第11章-波动光学课件.ppt

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1、 教学基本要求教学基本要求教学基本要求教学基本要求1.理解理解相干光的条件及获得相干光的方法相干光的条件及获得相干光的方法.2.2.掌握掌握双缝干涉的有关计算双缝干涉的有关计算,掌握掌握光程的概念以及光程差光程的概念以及光程差和相位差的关系，理解在什么情况下的反射光有相位跃变和相位差的关系，理解在什么情况下的反射光有相位跃变.能理解能理解薄膜干涉的原理薄膜干涉的原理.3.了解了解惠更斯菲涅耳原理及它对光的衍射现象的定性解释惠更斯菲涅耳原理及它对光的衍射现象的定性解释.4.理解理解用波带法来分析单缝的夫琅禾费衍射条纹分布规律的用波带法来分析单缝的夫琅禾费衍射条纹分布规律的方法，会分析缝宽及波长对

2、衍射条纹分布的影响方法，会分析缝宽及波长对衍射条纹分布的影响.5.了解圆孔了解圆孔衍射及其对光学仪器分辨率的影响衍射及其对光学仪器分辨率的影响.6.理解理解光栅衍射公式光栅衍射公式,会确定光栅衍射谱线的位置会确定光栅衍射谱线的位置.7、理解、理解自然光与偏振光的区别，自然光与偏振光的区别，掌握掌握布儒斯特定律和马吕斯布儒斯特定律和马吕斯定律定律.第第11章章 波动光学波动光学作业：作业：1,2,4,6,14,16,17,20,2111.0 概述概述 光给人以视觉，人类主要是通过光从物质世界获光给人以视觉，人类主要是通过光从物质世界获得信息，进而认识物质世界的。人类对光现象、光的得信息，进而认识

3、物质世界的。人类对光现象、光的传播规律、光的本性及光与物质的相互作用的研究已传播规律、光的本性及光与物质的相互作用的研究已有三千多年的历史，已经形成了完整的学科，成为物有三千多年的历史，已经形成了完整的学科，成为物理学中一个重要部分。理学中一个重要部分。光学分为光学分为几何光学几何光学、波动光学波动光学和和量子光学量子光学三部分三部分.几何光学几何光学以光的直线传播为基础，研究光的反射、折以光的直线传播为基础，研究光的反射、折射传播规律及成像问题，是设计光学仪器的主要依据；射传播规律及成像问题，是设计光学仪器的主要依据；波动光学波动光学主要研究光的干涉、衍射和偏振等光的波动主要研究光的干涉、衍

4、射和偏振等光的波动性质和规律，以及在生产实际中的应用；性质和规律，以及在生产实际中的应用；量子光学量子光学则则是以量子理论为基础，将光作为一种能量子，从微观是以量子理论为基础，将光作为一种能量子，从微观过程研究光与物质相互作用的规律过程研究光与物质相互作用的规律.光本质的认识过程1.1.微粒说与波动说之争微粒说与波动说之争牛 顿 惠更斯1850年5月6日，Foucault的实验证明电磁波电磁波(真空真空)波粒二象性波粒二象性电磁波电磁波(以太以太)机械波机械波 微粒微粒 波动波动 20世纪初 1860年 19世纪 17世纪2.2.过程过程可见光的范围可见光的范围 波动光学中，认为光是一种波动光

5、学中，认为光是一种电磁波，电磁波，是是电场和磁场电场和磁场在空间在空间的传播。的传播。由于引起人眼视觉和底片感光上起主要作用的是电场由于引起人眼视觉和底片感光上起主要作用的是电场矢量，所以用矢量，所以用 矢量表示矢量表示光矢量光矢量.紫紫外外红红外外760nm400nm紫外光紫外光X光光光光红外光红外光微波微波可见光可见光11.1 的相干光的相干光11.1.1 光的波动学说光的波动学说光的强度光的强度 取适当系数时取适当系数时11.1.2 普通光源发光的微观机制普通光源发光的微观机制1.光源光源(1)波的干涉现象波的干涉现象-两列波在同一媒质中传播时，有些两列波在同一媒质中传播时，有些地方的地

