第12章-光的波动优秀PPT.ppt

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1、第一节第一节 光的干涉光的干涉Interference of light一般光源的发光机制一般光源的发光机制 光源：光源：发光的物体。发光的物体。处在基态的电子处在基态的电子处在激发态的电子处在激发态的电子原子模型原子模型一、相干光源一、相干光源 light source一般光源发光的两个特点：一般光源发光的两个特点：一般光源发光的两个特点：一般光源发光的两个特点：随机性：随机性：随机性：随机性：每次发光是随机的，所发出各波列每次发光是随机的，所发出各波列每次发光是随机的，所发出各波列每次发光是随机的，所发出各波列的振动方向和振动初相位都不相同。的振动方向和振动初相位都不相同。的振动方向和振动

2、初相位都不相同。的振动方向和振动初相位都不相同。间歇性：间歇性：间歇性：间歇性：各原子发光是断断续续的，平均发各原子发光是断断续续的，平均发各原子发光是断断续续的，平均发各原子发光是断断续续的，平均发光时间光时间光时间光时间 t t t t 约为约为约为约为10101010-8-8-8-8 s s s s，所发出的是一段长为，所发出的是一段长为，所发出的是一段长为，所发出的是一段长为 L L L L=c c c c t t t t 的光波列。的光波列。的光波列。的光波列。获得相干光源方法：获得相干光源方法：分波阵面法：分波阵面法：分振幅干涉法：分振幅干涉法：相干光源：相干光源：相同频率相同频率

3、,相同振动方向，具有恒定相同振动方向，具有恒定位相差。位相差。1 1.现象现象 phenomenon产生的明暗相间的条纹S Sd dD D二、杨氏双缝干涉二、杨氏双缝干涉 Young interference experiment2 2.光强分布光强分布 light distribution 明纹明纹暗纹暗纹d dD D因为因为条纹位置：条纹位置：各级明条纹中心：各级明条纹中心：各级暗条纹中心：各级暗条纹中心：相邻明或暗条纹相距：相邻明或暗条纹相距：1 1）若波长确定，必需）若波长确定，必需d d足够小、足够小、D D足够大，足够大，xx才才能足够大。能足够大。3 3）已知）已知D D、d d

4、，若知道，若知道k k级对应的级对应的x x，就可以测定，就可以测定波长。波长。2 2）若）若D D和和d d确定，波长与条纹间距有关。白光源，确定，波长与条纹间距有关。白光源，中心是亮条纹，其他各级亮条纹都是由紫到红的中心是亮条纹，其他各级亮条纹都是由紫到红的彩色条纹，且紫色条纹靠近中心条纹一边。彩色条纹，且紫色条纹靠近中心条纹一边。探讨：探讨：双偏振极化干涉双偏振极化干涉(DPI)(DPI)测量技术在生物医学及材测量技术在生物医学及材料科学方面的应用。料科学方面的应用。20002000以后发展起来的对分以后发展起来的对分子相互作用定性定量测量探讨工具。子相互作用定性定量测量探讨工具。DPI

5、DPI是基于光的是基于光的Thomas YuongThomas Yuong干涉现象独创的。干涉现象独创的。如图如图:干干涉涉信信号号经经过过数数学学转转换换得得到到传传感感面面上上厚厚度度、质质量量及及密密度度的的信信息息。厚厚度度的的变变更更对对应应了了蛋蛋白白质质结结构构的的变变更更，质质量量变变更更对对应应着着配配体体与与蛋蛋白白质质的的结结合合，密密度度变变更更综综合合体体现现了了蛋蛋白质白质-配体结合前后状态的变更。配体结合前后状态的变更。目前目前DPIDPI已经应用这四个方面：已经应用这四个方面：1 1、蛋蛋白白质质在在表表面面的的结结构构表表征征及及吸吸附附、固固定定和和聚聚集集

