第15章波动光学基础PPT讲稿.ppt

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1、第15章波动光学基础第1页，共86页，编辑于2022年，星期一15.1.1 电磁波电磁波15.1 光是电磁波光是电磁波1.电磁波的波源电磁波的波源凡做加速运动的电荷都是电磁波的波源凡做加速运动的电荷都是电磁波的波源例如例如:天线中的振荡电流天线中的振荡电流,分子或原子中电荷的振动分子或原子中电荷的振动2.电磁波是电场强度电磁波是电场强度 与磁场强度与磁场强度 的矢量波的矢量波l平面简谐电磁波的性质平面简谐电磁波的性质(1)(2)电磁波是电磁波是横波横波和和传播速度相同传播速度相同、相位相同相位相同第2页，共86页，编辑于2022年，星期一(3)量值关系量值关系(4)波速波速(5)电磁波具有波的

2、共性电磁波具有波的共性 在介质分界面处在介质分界面处有反射和折射有反射和折射3.电磁波的能量电磁波的能量真空中真空中折射率折射率电磁波的能量密度电磁波的能量密度第3页，共86页，编辑于2022年，星期一能流密度能流密度波的强度波的强度 Ir结论结论：I 正比于正比于 E02 或或 H02,通常用其相对强度通常用其相对强度坡印亭矢量坡印亭矢量表示表示（坡印亭矢量坡印亭矢量）dA第4页，共86页，编辑于2022年，星期一15.1.2 光是电磁波光是电磁波光色 波长(nm)频率(Hz)中心波长(nm)红 760622 660 橙 622597 610 黄 597577 570 绿 577492 54

3、0 青 492470 480 蓝 470455 460 紫 455400 430 可见光七彩颜色的波长和频率范围可见光七彩颜色的波长和频率范围r说明说明：称为光矢量称为光矢量第5页，共86页，编辑于2022年，星期一15.2 光源光源 光波的叠加光波的叠加15.2.1 光源光源(1)热辐射热辐射 (2)电致发光电致发光 (3)光致发光光致发光 (4)化学发光化学发光 能级跃迁能级跃迁波列波列波列长波列长 L=c自自发发辐辐射射(5)同步辐射光源同步辐射光源 (6)激光光源激光光源 受受激激辐辐射射自发辐射自发辐射E2E1第6页，共86页，编辑于2022年，星期一非相干非相干(不同原子发的光不同

4、原子发的光)非相干非相干(同一原子先后发的光同一原子先后发的光)光波列长度与其单色性关系光波列长度与其单色性关系由傅里叶分析可知由傅里叶分析可知光波单色性光波单色性.第7页，共86页，编辑于2022年，星期一15.2.2 光波的叠加光波的叠加P12r1r2在观测时间在观测时间内，内，P点的平均强度为点的平均强度为对于两个普通光源或普通光源的不同部分对于两个普通光源或普通光源的不同部分第8页，共86页，编辑于2022年，星期一r讨论讨论(1)非相干叠加非相干叠加(2)相干叠加相干叠加对于频率相同；对于频率相同；相位差恒定；光矢量振动相位差恒定；光矢量振动方向相同的两束光的叠加方向相同的两束光的叠

5、加干涉项l相长干涉相长干涉(明纹明纹)如果如果第9页，共86页，编辑于2022年，星期一l相消干涉相消干涉(暗纹暗纹)如果如果相干条件相干条件:(1)频率相同；频率相同；(2)相位差恒定；相位差恒定；(3)光矢量振动方向平行。光矢量振动方向平行。r结论结论第10页，共86页，编辑于2022年，星期一15.3 获得相干光的方法获得相干光的方法 杨氏双缝实验杨氏双缝实验1.杨氏双缝实验杨氏双缝实验明条纹位置明条纹位置明条纹位置明条纹位置明条纹位置明条纹位置获得相干光的方法获得相干光的方法1.分波阵面法分波阵面法(杨氏实验杨氏实验)2.分振幅法分振幅法(薄膜干涉薄膜干涉)l实验现象实验现象第11页，

6、共86页，编辑于2022年，星期一光强极小光强极小 (光强极光强极大位置大位置)光强极大光强极大(光强极光强极小小位置位置)l理论分析理论分析在在z轴附近观察轴附近观察第12页，共86页，编辑于2022年，星期一r结论结论(1)屏屏上上相相邻邻明明条条纹纹中中心心或或相相邻邻暗暗条条纹纹中中心心间间距距为为一系列平行的明暗一系列平行的明暗相间的等间距条纹相间的等间距条纹(4)当用白光作为光源时，在零级白色中央条纹当用白光作为光源时，在零级白色中央条纹两边对称地排列着几条彩色条纹两边对称地排列着几条彩色条纹 (2)已知已知 d,D 及及x,可测可测(3)x 正比正比 ,D;反比反比 d颜色的次序

