物理学光的波动性幻灯片.ppt

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1、Physics Dept.C.P.U.Physics Dept.C.P.U.物理学光的波动性课件第1页，共79页，编辑于2022年，星期一光的波动性光的波动性第2页，共79页，编辑于2022年，星期一光是人类以及各种生物生活中不可或缺的要素。光是人类以及各种生物生活中不可或缺的要素。牛顿：牛顿：光是由光是由“光微粒光微粒”组成的，是一种机械观；组成的，是一种机械观；惠更斯、托马斯惠更斯、托马斯杨、菲涅耳：杨、菲涅耳：光是介质中传播的波；光是介质中传播的波；能发生干涉、衍射。能发生干涉、衍射。麦克斯韦的电磁理论：麦克斯韦的电磁理论：光是一种电磁波。光是一种电磁波。光是什么？光是什么？光电效应光电

2、效应 康普顿散射：康普顿散射：光具有粒子性，这种粒子称做光具有粒子性，这种粒子称做“光量子光量子”，德布罗意：德布罗意：所有物质都具有波粒二象性。所有物质都具有波粒二象性。光的两种互补性质光的两种互补性质：在传播过程中显示波动性，与其：在传播过程中显示波动性，与其他物质相互作用时显示粒子性。他物质相互作用时显示粒子性。第3页，共79页，编辑于2022年，星期一主主 要要 内内 容容1、光的干涉、光的干涉 光的相干性光的相干性 杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉 薄膜干涉薄膜干涉 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪2、光的衍射、光的衍射 惠更斯惠更斯 菲涅耳原理菲涅耳原理 单缝衍射单缝衍射 衍射光栅衍射光栅 光

3、学仪器的分辩本领光学仪器的分辩本领 X 射线衍射射线衍射3、光的偏振、光的偏振 自然光和偏振光自然光和偏振光 双折射双折射 第4页，共79页，编辑于2022年，星期一光源光源(light source)可见光可见光(visible light)：能引起人的视觉的：能引起人的视觉的电磁波电磁波，真空中的，真空中的波长波长 400 nm 760 nm。第一章第一章 光的干涉光的干涉一、光的相干性第5页，共79页，编辑于2022年，星期一热光源：处于热激发态的原子的自发辐射光源的分类光源的分类不同光源的发光机理不同不同光源的发光机理不同热光源：利用热能激发。如太阳、白炽灯冷光源：利用化学能、电能或光

4、能激发。如磷光、辉光普通光源激光光源光源第6页，共79页，编辑于2022年，星期一-13.6 e V-3.4 e V-1.5 e V例子：氢原子的发光模型例子：氢原子的发光模型光波列光波列 在热激发下原子跃迁至在热激发下原子跃迁至高能级激发态，由于激高能级激发态，由于激发态不稳定发态不稳定，从高能级从高能级跃迁跃迁至低能级，发跃迁跃迁至低能级，发出光波列。跃迁过程的出光波列。跃迁过程的持续时间约为持续时间约为 10-8 s。热光源发光机理：能级间的跃迁热光源发光机理：能级间的跃迁各原子或同一原子，每次发出的波列，其频率和振动方向各原子或同一原子，每次发出的波列，其频率和振动方向可能不同，每次何

5、时发光不确定。可能不同，每次何时发光不确定。原子发光具有独立性原子发光具有独立性来自两个光源或同一光源两部分的光，不满足相干条件，来自两个光源或同一光源两部分的光，不满足相干条件，叠加时在空间不能产生稳定的干涉现象。叠加时在空间不能产生稳定的干涉现象。第7页，共79页，编辑于2022年，星期一两束光发生两束光发生干涉（干涉（interference）的条件：的条件：具有相同的频率、振动方向相同、有固定的相位关系。具有相同的频率、振动方向相同、有固定的相位关系。单色光：单色光：具有单一频率（波长）的光。实际的单色光具有单一频率（波长）的光。实际的单色光都有一定的谱线宽度。光的单色性越好，相干长度

6、都有一定的谱线宽度。光的单色性越好，相干长度（coherent length）越长。）越长。获得相干光的方法获得相干光的方法用单色性好的点光源，把光线分成两部分，然后再叠加。（取自用单色性好的点光源，把光线分成两部分，然后再叠加。（取自同一原子的同一次发光）同一原子的同一次发光）pS*分波阵面法分波阵面法p薄膜薄膜S S*分振幅法分振幅法第8页，共79页，编辑于2022年，星期一二、杨氏双缝实验 (Two-slit interference)1801年，英国人托马斯年，英国人托马斯 杨（杨（T.Young）成功地做了一个具）成功地做了一个具有判别意义的、关于光的性质的关键性实验。在观察屏上有明

