu),2 偏振光（Polarized Light）的特征,二 偏振光的獲得（方法之一）,由偏振片獲得偏振光的圖示法,結(jié)論：當(dāng)光強(qiáng)為 自然光入射到偏振片上時(shí)，透射光是完全偏振光。由偏振片透射的光強(qiáng)僅是入射光強(qiáng)的一半；繞光線轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片，透射的光強(qiáng)不變。繞光線

11、轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片，透射的光的振動(dòng)方向也變化，保持與偏振化方向平行。,1869年由法國(guó)物理學(xué)家馬呂斯提出； 當(dāng)完全線偏振光入射到偏振片時(shí)，光的振動(dòng)方向和偏振化方向的夾角不同，出射的偏振光的光強(qiáng)不同。,第七節(jié) 馬呂斯定律,如何的計(jì)算,例 1416 三個(gè)偏振片疊加在一起，第一個(gè)與第三個(gè)片的偏振化方向垂直，它們與第二個(gè)片的夾角為 ，一束自然光垂直入射在第一個(gè)片上，求 1 第二片的出射光強(qiáng)與第一片上的入射光強(qiáng)之比， 2 第三片的出射光強(qiáng)與第一片上的入射光強(qiáng)之比。,例 14 16 一部分偏振光（由自然光與偏振光組成）入射到一偏振片上，如圖。當(dāng)偏振片的出射光由對(duì)應(yīng)最大亮度位置轉(zhuǎn)過(guò) 時(shí)，光束亮度減小一半，求入射的部

12、分偏振光中自然光與偏振光的強(qiáng)度之比。,題,布儒斯特定律,用玻璃堆獲的偏振光,第九節(jié) 雙折射,該方向上二者 的速度相同,該方向上二者 的速度相同,在光軸的方向上， 光和 光的速度相同，故折射率相同。而在與光軸的垂直方向上，二者速度相差最大，在該方向上的 的折射率為其主折射率。,三 用惠更斯原理解釋雙折射（以方解石為例）,1 晶體的光軸垂直晶面，平面波垂直入射,不產(chǎn)生雙折射,2 晶體的光軸平行晶面，平面波垂直入射,傳播方向不變，但傳播速度不同。,3 晶體的光軸斜交晶面，平面波斜入射,產(chǎn)生雙折射。,4 晶體的光軸斜交晶面，平面波垂直入射,產(chǎn)生雙折射。,四 尼可耳棱鏡(1828年首制),為一起偏或檢偏

13、光學(xué)器件，原理如下：,解釋全反射,解：對(duì)第一個(gè)棱鏡中的O光對(duì)第二個(gè)棱鏡為其e光；而e光為O光。對(duì)O光向e光的轉(zhuǎn)化，因 ，相當(dāng)于光由光密介質(zhì)向光疏介質(zhì)折射。則棱鏡二中的e光有大的折射角；,而另一束光是由相當(dāng)于光由光疏介質(zhì)向光密介質(zhì)折射。則棱鏡二中的O光有小的折射角。,O和e光的方向相同 但速度不同。,第十節(jié) 偏振光的干涉,原理示意圖：關(guān)鍵是如何從線偏振光中獲取頻率相同，振動(dòng)方向相同，有固定相差的相干光。,分析圖,二者同方向 同頻率,光彈性效應(yīng)：非晶體透明物質(zhì)，如玻璃，賽路珞塑料，環(huán)氧樹脂等當(dāng)存在內(nèi)應(yīng)力時(shí)，成為各向異性晶體，當(dāng)偏振光照射時(shí)，形成干涉條紋。下圖為在白光的偏光下觀察到的干涉條紋。通過(guò)對(duì)條紋的分析，了解內(nèi)部應(yīng)力的分布，稱為光彈法。,第十一節(jié) 圓或橢圓偏光 四分之一波片 二分之一波片,一 圓或橢圓偏光 四分之一波片,使線偏光變成圓或橢圓偏光時(shí)的晶片厚度,* 如何區(qū)分自然光，完全線偏振光和橢圓偏光 。,二 二分之一波片 線偏光,設(shè)想一與光線 垂直的一平面,線偏振光，振動(dòng)的方向改變了。,光彈性效應(yīng)：非晶體透明物質(zhì)，如玻璃，賽路珞朔料，環(huán)氧樹脂等當(dāng)存在內(nèi)應(yīng)力時(shí)，成為各向異性晶體，當(dāng)偏振光