7、颜色的次序第13页，共86页，编辑于2022年，星期一2.洛埃镜洛埃镜xOl接触处接触处,屏上屏上O 点点出现暗条纹出现暗条纹 半波损失半波损失 SO反射光波反射光波有半波损失有半波损失反射反射光光波波无半波损失无半波损失入射入射光光波波反射反射光光波波透射透射光光波波l透射透射光光波没有半波损失波没有半波损失第14页，共86页，编辑于2022年，星期一(1)明纹间距分别为明纹间距分别为(2)双缝间距双缝间距 d 为为双双缝缝干干涉涉实实验验中中,用用钠钠光光灯灯作作单单色色光光源源,其其波波长长为为589.3 nm，屏与双缝的距离，屏与双缝的距离 D=600 mm解解 例例 求求(1)d1=

8、1.0mm和和d2=10mm两两种种情情况况相相邻邻明明条条纹纹间间距距分分别别为为多多大大?(2)若若相相邻邻条条纹纹的的最最小小分分辨辨距距离离为为0.065mm能分清干涉纹的双缝间距能分清干涉纹的双缝间距d最大是多少？最大是多少？第15页，共86页，编辑于2022年，星期一例例 在杨氏双缝实验中在杨氏双缝实验中,用折射率用折射率n n=1.58=1.58的透明薄的透明薄膜盖在上缝上膜盖在上缝上,并用并用=6.328=6.328 10107 7m m的光照射发的光照射发现中央明纹向上移动了现中央明纹向上移动了5 5条条,求薄膜厚度求薄膜厚度解：解：P P点为放入薄膜后中央点为放入薄膜后中央

9、明纹的位置明纹的位置又因又因P P点是未放薄膜时第点是未放薄膜时第N N 级明纹的位置级明纹的位置可得：可得：第16页，共86页，编辑于2022年，星期一用用白白光光作作光光源源观观察察杨杨氏氏双双缝缝干干涉涉。设设缝缝间间距距为为d，缝面与屏距离为，缝面与屏距离为 D解解 最先发生重叠的是某一级次的红光和高一级次的最先发生重叠的是某一级次的红光和高一级次的紫光紫光 清晰的可见光谱只有一级清晰的可见光谱只有一级 例例明纹条件为明纹条件为求求 能观察到的清晰可见光谱的级次能观察到的清晰可见光谱的级次第17页，共86页，编辑于2022年，星期一15.4 光程与光程差光程与光程差若时间若时间 t 内

10、光波在介质中传播的内光波在介质中传播的路程路程为为 r,则相应在则相应在真空中真空中传播的传播的路程路程应为应为 改变相同相位的条件下改变相同相位的条件下 真空中光波长 光程光程第18页，共86页，编辑于2022年，星期一光程是一个折合量，在相位改变相同的条件光程是一个折合量，在相位改变相同的条件下，把光在介质中传播的路程折合为光在真下，把光在介质中传播的路程折合为光在真空中传播的相应路程空中传播的相应路程光程光程 l一束光连续通过几种介质一束光连续通过几种介质 l光程差光程差第19页，共86页，编辑于2022年，星期一l物像之间的等光程性物像之间的等光程性l相位差与光程差关系相位差与光程差关

11、系光程光程1=光程光程2=光程光程3光程光程1光程光程2光程光程3光程光程1光程光程2光程光程1=光程光程2第20页，共86页，编辑于2022年，星期一15.5 薄膜干涉薄膜干涉 反射光反射光2 2反射光反射光1 1S12(分振幅法分振幅法)两条光线的光程差两条光线的光程差 因因为为光程差光程差15.5.1 等厚干涉等厚干涉第21页，共86页，编辑于2022年，星期一光线垂直入射光线垂直入射 反射光反射光1 1反射光反射光2 2入射光入射光考虑半波损失考虑半波损失 光程差光程差第22页，共86页，编辑于2022年，星期一(1)同一厚度同一厚度 d 对应同一级条纹对应同一级条纹等厚条纹等厚条纹(

12、2)两相邻明条纹两相邻明条纹(或暗条纹或暗条纹)对应的对应的厚度差厚度差都等于都等于 若为空气层时若为空气层时,相邻明条纹相邻明条纹(或暗条纹或暗条纹)对应的厚度差对应的厚度差r讨论讨论第23页，共86页，编辑于2022年，星期一1.劈尖干涉劈尖干涉(3)测表面不平整度测表面不平整度等厚条纹等厚条纹待测工件待测工件平晶平晶光垂直入射时光垂直入射时相邻条纹之间距离相邻条纹之间距离 D adkdk+1明明纹纹中中心心暗暗纹纹r讨论讨论(1)空气空气劈尖棱处是一暗纹劈尖棱处是一暗纹(2)可测量小角度可测量小角度微位移微位移 x微小直径微小直径 D波长波长等等两相邻条纹对应的空气层厚度差都等于两相邻条