6、方的振动始终得到加强振动始终得到加强，有些地方的，有些地方的振动始终得到减振动始终得到减弱弱.干涉现象干涉现象是波动过程的基本特征之一，是波动过程的基本特征之一，光波的干涉现象光波的干涉现象应该是两束光波照在同一空间时，有些地方的光强变得应该是两束光波照在同一空间时，有些地方的光强变得更强，有些地方的光强变得很弱，形成更强，有些地方的光强变得很弱，形成明暗相间明暗相间的条纹的条纹.在日常生活中容易观察到在日常生活中容易观察到机械波的干涉现象机械波的干涉现象：如将：如将两个频率相同的音叉同时振动，就可以听到有些地方的两个频率相同的音叉同时振动，就可以听到有些地方的声音始终很强，有些地方的声音始终

7、很弱；又如，在一声音始终很强，有些地方的声音始终很弱；又如，在一块平板上安放两个钉子，当钉子以一定的频率撞击平静块平板上安放两个钉子，当钉子以一定的频率撞击平静的水面时，就可以看到水波在有些地波浪始终很高，有的水面时，就可以看到水波在有些地波浪始终很高，有些地方波浪始终很低。些地方波浪始终很低。但对于光波，却不太容易观察到干涉现象但对于光波，却不太容易观察到干涉现象.如在房如在房间里同时点亮间里同时点亮两个完全相同的灯泡两个完全相同的灯泡，在它们发出的光，在它们发出的光能照到的区域，能照到的区域，绝不会绝不会观察到有些地方光强加强变得观察到有些地方光强加强变得特亮，而有些地方变得比只点亮一个灯

8、泡时更暗。即特亮，而有些地方变得比只点亮一个灯泡时更暗。即使用两个频率相同的单色光源使用两个频率相同的单色光源(如钠光灯如钠光灯)，情况也是，情况也是如此。如此。(2)相干光相干光(波波)源源-两个光源的两个光源的E矢量振动方向相同、矢量振动方向相同、频率相同、相位相同或相位差恒定，则称它们是相干频率相同、相位相同或相位差恒定，则称它们是相干光源。它们发出的光就是相干光。光源。它们发出的光就是相干光。-振动方向相同、频率相同、相位相同或相位差恒振动方向相同、频率相同、相位相同或相位差恒定，称为相干光源条件。定，称为相干光源条件。以上例子说明，机械波源可以连续地振动，发出以上例子说明，机械波源可

9、以连续地振动，发出连续不断的正弦波，容易满足相干条件。连续不断的正弦波，容易满足相干条件。而两个独立的光源，即使频率相同也不满足相干而两个独立的光源，即使频率相同也不满足相干光源条件。光源条件。P21 普通光源发光普通光源发光特特点点：原子发光是断续：原子发光是断续的，每次发光形成一的，每次发光形成一长度有限的波列长度有限的波列,各各原子各次发光相互独原子各次发光相互独立，各波列互不相干。立，各波列互不相干。(3)普通光源的发光的微观机制普通光源的发光的微观机制原子能级及发光跃迁原子能级及发光跃迁基态基态激激发发态态跃迁跃迁自发辐射自发辐射11.1.3 光波的叠加及其相干性波的叠加及其相干性1

10、.合成波波动表达式2.光强和平均光强的分布规律相干迭加和相干条件1.非相干迭加2.相干迭加3.相干条件两光波在相遇点的光程差不能太大。两光波在相遇点所产生的(2)补充条件：(1)必要条件：频率相同的两光波在相遇点有相光波在相遇点有相同的振向和恒定的位相差。同的振向和恒定的位相差。光振动的振幅相差不太大。11.1.4 获得相干光的方法获得相干光的方法波阵面分割法波阵面分割法*光源光源振幅分割法振幅分割法1.实实 验验 装装 置置11.2 杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉 劳埃德镜劳埃德镜屏幕屏幕双缝双缝缝光源缝光源11.2.1 杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉2.实验装置截面图及实验装置截面图及干涉图样干涉图样