7、暗有判别意义的、关于光的性质的关键性实验。在观察屏上有明暗相间的等间距条纹，这只能用光是一种波来解释。杨还由此实验相间的等间距条纹，这只能用光是一种波来解释。杨还由此实验测出了光的波长。测出了光的波长。第9页，共79页，编辑于2022年，星期一 双缝干涉的干涉条纹双缝干涉的干涉条纹r2r1 xPSs1s2DdoS1 和和 S2 是同相波源。是同相波源。实验实验中，双缝和屏间距中，双缝和屏间距D一般一般 约约 1 m，而，而 双缝间距双缝间距d 约约 10-4 m。两条光路的两条光路的波程差波程差：根据干涉原理，波程差决定了干涉的强弱效果：根据干涉原理，波程差决定了干涉的强弱效果：波程差为波程差

8、为波长波长的整数倍时，干涉极大；的整数倍时，干涉极大；波程差为波程差为半波长半波长的奇数倍时，干涉极小。的奇数倍时，干涉极小。第10页，共79页，编辑于2022年，星期一干涉的明暗条纹干涉的明暗条纹0 级明纹级明纹1 级明纹级明纹2 级明纹级明纹1 级明纹级明纹2 级明纹级明纹1 级暗纹级暗纹2 级暗纹级暗纹1 级暗纹级暗纹2 级暗纹级暗纹当当 时，干涉极大，时，干涉极大，即：即：，k=0,1,2,，处为明条纹。处为明条纹。当当 时，干涉极小，时，干涉极小，即：即：，k=1,2,，处为暗条纹。处为暗条纹。相邻两明纹或暗纹间的距离相邻两明纹或暗纹间的距离所指明纹或暗纹间的位置是指明所指明纹或暗纹

9、间的位置是指明条纹或暗条纹的中心位置。条纹或暗条纹的中心位置。第11页，共79页，编辑于2022年，星期一 波长变化对干涉条纹的影响波长变化对干涉条纹的影响条纹间距与波长成正比第12页，共79页，编辑于2022年，星期一 双缝间距变化对干涉条纹的影响双缝间距变化对干涉条纹的影响条纹间距与缝间距成反比第13页，共79页，编辑于2022年，星期一干涉项干涉项屏上干涉条纹的光强分布屏上干涉条纹的光强分布xoI4I11、双双缝缝干干涉涉形形成成等等间间距距的的明明暗暗条条纹纹。双双缝缝间间距距 d 愈愈小小，干干涉涉条条纹纹间间距距x 愈愈大大，干干涉涉愈愈明明显显。d大大到到一一定定程程度度，条条纹

10、纹间间距距小于小于0.1 mm时，肉眼观察不到干涉现象。时，肉眼观察不到干涉现象。2、愈愈大大，则则条条纹纹间间距距大大；复复色色光光源源做做实实验验时时，红红光光在在外外，紫光在内。紫光在内。3、要使条纹分得开，还需要、要使条纹分得开，还需要D大。大。第14页，共79页，编辑于2022年，星期一MN三、劳埃德镜实验劳埃德镜劳埃德镜ABS1S2劳劳埃埃德德（H.Lloyd）镜镜：当当经经平平面面镜镜反反射射的的光光线线，与与直直接接射射到到屏屏幕幕上上的的光光相相遇遇，发发生生干干涉涉，出出现现干涉条纹。干涉条纹。当将屏幕移近到镜当将屏幕移近到镜面的一端时，发现接触处出现的是面的一端时，发现接

11、触处出现的是暗条纹暗条纹！这一实验事实说明，！这一实验事实说明，从镜面反射的光，从镜面反射的光，发生了发生了 的相位突变的相位突变！半波损失：光从光疏介质到光密介质表面反射时，半波损失：光从光疏介质到光密介质表面反射时，反射光有半个波长的附加波程差反射光有半个波长的附加波程差。第15页，共79页，编辑于2022年，星期一双面镜SS1S2d2MABDRdLDPSS1S2MNAB双棱镜其他一些干涉装置其他一些干涉装置第16页，共79页，编辑于2022年，星期一四、光程（Optical path）和光程差光在不同介质中传播时，光在不同介质中传播时，频率不变而波长改变频率不变而波长改变。在真空中波长。

12、在真空中波长，到折射率为，到折射率为n的介质中变为的介质中变为：光在介质中传播时，经过几何路程光在介质中传播时，经过几何路程 r 的相位差：的相位差：光程光程=nr光程：光在介质中经过的几何路径光程：光在介质中经过的几何路径r与与该介质的折射率该介质的折射率n的乘积的乘积ndr2r1两束相干光的两束相干光的光程差为半波长的偶数倍光程差为半波长的偶数倍时，干涉加时，干涉加强（相长），强（相长），光程差为半波长的奇数倍光程差为半波长的奇数倍时，干涉减时，干涉减弱（相消）。弱（相消）。第17页，共79页，编辑于2022年，星期一AB透镜：改变光路而不增加光程差透镜：改变光路而不增加光程差AB焦平面焦