13、纹对应的空气层厚度差都等于第24页，共86页，编辑于2022年，星期一 2.牛顿环牛顿环 光程差光程差明纹中心明纹中心 暗纹暗纹 光线垂直入射光线垂直入射 第25页，共86页，编辑于2022年，星期一(1)测透镜球面的半径测透镜球面的半径R(2)测波长测波长 已知已知R，测出测出m、rk+m、rk，可得可得(3)检测透镜的曲率半径误差及其表面平整度检测透镜的曲率半径误差及其表面平整度(4)若接触良好若接触良好,中央为暗纹中央为暗纹半波损失半波损失 样板样板待测待测透镜透镜条纹条纹 半径半径 r讨论讨论(5)透射透射图样图样与反射图样互补与反射图样互补 已知已知 ,测测 m、rk+m、rk，可得

14、可得R第26页，共86页，编辑于2022年，星期一为为了了测测量量一一根根细细的的金金属属丝丝直直径径D,已已知知单单色色光光波波长长为为589.3nm,测测量量结结果果是是:金金属属丝丝与与劈劈尖尖顶顶点点距距离离L=28.880 mm,第第1条条明明条条纹纹到到第第31条条明明条条纹纹的的距距离为离为4.295 mm解解 由题知由题知 直径直径 例例求求 金属丝直径金属丝直径 DD第27页，共86页，编辑于2022年，星期一例例 为测定为测定SiSi上的上的SiOSiO2 2厚度厚度d d，可用化学方法将，可用化学方法将SiOSiO2 2膜的一部分腐蚀成劈尖形膜的一部分腐蚀成劈尖形.现用现

15、用=589.3nm=589.3nm的光垂直入射的光垂直入射,观察到观察到7 7条明纹条明纹,问问d d=?(=?(已知已知SiSi:n n1 1=3.42=3.42，SiOSiO2 2:n n2 2=1.50).=1.50).解：解：上下面都有半波损失上下面都有半波损失因棱边处对应于因棱边处对应于k k=0=0，故，故d d 处明纹对应于处明纹对应于k k=6=6SiO2Si第28页，共86页，编辑于2022年，星期一(1)(1)油滴与玻璃交界处是明环还是暗环油滴与玻璃交界处是明环还是暗环?(2)?(2)油膜最大厚度油膜最大厚度是多少是多少?(3)?(3)油滴逐渐滩开，环纹如何变化油滴逐渐滩开

16、，环纹如何变化?(?(油油:n n2 2=1.60,=1.60,玻璃玻璃:n n3 3=1.50=1.50）例例 在平面玻璃板上滴一滴油在平面玻璃板上滴一滴油,用用=576nm=576nm的单色光垂直的单色光垂直照射照射,从反射光中看到图示的干涉图谱。从反射光中看到图示的干涉图谱。解：解：因因n n1 1 n n3 3，所以要，所以要考虑半波损失考虑半波损失由暗环条件由暗环条件知知：交界处交界处e e=0=0对应于对应于k k=0=0的暗环的暗环第30页，共86页，编辑于2022年，星期一中心点为中心点为k k=4=4的暗环的暗环油滴逐渐滩开油滴逐渐滩开,最外暗环逐渐最外暗环逐渐向外扩大向外扩

17、大,中心点明暗交替变中心点明暗交替变化化,环纹级数逐渐减少环纹级数逐渐减少,最后成最后成一片明亮或黑暗。一片明亮或黑暗。第31页，共86页，编辑于2022年，星期一两条光线的光程差两条光线的光程差 考虑到有半波损失考虑到有半波损失 15.5.2 等倾干涉等倾干涉第32页，共86页，编辑于2022年，星期一(1)等等倾倾干干涉涉条条纹纹为为一一系系列列同同心心圆圆环环;内内疏疏外外密密;内内圆圆纹纹的的级级次次比外圆纹的级次高；比外圆纹的级次高；r条纹特点条纹特点(2)膜膜厚厚变变化化时时,条条纹纹发发生生移移动动,当当薄薄膜膜厚厚度度增增大大时时,圆圆纹纹从从中中心心冒冒出出,并并向向外外扩扩