6、过过程程探探讨讨2 2、蛋白质与生物分子或小分子配体的相互作用的探讨、蛋白质与生物分子或小分子配体的相互作用的探讨 3 3、DNADNA表面固定化及杂交过程探讨表面固定化及杂交过程探讨4 4、模拟生物膜及生物膜与分子相互作用探讨、模拟生物膜及生物膜与分子相互作用探讨例例题题12-1 12-1 在在杨杨氏氏双双缝缝试试验验中中，入入射射光光的的波波长长为为546nm546nm，双双缝缝距距离离1mm,1mm,光光屏屏距距双双缝缝40cm40cm。求求（1 1）第第十十级级明明条条纹纹的的位位置置；（2 2）相相邻邻两两条条纹纹间间的的距距离离；（3 3）中中心心亮亮条纹上方第十级条纹与下方其次级

7、暗条纹间的距离。条纹上方第十级条纹与下方其次级暗条纹间的距离。解：解：2 2）3 3）1 1）光速和折射率光速和折射率真空中真空中介质中介质中介质中的波长介质中的波长同一介质，随频率不同而不同，但在空中都是同一介质，随频率不同而不同，但在空中都是1 1三、光程与光程差三、光程与光程差 Optical path某一单色波，经过不同介质中，频率不变。某一单色波，经过不同介质中，频率不变。真空真空S Sa ab b,n,n0 0=1=1介质介质光程光程:S=S=nLnLn n1 1n n2 2n nm mL L1 1L L2 2L Lm m 光程光程 S S=(n ni i L Li i )1.1.

8、光程光程a ab bL Ln n n nL L为光在介质为光在介质n n中的路程，而中的路程，而S S称为光程。此光程方程是称为光程。此光程方程是将光在介质将光在介质n n中行走的路程中行走的路程L L所引起的相位差或所须要的所引起的相位差或所须要的时间换算成光在真空中行走路程时间换算成光在真空中行走路程 是相当的。是相当的。光光程程差差和和相相位位差差的的关关系系：在在真真空空中中同同为为的的两两个个相干波经过不同介质相遇：相干波经过不同介质相遇：光强极大光强极大光强微小光强微小2.2.光程差：光程差：例题例题12-2 12-2 杨氏双缝试验中，杨氏双缝试验中，d=0.45mmd=0.45m

9、m，D=1.0mD=1.0m，用，用n=1.5,h=9.0umn=1.5,h=9.0um的薄玻璃盖窄缝的薄玻璃盖窄缝S2,S2,接受屏接受屏上干涉条纹将发生什么变更？上干涉条纹将发生什么变更？中心亮条纹应满足中心亮条纹应满足四、薄膜干涉四、薄膜干涉 Interference in thin coatings暗暗=1.1.等倾干涉等倾干涉明明等倾干涉：等倾干涉：条纹级次取决于入射角的干涉条纹级次取决于入射角的干涉光光从从光光疏疏进进入入光光蜜蜜介介质质,反反射射光光相相对对入入射射光光会会发发生生 相相位位 突变突变半波损失半波损失1 1）2 2）考虑半波损失考虑半波损失不用考虑半波损失不用考虑

10、半波损失垂直入射（光源垂直入射（光源S S在无限远处）：在无限远处）：透镜透镜增透膜与增反膜：增透膜与增反膜：薄膜干涉的应用薄膜干涉的应用 增透膜增透膜反射光干涉相消条件：反射光干涉相消条件：n=1.38n2=1.5n1=1.0最薄的膜层厚度（最薄的膜层厚度（k=0）为：）为：例题例题12-312-3 玻璃玻璃 n n1 1=1.5=1.5，镀镀MgFMgF2 2 n n2 2=1.38=1.38，放在空气中，放在空气中，白光垂直射到膜的表面，欲使反射光中，对人眼和照相白光垂直射到膜的表面，欲使反射光中，对人眼和照相机底片最敏感的黄绿光（机底片最敏感的黄绿光（=550=550nmnm）的成分的

11、成分相消相消（反射（反射最小，增大透射光强）求：膜的最小厚度。最小，增大透射光强）求：膜的最小厚度。反射光相消反射光相消=增透增透 思索：若思索：若 n2n3 n2n3 会得到什么结果？为会得到什么结果？为什么望远镜的镜片有什么望远镜的镜片有的发红，有的发蓝？的发红，有的发蓝？效果最好效果最好解：解：其次节其次节 光的衍射光的衍射 Diffraction of lightDiffraction of light光的衍光的衍射现象射现象当障碍物或窄缝、小孔的线度接近光的波长，当障碍物或窄缝、小孔的线度接近光的波长，衍射现象尤其显著。（衍射现象尤其显著。（a a 0.1m m 0.1m m）菲涅耳