13、平面第18页，共79页，编辑于2022年，星期一五、薄膜干涉(Interference in thin film)薄膜干涉：薄膜干涉：在扩展光源在扩展光源太阳或宽广光源的自然光的照射太阳或宽广光源的自然光的照射下，油膜等薄膜表面会出现彩色的干涉图样。薄膜干涉是利下，油膜等薄膜表面会出现彩色的干涉图样。薄膜干涉是利用分振幅法获得相干光的。用分振幅法获得相干光的。LPDC34E5A1B2发生干涉的两条发生干涉的两条2、3光线光线的光程差为：的光程差为：计算得光程差：计算得光程差：半波损失第19页，共79页，编辑于2022年，星期一in1n2en1等倾干涉环等倾干涉环薄膜干涉反射光的光程差：薄膜干涉

14、反射光的光程差：光程差决定于倾角光程差决定于倾角i，焦平面上同一干涉条纹（亮或暗）对应，焦平面上同一干涉条纹（亮或暗）对应相同的入射角。相同的入射角。等倾干涉等倾干涉(equal inclination interference)第20页，共79页，编辑于2022年，星期一明暗条纹的光程差条件分别为：明暗条纹的光程差条件分别为：在等倾干涉条纹中：i k，越往内k值越大，i=0对应中央条纹，因此 中央条纹级次最大透射光的光程差透射光的光程差PLDC34E5A1B2透射光和反射光的干涉条透射光和反射光的干涉条纹具有互补性纹具有互补性。第21页，共79页，编辑于2022年，星期一当光线垂直入射薄膜当

15、光线垂直入射薄膜 当当 时：时：第22页，共79页，编辑于2022年，星期一一、一、劈尖干涉劈尖干涉夹角很小的两个平面所构成的薄膜夹角很小的两个平面所构成的薄膜空气劈尖空气劈尖平行单色光平行单色光垂直照射垂直照射空气劈尖上，上、下表面的反空气劈尖上，上、下表面的反射光将产生干涉。射光将产生干涉。等厚干涉等厚干涉(equal thickness interference)第23页，共79页，编辑于2022年，星期一n入射光垂直入射入射光垂直入射，厚度为，厚度为e 处处两条相干光线的光程两条相干光线的光程差：差：e干涉条件（空气劈尖）干涉条件（空气劈尖）劈尖上厚度相同的地方，两相干光的光程差相同，

16、对应劈尖上厚度相同的地方，两相干光的光程差相同，对应一定一定k值的明或暗条纹值的明或暗条纹等厚干涉等厚干涉第24页，共79页，编辑于2022年，星期一出现暗条纹出现暗条纹有有“半波损失半波损失”相邻两条纹对应的厚度差：相邻两条纹对应的厚度差：棱边处棱边处光程差决定于厚度，同一干涉条纹对应的厚度相同，故称光程差决定于厚度，同一干涉条纹对应的厚度相同，故称等厚条纹等厚条纹。等厚条纹是一些与棱边平行的明暗相间的直条纹。等厚条纹是一些与棱边平行的明暗相间的直条纹。在棱边处形成暗条纹。在棱边处形成暗条纹。第25页，共79页，编辑于2022年，星期一空气劈尖任意相邻明条纹对应的厚空气劈尖任意相邻明条纹对应

17、的厚度差：度差：任意相邻明条纹任意相邻明条纹(或暗条纹或暗条纹)之间的距离之间的距离 l 为：为：在入射单色光一定时，劈尖的楔角在入射单色光一定时，劈尖的楔角 愈小，则愈小，则l愈大，干愈大，干涉条纹愈疏；涉条纹愈疏；愈大，则愈大，则l愈小，干涉条纹愈密。愈小，干涉条纹愈密。当用白光照射时，将看到由劈尖边缘逐渐分开的彩色直当用白光照射时，将看到由劈尖边缘逐渐分开的彩色直条纹。条纹。第26页，共79页，编辑于2022年，星期一劈尖干涉条纹的移动劈尖干涉条纹的移动倾角增大，则条纹宽度减小；倾角增大，则条纹宽度减小；向上平移，倾角不变，厚度增加，则条纹宽度不变，向上平移，倾角不变，厚度增加，则条纹宽

18、度不变，条纹级次增大，所条纹级次增大，所以条纹向劈尖处移动。以条纹向劈尖处移动。条纹间距条纹间距第27页，共79页，编辑于2022年，星期一测微小厚度测微小厚度干涉膨胀仪干涉膨胀仪劈尖干涉的应用劈尖干涉的应用第28页，共79页，编辑于2022年，星期一牛顿环实验装置牛顿环实验装置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T第29页，共79页，编辑于2022年，星期一牛顿环的条纹牛顿环的条纹Rre中央为暗斑（中央为暗斑（k=0）的内）的内疏外密的明暗相间的同疏外密的明暗相间的同心圆环。心圆环。即：即：。因此因此暗环暗环半径：半径：测透镜半径测透镜半径第30页，共79页，

19、编辑于2022年，星期一六、迈克耳孙干涉仪(The Michelson interferometer)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 移动导轨移动导轨第31页，共79页，编辑于2022年，星期一反反射射镜镜反射镜反射镜单单色色光光源源光程差光程差 的像的像第32页，共79页，编辑于2022年，星期一两相干光束在空间完全分开，并可用移动反射镜或在光路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。中加入介质片的方法改变两光束的光程差。例如例如M1移动移动 d时，屏上干涉条纹移动（冒出或埋进）数目为时，屏上