18、张张，条条纹纹变变密；密；(3)使用使用面光源面光源条纹更清楚明亮；条纹更清楚明亮；(4)透射光图样透射光图样与反射光图样互补。与反射光图样互补。E第33页，共86页，编辑于2022年，星期一例例波波长长550nm黄黄绿绿光光对对人人眼眼和和照照像像底底片片最最敏敏感感.要要使使照照像像机机对对此此波波长长反反射射小小,可可在在照照像像机机镜镜头头上上镀镀一一层层MgF2薄膜薄膜,MgF2折射率折射率n=1.38,玻璃的玻璃的n=1.55解解 两条反射光干涉减弱条件两条反射光干涉减弱条件 增透膜的最小厚度增透膜的最小厚度 增反膜增反膜 薄膜光学厚度（薄膜光学厚度（nd）仍可以为）仍可以为但膜层

19、折射率但膜层折射率 n 比玻璃的折射率大比玻璃的折射率大求求 氟化镁薄膜的最小厚度氟化镁薄膜的最小厚度说说明明第34页，共86页，编辑于2022年，星期一例例 在白光下在白光下,观察一层折射率为观察一层折射率为1.301.30的薄油膜的薄油膜,若若观察方向与油膜表面法线成观察方向与油膜表面法线成30300 0角时角时,可看到油膜可看到油膜呈蓝色呈蓝色(波长为波长为480nm),480nm),试求油膜的最小厚度试求油膜的最小厚度;从从法向观察法向观察,反射光呈什么颜色反射光呈什么颜色?解解:需考虑半波损失。根据明纹条件需考虑半波损失。根据明纹条件k k=1=1时有时有第35页，共86页，编辑于2

20、022年，星期一k=1时时：k=2时时：-绿色光绿色光-紫外光，不可见紫外光，不可见从法向观察，从法向观察，i=0:i=0:第36页，共86页，编辑于2022年，星期一15.6 迈克耳孙干涉仪迈克耳孙干涉仪1.干涉仪结构干涉仪结构d2.工作原理工作原理光束光束 和和 发生干涉发生干涉调整调整 和和 后面的调节后面的调节螺钉螺钉,即可观察到波膜即可观察到波膜干涉的各种情况。干涉的各种情况。第37页，共86页，编辑于2022年，星期一l若若M1,M 2 有小有小 夹角夹角l若若M1平移平移 d 时时,干涉条纹移过干涉条纹移过 N 条条,则有则有当当M1和和M2不平行不平行,且光平行入射且光平行入射

21、,此此时为等厚条纹时为等厚条纹l若若M 1、M2平行平行3.条纹特点条纹特点等倾条纹等倾条纹第38页，共86页，编辑于2022年，星期一5.应用应用l微小位移测量微小位移测量l测折射率测折射率l测波长测波长4.迈克耳孙干涉仪迈克耳孙干涉仪优点优点设计精巧，两束相干光完全分开，可以设计精巧，两束相干光完全分开，可以方便的改变任一光路的光程。方便的改变任一光路的光程。，第39页，共86页，编辑于2022年，星期一6.6.时间相干性时间相干性时间相干性时间相干性 只有相遇的光波来自于同一光波列才满足光波相干条件。只有相遇的光波来自于同一光波列才满足光波相干条件。aba1a2b1b2光程差aba1a2

22、b1b2光程差相干长度相干长度相干时间相干时间第40页，共86页，编辑于2022年，星期一15.7惠更斯惠更斯菲涅耳原理菲涅耳原理1.现象现象15.7.1 光的衍射现象光的衍射现象2.衍射衍射光在传播过程中绕过障碍物的边缘而偏离直线传光在传播过程中绕过障碍物的边缘而偏离直线传播的现象。播的现象。说说明明衍射现象是否明显取决于衍射现象是否明显取决于障碍物障碍物线度与波长的对线度与波长的对比比,波长越大波长越大,障碍物障碍物越小越小,衍射越明显。衍射越明显。第41页，共86页，编辑于2022年，星期一l同一波前上的各点发出的都是相干次波。同一波前上的各点发出的都是相干次波。设设初初相相为为零零,面

23、面积积为为S的的波波面面Q,其其上上面面元元dS在在P点引起的振动为点引起的振动为l各次波在空间某点相干叠加各次波在空间某点相干叠加,决定波的强度。决定波的强度。1.原理内容原理内容2.原理数学表达原理数学表达取决于波面上取决于波面上dS处的波强度处的波强度,为倾斜因子为倾斜因子.15.7.2 惠更斯惠更斯菲涅耳原理菲涅耳原理第42页，共86页，编辑于2022年，星期一P 处波的强度处波的强度说说明明(1)一般衍射问题一般衍射问题,用积分计算相当复杂用积分计算相当复杂,实际实际中常用半波带法和振幅矢量法中常用半波带法和振幅矢量法分析分析(2)惠更斯惠更斯菲涅耳原理在惠更斯原理的基础菲涅耳原理在