11、AB两束光到达两束光到达A点点的波程差为的波程差为AB3.条纹位置条纹位置 减弱减弱加强加强明纹明纹暗纹暗纹 以以O点为轴，明暗条纹上下对称分布。相邻两点为轴，明暗条纹上下对称分布。相邻两条明条明(暗暗)条纹的间距为条纹的间距为 一般的，d在mm数量级，D在m数量级。例例1 在杨氏实验中，两缝相距在杨氏实验中，两缝相距0.3mm，要使波长要使波长为为600nm的光通过后在屏上产生间距为的光通过后在屏上产生间距为1mm的干涉条的干涉条纹，问屏距缝应有多远？纹，问屏距缝应有多远？解：解：所以，屏到缝的距离为所以，屏到缝的距离为 例例3 以单色光照射到相距为以单色光照射到相距为0.2mm的双缝上的双

12、缝上,双缝与双缝与屏幕的垂直距离为屏幕的垂直距离为1m.(1)从第一级明从第一级明 纹纹 到同侧到同侧 的第四级明的第四级明 纹的距离为纹的距离为7.5mm,求单色光的波长求单色光的波长;(2)若入射光的波长为若入射光的波长为600nm,求相邻两明纹间的距离求相邻两明纹间的距离.解解 （1）（2）一定时，若一定时，若 变化，则变化，则 将怎样变化？将怎样变化？1）4.对对 的讨论的讨论2）条纹间距条纹间距 与与 的关系如何？的关系如何？一定时，一定时，5.双缝干涉光强分布双缝干涉光强分布合光强合光强干涉项干涉项若若其中其中则则光光 强强 分分 布布 图图紫光紫光光强分布图光强分布图波波长长不不

13、同同条条纹纹间间距距不不同同红光红光光强分布图光强分布图11.2.2 劳埃德镜劳埃德镜 半波损失半波损失：光从光速较大的介质射向光速较小的：光从光速较大的介质射向光速较小的介质时反射光的相位较之入射光的相位跃变了介质时反射光的相位较之入射光的相位跃变了 ，相当于反射光与入射光之间附加了半个波长的波程差，相当于反射光与入射光之间附加了半个波长的波程差，称为半波损失称为半波损失.屏幕屏幕N屏幕屏幕(a)(b)11.3.1 光程光程光在真空中的速度光在真空中的速度光在介质中的速度光在介质中的速度真空中的波长真空中的波长介质的折射率介质的折射率介质中的波长介质中的波长*P*11.3 光程 薄膜干涉光在

14、真空中传播光在真空中传播 几何几何路程，其相位变化为路程，其相位变化为*P*介质中的波长介质中的波长光在介质中传播光在介质中传播 几何路程，其相位变化为几何路程，其相位变化为 这就是说这就是说：光在介质：光在介质(n)中通过中通过 的几何路程的几何路程 产产生的相位变化与光在真空中通过的生的相位变化与光在真空中通过的 几何路程产生几何路程产生的相位变化相等的相位变化相等.物理意义物理意义：光程就是光在介质中通过的几何路：光程就是光在介质中通过的几何路程程,按波数相等折合到真空中的路程按波数相等折合到真空中的路程.*P*光程光程:介质折射率与光介质折射率与光的几何路程之积的几何路程之积=到点到点

15、P的光程为的光程为 到点到点P的光程为的光程为1.光程光程不同的介质，则若光通过800nm1000nm1200nm2.光程差光程差(两光程之差两光程之差)光程差光程差*P*干涉干涉加强加强3.相位差相位差 干涉干涉减弱减弱例例3 如图如图21-10所示，当用一厚度为所示，当用一厚度为 、折、折射率为射率为 的云母片覆盖在杨氏双缝干涉实验中的一条的云母片覆盖在杨氏双缝干涉实验中的一条缝上时，屏上的零级明条纹移到了原来的（未覆盖云母片时）缝上时，屏上的零级明条纹移到了原来的（未覆盖云母片时）第第7级明条纹所在处，求入射光的波长级明条纹所在处，求入射光的波长.解：解：设入射光的波长为设入射光的波长为

16、 ，未覆盖云，未覆盖云母片时第母片时第7级明条纹在屏上级明条纹在屏上 点，则两点，则两缝到缝到 点的光程差为点的光程差为 覆盖云母片后，两缝到覆盖云母片后，两缝到 点的光程差点的光程差为为即即 由由、两式有两式有代入数据得代入数据得 11.3.2 薄透镜不产生附加光程差薄透镜 光心 主光轴主焦点 焦平面透镜可改变光线传播方向在光路中放入薄透镜不会引起附加光程差(a)(b)(c)各反射光线与各反射光线与入入射光线的相射光线的相对光强对光强相对光强相对光强 (3)(2)(1)反射光线反射光线相干性分析DC34A1B20.040.0370.000060.92160.00151.0011.3.3 薄膜