20、干涉条纹移动（冒出或埋进）数目为N：由此迈克尔逊干涉由此迈克尔逊干涉仪可用于测长度、仪可用于测长度、测折射率。测折射率。当两镜面相互严格垂当两镜面相互严格垂直时等效于平行平面间直时等效于平行平面间空气膜的等倾干涉；空气膜的等倾干涉；当镜面有夹角时等效于空气劈尖的等厚干涉当镜面有夹角时等效于空气劈尖的等厚干涉第33页，共79页，编辑于2022年，星期一迈克耳孙迈克耳孙 莫雷实验（莫雷实验（1881年）关于年）关于寻找寻找“以太以太”的否定结果，是相对论的的否定结果，是相对论的实验基础之一。实验基础之一。迈克耳孙干涉仪和以它为原型发迈克耳孙干涉仪和以它为原型发展起来的多种干涉仪有广泛的用展起来的多

21、种干涉仪有广泛的用途，如可精密测量长度、折射率途，如可精密测量长度、折射率、光谱线的波长和精细结构等。、光谱线的波长和精细结构等。美国科学家迈克耳孙因发明干涉美国科学家迈克耳孙因发明干涉仪和对计量学的研究而获得了仪和对计量学的研究而获得了1907年的诺贝尔物理奖。年的诺贝尔物理奖。1907年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖1892年，用迈克耳孙干涉仪测量了巴黎计量局的标准米尺的长度，年，用迈克耳孙干涉仪测量了巴黎计量局的标准米尺的长度，相当于相当于1553163.5个镉红光波长个镉红光波长第34页，共79页，编辑于2022年，星期一第二章第二章 光的衍射光的衍射一、惠更斯 菲涅耳原理1、光的衍射现象

22、、光的衍射现象当光遇到的障碍物尺寸足够小时，当光遇到的障碍物尺寸足够小时，发现屏上得不到这些物体清晰的发现屏上得不到这些物体清晰的几何投影，而是有光进入阴影区几何投影，而是有光进入阴影区内，产生内，产生光的衍射现象光的衍射现象。针和线的衍射条纹针和线的衍射条纹不同大小的圆孔的衍射条纹不同大小的圆孔的衍射条纹方孔衍射方孔衍射网格衍射网格衍射第35页，共79页，编辑于2022年，星期一光能绕过障碍物的边缘传播光能绕过障碍物的边缘传播圆孔衍射：圆孔衍射：单缝衍射：单缝衍射：*第36页，共79页，编辑于2022年，星期一衍射分类衍射分类按照光源、衍射屏和接收屏的相对位置按照光源、衍射屏和接收屏的相对位

23、置夫琅禾费衍射夫琅禾费衍射光源与接收屏距衍射屏均为无限远光源与接收屏距衍射屏均为无限远缝缝在在实实验验中中实实现现夫夫琅琅禾禾费费衍衍射射菲涅耳衍射菲涅耳衍射缝缝光源和（或）接收屏距衍射屏有限远光源和（或）接收屏距衍射屏有限远2、惠更斯、惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理第37页，共79页，编辑于2022年，星期一惠更斯：波阵面上各点都看成是子波波源。惠更斯：波阵面上各点都看成是子波波源。定性解释光的传播方向问题。定性解释光的传播方向问题。惠更斯惠更斯(Christian Huygens,1629-1695)，荷兰数学荷兰数学家、物理学家。发现土星的光环，发明了摆钟，对波动家、物理学家。发现土星的光

24、环，发明了摆钟，对波动理论的发展起了重要作用理论的发展起了重要作用。菲涅耳：从同一波面上各点发出的子波菲涅耳：从同一波面上各点发出的子波，在空间相遇时，也将叠加而产生干涉，在空间相遇时，也将叠加而产生干涉现象。现象。定量解释衍射图样中的强度定量解释衍射图样中的强度分布。分布。菲涅耳菲涅耳(Augustin Jean Fresnel，1788-1827)，法国物理学家、数学家。法国物理学家、数学家。第38页，共79页，编辑于2022年，星期一惠更斯惠更斯菲涅耳原菲涅耳原理理:波在传播过程中，波在传播过程中，从同一波阵面从同一波阵面S上发出的上发出的子波，经传播而在空间子波，经传播而在空间某点相遇

25、时，可相互叠某点相遇时，可相互叠加而产生干涉现象。加而产生干涉现象。图中图中P点的光振动就是由点的光振动就是由S上各点的上各点的ds面元的振动传播到面元的振动传播到P点，并叠加而成。由此点，并叠加而成。由此即可计算出空间各点的光振动。即可计算出空间各点的光振动。第39页，共79页，编辑于2022年，星期一二、单缝衍射(single slit Diffraction)SKL1L2E 单缝衍射夫琅和费实验装置图单缝衍射夫琅和费实验装置图菲涅耳衍射菲涅耳衍射(Fresnel Diffraction)：衍射屏离光源或接收屏为有限距离的衍射。衍射屏离光源或接收屏为有限距离的衍射。夫朗和费衍射夫朗和费衍射