24、惠更斯原理的基础上给出了次波源在传播过程中的振幅变化及上给出了次波源在传播过程中的振幅变化及位相关系。位相关系。第43页，共86页，编辑于2022年，星期一15.7.3 物像之间的等光程性简介物像之间的等光程性简介光程光程1=光程光程2=光程光程3光程光程1光程光程2光程光程3光程光程1光程光程2光程光程1=光程光程2第44页，共86页，编辑于2022年，星期一15.8单缝的夫琅禾费衍射单缝的夫琅禾费衍射1.单缝衍射装置单缝衍射装置*2.菲涅耳菲涅耳半波带法半波带法E半半波波带带|2|2狭缝波面上半波带的数目狭缝波面上半波带的数目为为l半波带数目为整数半波带数目为整数 15.8.1 菲涅耳半波

25、带法研究屏上衍射条纹的分布菲涅耳半波带法研究屏上衍射条纹的分布第45页，共86页，编辑于2022年，星期一暗纹条件暗纹条件|2|2|2明纹中心条件明纹中心条件中央明纹中心中央明纹中心第46页，共86页，编辑于2022年，星期一l半波带数目为非整数半波带数目为非整数由于屏幕上的光强是逐渐的由于屏幕上的光强是逐渐的,连续的在亮暗之间变连续的在亮暗之间变化的化的,所以这些点的光强处于明纹和暗纹之间。所以这些点的光强处于明纹和暗纹之间。r说明说明随着衍射角随着衍射角 的增大的增大,明条纹的强度减少明条纹的强度减少。|2|2|2分成 的份数愈多每份半波带的能量就愈少第47页，共86页，编辑于2022年，

26、星期一3.单缝衍射明纹单缝衍射明纹角宽度和线宽度角宽度和线宽度角宽度角宽度:相邻两暗纹对应的衍射角之差相邻两暗纹对应的衍射角之差线宽度线宽度:观察屏上相邻两暗纹的间距观察屏上相邻两暗纹的间距中央明纹角宽度中央明纹角宽度中央明纹线宽度中央明纹线宽度第第k 级明纹角宽度级明纹角宽度第48页，共86页，编辑于2022年，星期一r结论结论中央明纹的角宽度是其他条纹角宽度的两倍中央明纹的角宽度是其他条纹角宽度的两倍。(1)越长越长,a,a越小越小,条纹宽度越宽。条纹宽度越宽。波动光学退化到几何光学。波动光学退化到几何光学。观察屏上不出现暗纹。观察屏上不出现暗纹。r讨论讨论(2)(4)缝位置变化不影响条纹

27、位置分布。缝位置变化不影响条纹位置分布。(3)第49页，共86页，编辑于2022年，星期一求求对于暗纹对于暗纹则则如图如图,有一波长为有一波长为 的单色平面波沿着与缝平面的法的单色平面波沿着与缝平面的法线成线成角的方向入射到宽为角的方向入射到宽为a 的单缝的单缝AB 上上.解解在狭缝两个边缘处在狭缝两个边缘处,衍射角为衍射角为 的两光的光程差为的两光的光程差为例例写出各级暗条纹对应的衍射角写出各级暗条纹对应的衍射角 所满足的条件。所满足的条件。第50页，共86页，编辑于2022年，星期一15.8.2 用振幅矢量合成法研究各级条纹的强度用振幅矢量合成法研究各级条纹的强度1.单缝衍射强度公式单缝衍

28、射强度公式,设每个窄带在设每个窄带在P 点引起的振幅相同点引起的振幅相同,相邻窄带的相位差为相邻窄带的相位差为将缝将缝 AB 均分成均分成 N 个窄带每个窄带宽度为个窄带每个窄带宽度为 P 点形成的光振动点形成的光振动：N个个同方向同方向,同频率同同频率同,振幅振幅,初相位依次相差初相位依次相差 的简谐振动的合成的简谐振动的合成。第51页，共86页，编辑于2022年，星期一第第一一个分振动与第个分振动与第N个分振动的夹角为个分振动的夹角为令令P 处的合振幅为处的合振幅为N 取无穷大时取无穷大时,由图中几何关系得由图中几何关系得令令第52页，共86页，编辑于2022年，星期一对于中央明条纹对于中

29、央明条纹P点的光强为点的光强为中央明纹中心处的光强第53页，共86页，编辑于2022年，星期一l中央明纹中央明纹l暗纹条件暗纹条件2.单缝衍射光强分布特点单缝衍射光强分布特点l明纹条件明纹条件相对光强曲线相对光强曲线I/I0-1.43 1.43 -2.46 2.46 第54页，共86页，编辑于2022年，星期一解得解得 相应相应 第55页，共86页，编辑于2022年，星期一3.圆孔的夫琅禾费衍射圆孔的夫琅禾费衍射L爱爱里斑里斑4.爱里斑爱里斑 由第一暗环所包围的中央亮斑。由第一暗环所包围的中央亮斑。由夫琅禾费圆孔衍射计算可得由夫琅禾费圆孔衍射计算可得,爱里斑的半角爱里斑的半角宽度宽度第56页，