12、衍射：菲涅耳衍射：光源与衍光源与衍射屏（小孔、狭缝或其射屏（小孔、狭缝或其他遮挡物）以及衍射屏他遮挡物）以及衍射屏与光屏在有限远处所形与光屏在有限远处所形成的衍射现象。成的衍射现象。夫琅禾费衍射：夫琅禾费衍射：光源与衍射光源与衍射屏以及衍射屏与光屏在足够屏以及衍射屏与光屏在足够远处所形成的衍射现象。远处所形成的衍射现象。即认为入射光和出射光都是即认为入射光和出射光都是平行光平行光。菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射P P点的光强取决于狭缝上点的光强取决于狭缝上各子波源到此的光程差各子波源到此的光程差一、单缝夫琅禾费衍射一、单缝夫琅禾费衍射 Fresnel DiffractionI

13、 II I全全部部子子波波射射线线光光程程彼彼此此相相等等，干干涉涉加加强强，形形成成亮亮条纹称为中心亮纹。条纹称为中心亮纹。1.1.菲菲涅涅耳耳半半波波带带法法沿沿 方方向向衍衍射射的的平平行行光光波波阵阵面面上上，可可分分等等宽宽的的波带。波带。1 1、N N 由由 a a、确定。确定。2 2、N N不确定是整数。不确定是整数。A AB BC C2.2.暗暗明明该该 方向为衍射暗条纹。方向为衍射暗条纹。该该 方向为衍射明条纹方向为衍射明条纹aA AB BC CP P点为暗！点为暗！中心明纹中心明纹在屏上的线宽度为在屏上的线宽度为中心亮条纹半角宽度中心亮条纹半角宽度？不同缝宽的单缝衍射条纹的

14、比较不同缝宽的单缝衍射条纹的比较0.16 mm0.08 mm0.04 mm0.02 mm广义：任何能够等间隔地分割光波阵面的装置都是广义：任何能够等间隔地分割光波阵面的装置都是衍射光栅。沙网、编的席子、扇子、眼睫毛衍射光栅。沙网、编的席子、扇子、眼睫毛最简洁：一组平行等宽等间隔的狭缝。最简洁：一组平行等宽等间隔的狭缝。光栅常数光栅常数 10 10-3-3-10-10-2-2 mmmm1010cmcm宽的光栅总刻痕数宽的光栅总刻痕数 N=10N=104 4-10-105 5二、衍射光栅二、衍射光栅 Diffraction gratingdba理论和试验证明：光栅狭缝数越多，条纹越光明；理论和试验

15、证明：光栅狭缝数越多，条纹越光明；光栅常量越小，条纹间距越大，条纹越细。光栅常量越小，条纹间距越大，条纹越细。光栅公式：光栅公式：留意：光栅方程仅说明白的各留意：光栅方程仅说明白的各级谱线的角度分布，而谱线的级谱线的角度分布，而谱线的亮度还受单缝衍射光强分布的亮度还受单缝衍射光强分布的调制。调制。缺级现象：缺级现象：最亮级：最亮级：A AB Bp p单缝：单缝：双缝：双缝：例例题题12-4 12-4 波波长长为为589.3nm589.3nm的的钠钠黄黄光光垂垂直直入入射射到到光光栅栅上上，测测得得其其次次级级谱谱线线（亮亮条条纹纹）的的衍衍射射角角为为28082808。用用另另一一未未知知波波

16、长长的的单单色色光光入入射射时时，它它的的第第一一级级谱谱线线的的衍衍射射角角为为1303013030。（1 1）求求未未知知波波长长；（2 2）用用未未知知波波长长最多能观测到第几级谱线？最多能观测到第几级谱线？解：解：1 12 2最多第四级最多第四级84%84%能量能量爱里斑的爱里斑的角半径：角半径：光学仪器夫琅禾费圆孔衍射为主，只需考虑爱里斑。光学仪器夫琅禾费圆孔衍射为主，只需考虑爱里斑。爱爱里里斑斑仪器仪器 孔径孔径三、夫琅禾费圆孔衍射三、夫琅禾费圆孔衍射 Fraunhofer Diffraction瑞利判据瑞利判据刚好能刚好能辨别辨别不能不能辨别辨别能能辨辨别别瑞利判据：一个点像的衍