26、(Fraunhofer Diffraction)：衍射屏离光源或接收屏为无限远距离的衍射。衍射屏离光源或接收屏为无限远距离的衍射。第40页，共79页，编辑于2022年，星期一单缝夫朗和费衍射单缝夫朗和费衍射P光源和观察屏都在距离衍射单缝光源和观察屏都在距离衍射单缝“无限远无限远”处。处。平行光垂直入射到缝宽为平行光垂直入射到缝宽为a的单缝上。显然，汇聚到焦平面处的的单缝上。显然，汇聚到焦平面处的屏中心的光线具有相同的光程，因此出现亮条纹。为了讨论在屏中心的光线具有相同的光程，因此出现亮条纹。为了讨论在 任一点任一点P的的光振动合成的明暗情况光振动合成的明暗情况，引入，引入“半波带半波带(hal

27、f wave zone)”的概念的概念.第41页，共79页，编辑于2022年，星期一BA/2a考虑对应衍射角考虑对应衍射角 方向上的出射方向上的出射光，它们将经透镜汇聚到屏上光，它们将经透镜汇聚到屏上P点。现点。现将波阵面将波阵面 AB分成若干个等分成若干个等宽长条带宽长条带，分割原则是：分割原则是：相邻条相邻条带的相应点发出的光到达带的相应点发出的光到达 P 点的点的光程差为半个波长。光程差为半个波长。当然半波带的当然半波带的个数个数与衍射角有关：与衍射角有关：半波带半波带这样分割后相邻半波带的光，合成后为零。这样分割后相邻半波带的光，合成后为零。因此，最因此，最终终P点的明暗取决于这样的半

28、波带的个数！点的明暗取决于这样的半波带的个数！第42页，共79页，编辑于2022年，星期一单缝衍射条纹的明暗条件单缝衍射条纹的明暗条件对奇数个半波带，则可得对奇数个半波带，则可得明条纹明条纹：对偶数个半波带，则可得对偶数个半波带，则可得暗条纹暗条纹：两式中的两式中的 k=1,2,；=0是指是指条纹的中心位置。条纹的中心位置。半波带个数与条纹级数关系示意：半波带个数与条纹级数关系示意：第第1级明，级明，3个半波带个半波带第第2级明，级明，5个半波带个半波带中央明纹中央明纹中央明纹中央明纹第第1级暗，级暗，2个半波带个半波带第第2级暗，级暗，4个半波带个半波带第43页，共79页，编辑于2022年，

29、星期一axf 0第44页，共79页，编辑于2022年，星期一3.相邻两衍射条纹间距相邻两衍射条纹间距条纹在接收条纹在接收屏上的位置屏上的位置暗纹中心暗纹中心明纹中心明纹中心其它各级明条纹的宽度为中央明条纹宽度的一半。其它各级明条纹的宽度为中央明条纹宽度的一半。第45页，共79页，编辑于2022年，星期一单缝衍射的光强分布示意图单缝衍射的光强分布示意图暗纹即干涉相消位置：暗纹即干涉相消位置：明纹即干涉加强位置：明纹即干涉加强位置：第46页，共79页，编辑于2022年，星期一a=0.16 mma=0.08 mma=0.04 mma=0.02 mm单缝衍射的激光实验照片，入射激光波长单缝衍射的激光实

30、验照片，入射激光波长 =632.8nm。明条。明条纹宽度反比于缝宽。纹宽度反比于缝宽。第47页，共79页，编辑于2022年，星期一 单缝宽度与中央明纹宽度的关系单缝宽度与中央明纹宽度的关系第48页，共79页，编辑于2022年，星期一 越大，衍射效应越明显。越大，衍射效应越明显。入射波长和衍射效应的关系入射波长和衍射效应的关系第49页，共79页，编辑于2022年，星期一爱爱里里斑斑：爱里斑直径：爱里斑直径爱里斑的半角宽度爱里斑的半角宽度三、夫朗和费圆孔衍射 光学仪器的分辩本领1、夫朗和费圆孔衍射、夫朗和费圆孔衍射第50页，共79页，编辑于2022年，星期一两个物点的分两个物点的分 辨辨对于任一个

31、物点（点光源），经物镜后所形成的像实际不是对于任一个物点（点光源），经物镜后所形成的像实际不是一个点，而是圆孔衍射图样一个点，而是圆孔衍射图样,其主要部分为爱里斑。因此，当两其主要部分为爱里斑。因此，当两个物点相距很近，就有个物点相距很近，就有如何分辨的问题如何分辨的问题：物点物点对应对应像点（像斑）像点（像斑）第51页，共79页，编辑于2022年，星期一对于两个强度相等的不相干的点光源（物点），一个点光对于两个强度相等的不相干的点光源（物点），一个点光源的衍射图样的源的衍射图样的主极大主极大刚好和另一点光源衍射图样的刚好和另一点光源衍射图样的第一第一极小极小相相重合重合，这时两个点光源（或物