30、共86页，编辑于2022年，星期一5.瑞利判据瑞利判据可分辨可分辨刚可分辨刚可分辨不可分辨不可分辨 对对于于两两个个等等光光强强的的非非相相干干物物点点,如如果果一一个个像像斑斑中中心心刚刚好好落落在在另另一一像像斑斑的的第第一一级级暗暗纹纹处处上上时时,就就认认为这两个像刚刚能够被分辨。为这两个像刚刚能够被分辨。第57页，共86页，编辑于2022年，星期一光学仪器最小分辨角光学仪器最小分辨角6.光学仪器分辨本领光学仪器分辨本领光学仪器分辨本领光学仪器分辨本领第58页，共86页，编辑于2022年，星期一眼睛的最小分辨角为眼睛的最小分辨角为设人离车的距离为设人离车的距离为 S 时时，恰能分辨这两

31、盏灯恰能分辨这两盏灯。取取在迎面驶来的汽车上在迎面驶来的汽车上,两盏前灯相距两盏前灯相距120 cm,设夜间设夜间人眼瞳孔直径为人眼瞳孔直径为5.0 mm,入射光波为入射光波为 550 nm。例例人在离汽车多远的地方人在离汽车多远的地方,眼睛恰能分辨这两盏灯？眼睛恰能分辨这两盏灯？求求解解d=120 cmS由题意有由题意有观察者观察者第59页，共86页，编辑于2022年，星期一15.9 衍射光栅及光栅光谱衍射光栅及光栅光谱光栅光栅利用多缝衍射原理使光发生色散的元件利用多缝衍射原理使光发生色散的元件15.9.1 衍射光栅衍射光栅数为数为 m,总缝数总缝数l光栅常数光栅常数l总缝数总缝数光栅宽度为

32、光栅宽度为 l mm,每毫米缝每毫米缝1.衍射衍射光栅光栅参数参数第60页，共86页，编辑于2022年，星期一2.光栅衍射现象光栅衍射现象3.光栅方程光栅方程(k 主极大级数主极大级数)第61页，共86页，编辑于2022年，星期一 4.暗纹公式暗纹公式屏幕上任一点的光振动来自于各缝光振动屏幕上任一点的光振动来自于各缝光振动 的叠加的叠加相邻振动相位差相邻振动相位差如果如果第62页，共86页，编辑于2022年，星期一即即或或说说明明 (1)N 缝干涉缝干涉,两主极大间有两主极大间有N-1个个极小，极小，N-2 个次极大。个次极大。(2)随着随着N 的增大，且主极大间为暗背景的增大，且主极大间为暗

33、背景缝间缝间干涉干涉强度强度分布分布第63页，共86页，编辑于2022年，星期一 5.谱线的缺级谱线的缺级单缝衍射光强曲线单缝衍射光强曲线如如则则 缺级缺级则则 缺级缺级第64页，共86页，编辑于2022年，星期一只考虑单缝衍射强度分布只考虑单缝衍射强度分布只考虑双缝干涉强度分布只考虑双缝干涉强度分布双缝光栅强度分布双缝光栅强度分布第65页，共86页，编辑于2022年，星期一15.9.2 衍射光谱衍射光谱1.光栅光谱光栅光谱0级级1级级2级级-2级级-1级级3级级-3级级白光的光栅光谱白光的光栅光谱白光光谱白光光谱第66页，共86页，编辑于2022年，星期一氦光谱氦光谱2.光栅的色分辨本领光栅

34、的色分辨本领将波长相差很小的两个波长将波长相差很小的两个波长 和和+分开的分开的能力能力 第67页，共86页，编辑于2022年，星期一当当 =-90o时时当当 =90o时时一束波长为一束波长为 480nm 的单色平行光，照射在每毫米的单色平行光，照射在每毫米内有内有600条刻痕的平面透射光栅上。条刻痕的平面透射光栅上。求求(1)光线垂直入射时，最多能看到第几级光谱？光线垂直入射时，最多能看到第几级光谱？(2)光线以光线以 30o入射角入射时，最多能看到入射角入射时，最多能看到例例解解(1)(2)第几级光谱？第几级光谱？第68页，共86页，编辑于2022年，星期一时时,第二级主极大也发生缺级第二