17、干涉薄膜干涉PL光程差的计算光程差的计算DC34E5A1B2 透透射光的光程差射光的光程差 注意：注意：透射光和反透射光和反射光干涉具有互射光干涉具有互 补补 性性，符合能量守恒定律符合能量守恒定律.根据根据具体具体情况情况而定而定PLDC34E5A1B2 反射光的光程差反射光的光程差加加 强强减减 弱弱(a)(b)透镜透镜观察屏观察屏半透半反射镜半透半反射镜薄膜薄膜等倾干涉等倾干涉SLM观察屏观察屏薄膜薄膜等倾等倾干涉条纹的实验装置干涉条纹的实验装置 条纹特点条纹特点 形状：形状：同心圆环同心圆环条纹间隔分布条纹间隔分布：内疏外密内疏外密条纹级次分布：条纹级次分布：d一定时，一定时，膜厚变化

18、时膜厚变化时，条纹的移动：条纹的移动：波长对条纹的影响：波长对条纹的影响：k一定时，一定时，k，d一定时，一定时，中央级次高，边缘级次低中央级次高，边缘级次低条纹由中央冒出条纹由中央冒出当平行光线垂直入射时当平行光线垂直入射时 当当 时时11.3.4 等厚干涉C3A12C3A12很小很小当当 时时当当 时时解解 (1)例例 一油轮漏出的油一油轮漏出的油(折射率折射率 =1.20)污染了某污染了某海域海域,在海水在海水(=1.30)表面形成一层薄薄的油污表面形成一层薄薄的油污.(1)如果太阳正位于海域上空如果太阳正位于海域上空,一直升飞机的驾一直升飞机的驾驶员从机上向下观察驶员从机上向下观察,他

19、所正对的油层厚度为他所正对的油层厚度为460nm,则他将观察到油层呈什么颜色则他将观察到油层呈什么颜色?(2)如果一潜水员潜入该区域水下如果一潜水员潜入该区域水下,又将看到又将看到油层呈什么颜色油层呈什么颜色?绿色绿色(2)透射光的光程差透射光的光程差红光红光紫光紫光紫紫红红色色1.增透膜和增反膜增透膜和增反膜利用薄膜干涉可以提高光学器件的透光率利用薄膜干涉可以提高光学器件的透光率.取取（增强增强）氟化镁为增透膜氟化镁为增透膜例例 为了增加透射率为了增加透射率,求求 氟化镁膜的最小厚度氟化镁膜的最小厚度.已知已知 空气空气,氟化镁氟化镁 ,减弱减弱解解 则则23玻璃玻璃nn12.劈尖 明纹明纹

20、暗纹暗纹k与d有一一对应关系SM劈尖角劈尖角（明纹）（明纹）（暗纹）（暗纹）讨论讨论 1）劈尖）劈尖为暗纹为暗纹.明纹明纹暗纹暗纹3）条纹间距（明纹或暗纹）条纹间距（明纹或暗纹）2）相邻明纹（暗纹）间的厚度差）相邻明纹（暗纹）间的厚度差劈尖干涉劈尖干涉 4）干涉条纹的移动）干涉条纹的移动 每一条每一条纹对应劈尖纹对应劈尖内的一个厚内的一个厚度，当此厚度，当此厚度位置改变度位置改变时，对应的时，对应的条纹随之移条纹随之移动动.例例 1-5 有一玻璃劈尖有一玻璃劈尖 ,放在空气中放在空气中 ,劈尖劈尖夹角夹角 ,用波长用波长 的单色光垂直的单色光垂直入射时入射时,测得干涉条纹的宽度测得干涉条纹的宽