32、点），这时两个点光源（或物点）恰为这一光学恰为这一光学仪器所分辨仪器所分辨(Just Resolved).瑞利判据瑞利判据(Rayleighs Criterion)第52页，共79页，编辑于2022年，星期一最小分辨角等于圆孔衍最小分辨角等于圆孔衍射的爱里斑的半角宽：射的爱里斑的半角宽：最小分辨角的倒数是最小分辨角的倒数是分辨率分辨率(Resolving Power)，也称分辨，也称分辨本领：本领：2、光学仪器的分辨率、光学仪器的分辨率 最小分辨角最小分辨角可见增大望远镜的物镜直径可以提高分辨本领。可见增大望远镜的物镜直径可以提高分辨本领。第53页，共79页，编辑于2022年，星期一1990

33、年发射的哈勃太空望远镜，年发射的哈勃太空望远镜，其凹面镜的直径为其凹面镜的直径为 2.4 m，角，角分辨率约为分辨率约为 0.1，在大气层外，在大气层外615 km 处绕地球运行，可观处绕地球运行，可观察察 130 亿光年远的宇宙深景，亿光年远的宇宙深景，发现了发现了 500 亿个星系。亿个星系。哈勃太空望远镜哈勃太空望远镜第54页，共79页，编辑于2022年，星期一美国建造了直径达美国建造了直径达305米的抛米的抛物面射电望远镜，不能转动，物面射电望远镜，不能转动，是世界上最大的单孔径射电望是世界上最大的单孔径射电望远镜。远镜。德国建造了德国建造了100米直径的全向米直径的全向转动抛物面射电

34、望远镜，是转动抛物面射电望远镜，是世界上最大的可转动单天线世界上最大的可转动单天线射电望远镜。射电望远镜。第55页，共79页，编辑于2022年，星期一四、衍射光栅 光栅光谱反射光栅：反射光栅：透射光栅：透射光栅：透光宽度透光宽度不透光宽度不透光宽度光栅常量：光栅常量：d=a+b大量等宽等间距的平行狭缝（大量等宽等间距的平行狭缝（或反射面）构成的光学元件。或反射面）构成的光学元件。光栅宽度为光栅宽度为 l，每毫米缝数为每毫米缝数为 m，则总缝数：，则总缝数：N=ml1、光栅、光栅(Grating)：第56页，共79页，编辑于2022年，星期一干涉明纹位置干涉明纹位置相邻两缝间的光程差：相邻两缝间

35、的光程差：光栅常数：光栅常数：光栅常数光栅常数衍射角衍射角：透光部分的宽度：透光部分的宽度：不透光部分的宽度：不透光部分的宽度光栅衍射条纹的形成光栅衍射条纹的形成光栅的衍射条纹是光栅的衍射条纹是单缝衍射单缝衍射和和多缝干涉多缝干涉的总效果。的总效果。光栅方程光栅方程第57页，共79页，编辑于2022年，星期一I II II IO OO OO Osinsin sinsin sinsin 单缝衍射多缝干涉光栅衍射光栅衍射图样的光强分布光栅衍射图样的光强分布各主极大要受各主极大要受单缝衍射的调单缝衍射的调制。制。第58页，共79页，编辑于2022年，星期一对应某些对应某些 值按多光束干涉应出现某些级

36、的主极大，正好值按多光束干涉应出现某些级的主极大，正好落在单缝衍射的暗条纹上，而造成这些主极大缺失。即满落在单缝衍射的暗条纹上，而造成这些主极大缺失。即满足以下两个条件的光栅明条纹为缺级：足以下两个条件的光栅明条纹为缺级：例如，例如，a+b=3a，则，则 k=3，6，9，对应的对应的主极大缺级。主极大缺级。缺级现象缺级现象第59页，共79页，编辑于2022年，星期一2、光栅光谱、光栅光谱(Grating Spectrum)0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光栅光谱：具有连续光谱的复合光，其同级明纹将形成按光栅光谱：具有连续光谱的复合光，其同级明纹将形成按波长

37、排列的彩色光带，紫光靠近中央，红光在远端。波长排列的彩色光带，紫光靠近中央，红光在远端。1级级第60页，共79页，编辑于2022年，星期一第三章第三章 X射线的衍射射线的衍射(X-ray Diffraction)X 射线是射线是伦琴伦琴(Roentgen)于于 1895 年发现的，它是在真空管中高年发现的，它是在真空管中高速电子撞击金属靶时产生的一速电子撞击金属靶时产生的一种射线，人眼看不见，具有很种射线，人眼看不见，具有很强的穿透能力。强的穿透能力。一、X 射线的波动性第61页，共79页，编辑于2022年，星期一劳厄斑劳厄斑X X射线管射线管X 射线是波长很短的电磁波，射线是波长很短的电磁波