35、级主极大也发生缺级,不符题意，不符题意，每毫米均匀刻有每毫米均匀刻有100条线的光栅条线的光栅,D=10 mm,波长为波长为500 nm的平行光垂直入射时的平行光垂直入射时,第四级主极大谱线第四级主极大谱线刚好消失刚好消失,第二级主极大的光强不为第二级主极大的光强不为 0.(1)a可能的宽度；可能的宽度；(2)第二级主极大的半角宽度。第二级主极大的半角宽度。例例(1)光栅常数光栅常数 第四级主极大缺级，故有第四级主极大缺级，故有求求解解时时时，时，舍去。舍去。第69页，共86页，编辑于2022年，星期一(2)光栅总的狭缝数光栅总的狭缝数 设第二级主极大的衍射角为设第二级主极大的衍射角为 2N，

36、与该主极大相与该主极大相邻的暗纹邻的暗纹(第第2N+1 级或第级或第2N-1 级级)衍射角为衍射角为 2N-1，由光栅方程及暗纹公式有由光栅方程及暗纹公式有代入数据后代入数据后,得得第二级主极大的半角宽度第二级主极大的半角宽度符合题意的缝宽有两个符合题意的缝宽有两个,分别是分别是2.510-3 mm 和和7.510-3 mm第70页，共86页，编辑于2022年，星期一*15.9.3 X射线在晶体上的衍射射线在晶体上的衍射d1122OAB相邻两层反射波的光程差为相邻两层反射波的光程差为反射波相干极大满足反射波相干极大满足C 说明说明X射线衍射是研究晶体微观结构射线衍射是研究晶体微观结构和缺陷的重

37、要实验方法和缺陷的重要实验方法。(布拉格公式布拉格公式)第71页，共86页，编辑于2022年，星期一15.10 线偏振光线偏振光 自然光自然光15.10.1 线偏振光线偏振光面对光的传播方向观察面对光的传播方向观察(光振动平行板面光振动平行板面)(光振动垂直板面光振动垂直板面)线偏振光的表示法线偏振光的表示法15.10.2 自然光自然光面对光的传播方向观察面对光的传播方向观察自自然然光光可可用用两两个个相相互互独独立立、没没有有固固定定相相位位关关系系等等振振幅幅且且振振动动方方向向相互垂直的线偏振光表示相互垂直的线偏振光表示.自然光的表示法自然光的表示法第72页，共86页，编辑于2022年，

38、星期一15.11 偏振片的起偏和检偏偏振片的起偏和检偏 马吕斯定律马吕斯定律 15.11.1 起偏和检偏起偏和检偏自然光自然光I0线偏振光线偏振光I偏振化方向线偏振光线偏振光I起偏器起偏器检偏器检偏器最亮最亮自然光自然光I0线偏振光线偏振光I第73页，共86页，编辑于2022年，星期一自然光自然光I0线偏振光线偏振光I最暗最暗14.11.2 14.11.2 马吕斯定律马吕斯定律马吕斯定律马吕斯定律它是关于偏振光强度变化的定量定律。它是关于偏振光强度变化的定量定律。偏振化方向 消光消光(1)当当r讨论讨论(2)当当第74页，共86页，编辑于2022年，星期一15.12 反射和折射产生的偏振反射和

39、折射产生的偏振布儒斯特定律布儒斯特定律 15.12.1 反射和折射产生的偏振反射和折射产生的偏振自自然然光光反反射射和和折折射射后后产产生部分偏振光生部分偏振光15.12.2 布儒斯特定律布儒斯特定律线偏振光线偏振光ib 布儒斯特角或起偏角布儒斯特角或起偏角当当ib+=90o 时时，反射光为线偏振光反射光为线偏振光1.布儒斯特定律布儒斯特定律 第75页，共86页，编辑于2022年，星期一2.玻璃片堆起偏和检偏玻璃片堆起偏和检偏玻璃片堆玻璃片堆线偏振光线偏振光例如例如 n1=1.00(空气空气),),n2=1.50(玻璃玻璃),),则则空气空气玻璃玻璃玻璃玻璃空气空气入射自然光入射自然光第76页

40、，共86页，编辑于2022年，星期一15.13 双折射现象双折射现象15.13.1 晶体的双折射现象晶体的双折射现象 方解石方解石一束光入射到各向异性的介质后一束光入射到各向异性的介质后出现两束折射光线的现象。出现两束折射光线的现象。1.双折射现象双折射现象 2.两束折射光的特性两束折射光的特性 (1)寻常光和非寻常光寻常光和非寻常光o光光e光光l一束折射光始终在入射面内一束折射光始终在入射面内,并遵从折射并遵从折射定律定律,称为寻常光称为寻常光,简称简称 o 光光第77页，共86页，编辑于2022年，星期一l另一束折射光一般不在折射面内，不遵从折射另一束折射光一般不在折射面内，不遵从折射定律