21、度 ,求求 这这玻璃的玻璃的 折射率折射率.解解2）测膜厚）测膜厚1）干涉膨胀仪）干涉膨胀仪 劈尖干涉的应用劈尖干涉的应用劈尖干涉的应用劈尖干涉的应用 3）检验光学元件表面的平整度）检验光学元件表面的平整度4）测细丝的直径）测细丝的直径空气空气 3.牛顿环(1)(1)干涉条件干涉条件同劈尖同劈尖=1 (2)(2)牛顿环实验装置和干涉图样牛顿环实验装置和干涉图样牛顿环实验装置和干涉图样牛顿环实验装置和干涉图样牛顿环干涉图样牛顿环干涉图样显微镜显微镜SL M半透半透半反镜半反镜TR光程差光程差明纹明纹暗纹暗纹rd暗环半径暗环半径明环半径明环半径(3)明明(暗暗)环半径环半径 4）应用例子）应用例子

22、:可以用来测可以用来测量光波波长，用于检测透镜质量光波波长，用于检测透镜质量，曲率半径等量，曲率半径等.1）从反射光中观测，中心点是暗点还是亮点？）从反射光中观测，中心点是暗点还是亮点？从透射光中观测，中心点是暗点还是亮点？从透射光中观测，中心点是暗点还是亮点？2）属于等厚干涉，条纹间距不等，为什么？）属于等厚干涉，条纹间距不等，为什么？3）将牛顿环置于）将牛顿环置于 的液体中，条纹如何变？的液体中，条纹如何变？工工工工 件件件件标标标标 准准准准 件件件件暗环半径暗环半径明环半径明环半径讨讨论论 测量透镜的曲率半径测量透镜的曲率半径 例例6 用氦氖激光器发出的波长为用氦氖激光器发出的波长为6

23、33nm的单色光做的单色光做牛顿环实验，测得第个牛顿环实验，测得第个 k 暗环的半径为暗环的半径为5.63mm,第第 k+5 暗环的半径为暗环的半径为7.96mm，求平凸透镜的曲率半径求平凸透镜的曲率半径R.解解1.干涉仪的装置11.5 迈克尔孙干涉仪迈克耳孙干涉仪实物迈克耳孙干涉仪实物迈克耳孙干涉仪实验装置迈克耳孙干涉仪实验装置单单色色光光源源反反射射镜镜反射镜反射镜与与 成成 角角补偿板补偿板 分光板分光板 移动导轨移动导轨反射镜反射镜反反射射镜镜单单色色光光源源光程差光程差 的像的像此时为等倾干涉此时为等倾干涉2.原原理理当当 不垂直于不垂直于 时，可形成劈尖时，可形成劈尖型等厚干涉条纹

24、型等厚干涉条纹.反反射射镜镜反射镜反射镜单单色色光光源源移动移动 时条纹移动时条纹移动干涉干涉条纹条纹移动移动数目数目 3.迈克尔孙干涉仪的主要特性迈克尔孙干涉仪的主要特性 两相干光束在空间完全分开，并可用移动反射镜两相干光束在空间完全分开，并可用移动反射镜或在光路中加入介质片的方法改变两光束的光程差或在光路中加入介质片的方法改变两光束的光程差.移移动动距距离离移动反射镜移动反射镜插入介质片后光程差插入介质片后光程差光程差变化光程差变化干涉条纹移动数目干涉条纹移动数目介质片厚度介质片厚度光程差光程差 干涉条纹的移动干涉条纹的移动 当当 与与 之间之间距离变大时距离变大时，圆形干涉，圆形干涉条纹

25、从中心一个个长出条纹从中心一个个长出,并向外扩张并向外扩张,干涉条纹干涉条纹变密变密;距离变小时，圆距离变小时，圆形干涉条纹一个个向中形干涉条纹一个个向中心缩进心缩进,干涉条纹变稀干涉条纹变稀.长的玻璃管，其中一个抽成真空，长的玻璃管，其中一个抽成真空，另另一个则储有压强为一个则储有压强为 的空气的空气,用以测用以测量空气的折射率量空气的折射率 .设所用光波波长为设所用光波波长为546nm，实实验时，向真空玻璃管中逐渐充入空气验时，向真空玻璃管中逐渐充入空气 ，直至压强，直至压强达到达到 为止为止.在此过程中在此过程中，观察到，观察到107.2条干涉条纹的移动，试求空气的折射率条干涉条纹的移动，试求空气的折射率 .例例7 在迈克耳孙干涉仪的两臂中，分别插入在迈克耳孙干涉仪的两臂中，分别插入解解