38、，波长在波长在0.0110 nm。1912 年年劳厄劳厄(Laue)将将X射线照射晶体，获得了衍射图样。实验中晶体射线照射晶体，获得了衍射图样。实验中晶体的晶格点阵起了天然光栅（三维空间光栅）的作用，同时证的晶格点阵起了天然光栅（三维空间光栅）的作用，同时证明了明了X射线的波动性射线的波动性。X 射线晶体衍射射线晶体衍射第62页，共79页，编辑于2022年，星期一CABd相干加强条件满足相干加强条件满足布拉格公式布拉格公式：式中式中 是掠射角，是掠射角，d 是某方向上晶面的间距是某方向上晶面的间距。布拉格公式布拉格公式可应用于测晶面间距可应用于测晶面间距 d，分析晶体结构。，分析晶体结构。二、

39、布拉格方程 1913年，英国的布拉格年，英国的布拉格(Bragg)父子提出一种研父子提出一种研究究X射线衍射的方法，即射线衍射的方法，即把晶体的空间点阵当作反把晶体的空间点阵当作反射光栅处理。射光栅处理。第63页，共79页，编辑于2022年，星期一第四章第四章 光的偏振光的偏振(Polarization of Light)光的偏振性与光的偏振态光的偏振性与光的偏振态光是特定频率范围内的电磁波。光是特定频率范围内的电磁波。起光作用，如引起人的视觉和使照相底片感光的作用，起光作用，如引起人的视觉和使照相底片感光的作用，是电场强度矢量，称为光矢量。是电场强度矢量，称为光矢量。光矢量的振动方向与光的传

40、播方向垂直，即光是横波，光矢量的振动方向与光的传播方向垂直，即光是横波，这一特征也称为光的偏振。这一特征也称为光的偏振。偏振性是横波区别于纵波的重要特征。偏振性是横波区别于纵波的重要特征。第64页，共79页，编辑于2022年，星期一一、自然光和偏振光(Natural light and polarized light)(Natural light and polarized light)自然光：各个方向的光矢量振幅相同自然光：各个方向的光矢量振幅相同偏振光偏振光完全偏振光完全偏振光（线偏振光、平面偏振光（线偏振光、平面偏振光或偏振光）或偏振光）部分偏振光部分偏振光1、光的偏振性、光的偏振性线偏

41、振光或平面偏振光：光矢量始终沿某一方向的振动。线偏振光或平面偏振光：光矢量始终沿某一方向的振动。yzxu第65页，共79页，编辑于2022年，星期一表示振动方向在纸面内表示振动方向在纸面内传播方向传播方向传播方向传播方向表示振动方向垂直纸面表示振动方向垂直纸面线偏振性光的表示线偏振性光的表示自然光自然光由于原子发光的独立性与随机性，由于原子发光的独立性与随机性，对于普通光源所发的光，光矢量对于普通光源所发的光，光矢量分布各向均匀。分布各向均匀。自然光各光矢量之间的相位关系自然光各光矢量之间的相位关系不固定，是随机的。不固定，是随机的。第66页，共79页，编辑于2022年，星期一自然光的表示自然

42、光的表示部分偏振光部分偏振光介于线偏振光与自然光之间的情形，可看成线偏振光与介于线偏振光与自然光之间的情形，可看成线偏振光与自然光的混合。自然光的混合。第67页，共79页，编辑于2022年，星期一2、偏振片、偏振片 马吕斯定律马吕斯定律用来从自然光获得偏振光的装置叫用来从自然光获得偏振光的装置叫起偏器起偏器(polarizer)，又，又叫叫偏振片偏振片，也可以用作，也可以用作检偏器检偏器(analyzer)以检验某束光是否以检验某束光是否为偏振光。为偏振光。偏振片：只容许一个特定方向的光振动通过，偏振片：只容许一个特定方向的光振动通过，这个特定方向称为这个特定方向称为偏偏振片的偏振化方向振片的

43、偏振化方向。平行线表示偏振化方向平行线表示偏振化方向第68页，共79页，编辑于2022年，星期一起偏和检偏起偏和检偏1、自然光通过偏振片后，、自然光通过偏振片后，光强为原来的光强为原来的二分之一二分之一。旋转起偏器，屏幕上光强不旋转起偏器，屏幕上光强不变变。2、检偏器旋转一周，透、检偏器旋转一周，透射光光强出现射光光强出现两次最强，两次最强，两次消光，两次消光，说明入射光是说明入射光是线偏振光。线偏振光。第69页，共79页，编辑于2022年，星期一马吕斯定律马吕斯定律(Malus law)P1P2自然光自然光I0I自然光从自然光从P1出射后，变成出射后，变成强度为强度为I0的线偏振光，又入的线