41、定律,称为非常光，简称称为非常光，简称 e 光光 (2)两束折射光是光矢量振动方向不同的线偏振光两束折射光是光矢量振动方向不同的线偏振光(3)晶体的光轴晶体的光轴:当光在晶体内沿一个特殊方向传当光在晶体内沿一个特殊方向传 播时播时不发生双折射不发生双折射,这个方向称为晶体的这个方向称为晶体的光轴光轴。78o102o78o102o光轴光光轴轴是是一一特特殊殊的的方方向向,凡凡平平行行于于此此方向的直线均为光轴。方向的直线均为光轴。单轴晶体单轴晶体:只有一个光轴的晶体只有一个光轴的晶体双轴晶体双轴晶体:有两个光轴的晶体有两个光轴的晶体第78页，共86页，编辑于2022年，星期一(4)主平面主平面e

42、光光光轴光轴o光光光轴光轴o 光的主平面e 光的主平面晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面。晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面。r说明说明(1)光轴在入射面时光轴在入射面时,o 光主平面和光主平面和e 光主平面重合。光主平面重合。(2)一般情况下一般情况下,两个主平面并不重合两个主平面并不重合.但两个主但两个主 平面夹角很小平面夹角很小,通常认为两个主平面是重合的。通常认为两个主平面是重合的。(3)可以认为可以认为o 光和光和e 光的光矢量方向相互垂直。光的光矢量方向相互垂直。第79页，共86页，编辑于2022年，星期一15.13.2 15.13.2 单轴晶体中的波面单轴晶体中的波面单轴

43、晶体中的波面单轴晶体中的波面1.单轴晶体中的波面单轴晶体中的波面 光的双折射实质上是由于光在晶体中的传播速光的双折射实质上是由于光在晶体中的传播速率与光的传播方向和光的偏振状态有关。率与光的传播方向和光的偏振状态有关。l o光光沿不同方向的传播速率相同，其波面是球面沿不同方向的传播速率相同，其波面是球面光轴光轴l e光光沿不同方向的传播速率不相同，其波面是沿不同方向的传播速率不相同，其波面是以光轴以光轴 为轴的旋转椭球面。为轴的旋转椭球面。光轴光轴(e 光光主折射率主折射率)第80页，共86页，编辑于2022年，星期一2.正晶体、负晶体正晶体、负晶体光轴光轴(平行光轴截面平行光轴截面)(垂直光

44、轴截面垂直光轴截面)光轴光轴(平行光轴截面平行光轴截面)(垂直光轴截面垂直光轴截面)正晶体负晶体第81页，共86页，编辑于2022年，星期一3.双折射的惠更斯几何描述双折射的惠更斯几何描述(负晶体负晶体)光光轴轴平平行行入入射射面面自自,然然光斜入射晶体光斜入射晶体o光轴光轴e光轴平行入射面光轴平行入射面,自然光自然光垂直入射晶体垂直入射晶体oe光轴光轴第82页，共86页，编辑于2022年，星期一光轴平行晶体表面，自然光垂直入射晶体光轴平行晶体表面，自然光垂直入射晶体 此此时时,o,e光光在在晶晶体体内内的的传传播播方方向向相相同同,但但传传播播速速度不同度不同.从晶体出射后从晶体出射后,二者

45、产生相位差。二者产生相位差。这种情况仍然属于有双折射的这种情况仍然属于有双折射的。r说明说明第83页，共86页，编辑于2022年，星期一15.13.3 15.13.3 尼科耳棱镜和渥拉斯顿棱镜尼科耳棱镜和渥拉斯顿棱镜尼科耳棱镜和渥拉斯顿棱镜尼科耳棱镜和渥拉斯顿棱镜利用晶体制成一些棱镜或者器件可以利用晶体制成一些棱镜或者器件可以从自然光中获得高质量的线偏振光。从自然光中获得高质量的线偏振光。o光轴光轴加拿大树胶e出射的是一束振动方向在屏幕面内的线偏振光出射的是一束振动方向在屏幕面内的线偏振光1.尼科耳棱镜尼科耳棱镜第84页，共86页，编辑于2022年，星期一oee光光o光光o光光e光光2.渥拉斯顿棱镜渥拉斯顿棱镜出射的是两束分得很开的振动方向相互垂直出射的是两束分得很开的振动方向相互垂直的线偏振光的线偏振光第85页，共86页，编辑于2022年，星期一15.13.4 15.13.4 偏振片偏振片偏振片偏振片l二向色性：某些晶体对振动垂直的二向色性：某些晶体对振动垂直的 o 光光和和 e 光有不同光有不同 吸收的性质。吸收的性质。l利用晶体的二向色性可以从自然光中利用晶体的二向色性可以从自然光中 获得线偏振光。获得线偏振光。l利用晶体的这种性质利用晶体的这种性质（二向色性）（二向色性）可以制作偏振片。可以制作偏振片。第86页，共86页，编辑于2022年，星期一