17、射图样的中心最亮处瑞利判据：一个点像的衍射图样的中心最亮处刚好与另一个点像的衍射图样的第一级暗环相刚好与另一个点像的衍射图样的第一级暗环相重合，这时这两个物点恰好能被这一光学仪器重合，这时这两个物点恰好能被这一光学仪器所辨别。所辨别。r r最小辨别角又称辨别限角最小辨别角又称辨别限角 ：辨别本事：辨别本事：透镜的孔径越大，光学透镜的孔径越大，光学仪器的辨别率越高。仪器的辨别率越高。第三节第三节 光光 的的 偏偏 振振 Polarization of light光是一种电磁波（横波光是一种电磁波（横波)。电矢量。电矢量 与磁矢量与磁矢量 相互垂直，它们分别又与电磁波的传播方向垂直，相互垂直，它们

18、分别又与电磁波的传播方向垂直，且有各种振动状态，称此为光的且有各种振动状态，称此为光的偏振态偏振态一、一、自然光与偏振光自然光与偏振光光振动：光振动：电磁波的电磁波的 振动。振动。光矢量：光矢量：电磁波的电磁波的 矢量。矢量。自然光：在垂直于光传播方向上的全部可能方向自然光：在垂直于光传播方向上的全部可能方向上都有光振动，且上都有光振动，且 振动的振幅都相等。振动的振幅都相等。因此，自然光可以看成由两个振动方向相互垂因此，自然光可以看成由两个振动方向相互垂直，振幅相等，直，振幅相等，互不相干线偏振光的叠加。互不相干线偏振光的叠加。y yx x部部分分偏偏振振光光：某某一一方方向向的的光光振振动

19、动比比与与之之相相垂垂直直的另一方向的光振动占优势。的另一方向的光振动占优势。y yx x线偏振光：线偏振光：某一光束只含有一个方向的光振动。某一光束只含有一个方向的光振动。振动面：振动面：光振动方向与传播方向所确定的那平面，光振动方向与传播方向所确定的那平面，又可称之为又可称之为平面偏振光平面偏振光。振动面振动面u u右旋椭圆偏振光右旋椭圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光1.1.偏振光的产生偏振光的产生（1 1）布儒斯特定律）布儒斯特定律 D.Brewster Law二二 偏振光的产生和检验偏振光的产生和检验（2 2）双折射现象）双折射现象 Double refraction各

20、向异性媒质：在其中传播的光，沿不同方向速各向异性媒质：在其中传播的光，沿不同方向速度不同。度不同。石英、方解石、水晶、玉石石英、方解石、水晶、玉石e e o o双双双双折折折折射射射射现现现现象象象象遵守遵守 寻常光寻常光（o o）n no不遵守不遵守特别光（特别光（e e）ne ne留意：寻常、特别指光在折射时留意：寻常、特别指光在折射时 是否遵守折射是否遵守折射定律，定律，o o光、光、e e光也只在晶体内部才有意义。光也只在晶体内部才有意义。v vo o主速度、主折射率主速度、主折射率沿光轴方向沿光轴方向e e、o o光速度相同光速度相同负负晶晶体体正正晶晶体体v ve e 称晶体的称晶

21、体的e e光主光主速度速度，相应的折射率，相应的折射率n ne e=c/=c/v ve e 称晶体的称晶体的e e光光主折射率主折射率.v ve ev ve ev vo o晶体对晶体对o o 光和光和e e 光的吸取有很大差异。光的吸取有很大差异。电气石电气石Z Z1mm1mm厚厚的的电电气气石石可可将将O O光光吸吸取取净净，e e光光却却有有剩剩余余可制成偏振片。可制成偏振片。（3 3）二向色性晶体）二向色性晶体（4 4）散射偏振）散射偏振2.2.偏振光的检验偏振光的检验 用偏振片检验用偏振片检验起偏器起偏器检偏器检偏器一般状况下一般状况下 I =I =？马吕斯定律马吕斯定律 MaLus LawMaLus LawI I0 0E E 1 1=E=E0 0coscos PI IE E 2 2=E=E0 0sinsin 你能说明为什么吗？你能说明为什么吗？