44、偏振光，又入射到与射到与P1成夹角为成夹角为 的偏振的偏振片片P2上。上。从从P2出射的偏振光振幅出射的偏振光振幅A与入射与入射偏振光的振幅偏振光的振幅A0有关系：有关系：因此有光强关系：因此有光强关系：这就是马吕斯定律。这就是马吕斯定律。P2P1A0A第70页，共79页，编辑于2022年，星期一根据马吕斯定律可知：当根据马吕斯定律可知：当P1P2时，出射光为零；时，出射光为零；当当P1P2时，出射光最强。时，出射光最强。第71页，共79页，编辑于2022年，星期一反射光和折射光的偏振反射光和折射光的偏振自然光反射和折射后产自然光反射和折射后产生部分偏振光生部分偏振光特别地，当入射角为特殊角特

45、别地，当入射角为特殊角i0 时，反射光为光振动垂直入射面时，反射光为光振动垂直入射面的线偏振光。的线偏振光。i0为起偏振角为起偏振角，也叫布儒斯特角，也叫布儒斯特角。当光线在两种介质当光线在两种介质n1、n2的的交界面上发生反射和折射时，交界面上发生反射和折射时，反射光和折射光都将成为部反射光和折射光都将成为部分偏振光：分偏振光：反射光中垂直入射面的光反射光中垂直入射面的光矢量加强；矢量加强；透射光中平行入射面的光矢透射光中平行入射面的光矢量加强。量加强。空气空气玻璃玻璃注：注：入射面入射面是指是指入射光线和法线所成的平面。入射光线和法线所成的平面。第72页，共79页，编辑于2022年，星期一

46、玻璃玻璃空气空气布儒斯特角布儒斯特角请注意，此时的透射光仍请注意，此时的透射光仍为部分偏振光为部分偏振光布儒斯特布儒斯特(Brewster)定律定律当入射角为布儒斯特角当入射角为布儒斯特角 i0时，有关系：时，有关系：结合折射定律，可以推导得到：结合折射定律，可以推导得到：i0+r=/2，即反射光和折射光，即反射光和折射光相互垂直。相互垂直。例如：光从空气例如：光从空气(n1=1)到玻璃到玻璃(n2=1.50)的的i0=56.3。第73页，共79页，编辑于2022年，星期一自然光以布儒斯特角入射自然光以布儒斯特角入射玻璃片堆时，光在每一层玻璃片堆时，光在每一层玻璃面上反射和折射，使玻璃面上反射

47、和折射，使反射光加强，同时折射光反射光加强，同时折射光中垂直振动减少，从而得中垂直振动减少，从而得到振动面互相垂直的透射到振动面互相垂直的透射光和折射光，光和折射光，因此，可以因此，可以利用玻片堆获得透射的偏利用玻片堆获得透射的偏振光。振光。利用玻璃片堆产生线偏振光利用玻璃片堆产生线偏振光玻璃片堆玻璃片堆第74页，共79页，编辑于2022年，星期一二、光的双折射(birefringence)一束光线进入方解石一束光线进入方解石(calcite)晶体后，分裂成两束光线，它晶体后，分裂成两束光线，它们沿不同方向折射，这种现象称为双折射。们沿不同方向折射，这种现象称为双折射。1、光的双折射现象、光的

48、双折射现象物 理物 理方解石晶体方解石晶体第75页，共79页，编辑于2022年，星期一服从折射定律。服从折射定律。寻常光线寻常光线，o 光光 非常光线非常光线，e 光光不服从折射定律。不服从折射定律。产生双折射的原因是晶体的各向异性：产生双折射的原因是晶体的各向异性：e 光光(extraordinary ray)在晶体中各个方向的折射率不相等，在晶体中各个方向的折射率不相等，即它在晶体中即它在晶体中的各个方向上传播速度的各个方向上传播速度是不同的。是不同的。o光光(ordinary ray)在晶体中各方向的折射在晶体中各方向的折射率和传播速度都相同。率和传播速度都相同。第76页，共79页，编辑

49、于2022年，星期一光轴光轴(optical axis)：晶体中存在一些特殊方向，光沿这些方向晶体中存在一些特殊方向，光沿这些方向入射时不发生双折射，即这些方向入射时不发生双折射，即这些方向o光和光和e光的折射率相等，传光的折射率相等，传播速度相同。分单轴晶体和双轴晶体。播速度相同。分单轴晶体和双轴晶体。主截面：主截面：晶体表面的法线和晶体的光轴构成的平面。晶体表面的法线和晶体的光轴构成的平面。几个基本概念几个基本概念主平面：主平面：光线与光轴组成的平面光线与光轴组成的平面主截面主截面:光轴和晶体表面法线方向组成的平面光轴和晶体表面法线方向组成的平面。e光的光振动在其主平面内，光的光振动在其主平面内，o光的光振动与其主平面垂直。光的光振动与其主平面垂直。第77页，共79页，编辑于2022年，星期一光的波动性光的干涉光的衍射光的偏振起偏：检偏；马吕斯定律；布儒斯特定律分波阵面分振幅杨氏双缝干涉劳埃镜薄膜干涉等倾干涉等厚干涉劈尖干涉牛顿环迈克逊干涉仪菲捏尔衍射夫朗和费衍射单缝衍射圆孔衍射光栅衍射X射线衍射第78页，共79页，编辑于2022年，星期一第79页，共79页，编辑于2022年，星期一