第10章　波动光学2018-精品文档资料整理.ppt

《第10章　波动光学2018-精品文档资料整理.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第10章　波动光学2018-精品文档资料整理.ppt（75页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第第10章波动光学章波动光学10.1 杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉10.2 薄膜干涉薄膜干涉10.3 光的衍射光的衍射10.4 光栅衍射光栅衍射10.5 光的偏振光的偏振110.1杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉一、光源1.光源的发光机理光源的发光机理光源的最基本发光单元是分子、原子光源的最基本发光单元是分子、原子E2E1hv =(E2-E1)/h 22.光的颜色和光谱光的颜色和光谱可见光频率范围可见光频率范围:7.71014 3.91014Hz可见光波长范围可见光波长范围:3900 3900 7600 7600可见光颜色对照可见光颜色对照:紫紫 红红单色光单色光只含单一波长的光。只含单一波长的光。复色光

2、复色光含多种波长的光。含多种波长的光。3 E 矢量，称为矢量，称为光矢量光矢量。E 矢量的振动称为矢量的振动称为光振动光振动。3.光强光强光强光强I：在光学中，通常把平均能流密度称为光强。：在光学中，通常把平均能流密度称为光强。在波动光学中，主要讨论的是相对光强，因此在波动光学中，主要讨论的是相对光强，因此在同一介质中直接把在同一介质中直接把光强光强定义为：定义为：4二、光的相干性两频率相同，光矢量方向相两频率相同，光矢量方向相同的同的光波列光波列在在p点相遇点相遇叠加叠加pr1r2s1s2P点的光矢量的合振幅为点的光矢量的合振幅为在观察时间在观察时间 内，人所感觉到的光强内，人所感觉到的光强

3、 I51.非相干叠加非相干叠加若若S1,S2是非相干光源是非相干光源,则则P点光强：点光强：叠加后光强等与两光束单独照射时的叠加后光强等与两光束单独照射时的光强之和，无干涉现象光强之和，无干涉现象62.相干叠加相干叠加满足相干条件的两束光叠加满足相干条件的两束光叠加,则则（叫相干叠加）（叫相干叠加）干涉相长干涉相长(明明)（k=0,1,2）干涉相消干涉相消(暗暗)(k=0,1,2)78三、杨氏双缝干涉 18011801年，英国人托年，英国人托马斯斯 杨首次从首次从实验获得了两得了两列相干的光波，列相干的光波，观察到了光的干涉察到了光的干涉现象，象，为光的波光的波动学学说建立确定了建立确定了坚实

4、的的实验基基础。屏屏缝双缝双点点光光源源9os1s2sr1r2dDxPI x波程差波程差位相差位相差由于分波面法，两列相干波的初相相同由于分波面法，两列相干波的初相相同101.干涉加强或干涉减弱的条件干涉加强或干涉减弱的条件加强或加强或明纹：明纹：(k=0,1,2）明纹位置明纹位置x 越大越大,干涉条纹的级次也越大干涉条纹的级次也越大.减弱或减弱或暗纹：暗纹：(k=1,2)暗纹位置暗纹位置11条纹间距条纹间距2.双缝干涉条纹的特点双缝干涉条纹的特点(1)以以0点对称排列点对称排列的平行的明暗相间的条纹；的平行的明暗相间的条纹；(2)在在 不太大时不太大时条纹等间距分布条纹等间距分布,与干涉级与

5、干涉级k无关。无关。12方法一：方法一：方法二：方法二：(3)D,d一定时，由条纹间距可算出单色光的波长。一定时，由条纹间距可算出单色光的波长。1314151.光程光程 光在某一媒质中所经过的几何路程光在某一媒质中所经过的几何路程r和该介质的和该介质的折射率折射率n的乘积的乘积nr叫做光程叫做光程.光经历几种介质时光经历几种介质时 光程表示在相同的时间内光在真空中通过的路程光程表示在相同的时间内光在真空中通过的路程即：光程这个概念可将光在介质中走过的路程，折算即：光程这个概念可将光在介质中走过的路程，折算 为光在真空中的路程为光在真空中的路程u1u2u3s1s2s3162.光程差光程差若两相干

6、光源不是同位相的若两相干光源不是同位相的两相干光源同位相，干涉条件两相干光源同位相，干涉条件1710.2薄膜干涉薄膜干涉 利用薄膜上、下两个表面对入射光的反射和利用薄膜上、下两个表面对入射光的反射和折射，可在反射方向折射，可在反射方向(或透射方向或透射方向)获得相干光束。获得相干光束。一、薄膜干涉扩展光源照射下的薄膜干涉扩展光源照射下的薄膜干涉在一均匀透明介质在一均匀透明介质n1中中放入上下表面平行放入上下表面平行,厚度厚度为为e 的均匀介质的均匀介质 n2(n1)，用扩展光源照射薄膜，其用扩展光源照射薄膜，其反射光如图所示反射光如图所示S1ACBD181.光程差光程差反射光反射光:设设n n

7、2 2n n1 1，则，则半波损失半波损失S1ACBD19透射光透射光:ABC与反射光不同的是，没有半波损失与反射光不同的是，没有半波损失2.2.干涉加强减弱条件干涉加强减弱条件(反射光反射光)相长干涉相长干涉k=1,2,3,相消干涉相消干涉k=0,1,2,20213.等倾干涉等倾干涉 厚厚度度均均匀匀的的薄薄膜膜(e处处处处相相等等)，光光程程差差随随入入射射光光线的倾角线的倾角i而变而变.屏屏幕幕扩展光扩展光 源源透透镜镜n 具具有有相相同同的的倾倾角角i的的光光形形成成同同一一级级（k相相同同）的的干干涉涉明明条条纹纹或或暗暗条条纹纹.在在厚厚度度均均匀匀的的薄薄膜膜上上产产生生的的这这

8、种种干干涉涉条条纹叫做等倾干涉条纹纹叫做等倾干涉条纹.22二、增透膜与增反膜镜头颜色色为什么什么发紫紫?增增透膜透膜：利用薄膜上、下表面反射光的光程差符合利用薄膜上、下表面反射光的光程差符合相消干涉条件来减少反射，从而使透射增强。相消干涉条件来减少反射，从而使透射增强。增增反膜反膜：利用薄膜上、下表面反射光的光程差满足利用薄膜上、下表面反射光的光程差满足相长干涉，因此反射光因干涉而加强。相长干涉，因此反射光因干涉而加强。23三、劈尖干涉 肥皂膜的等厚干涉条纹肥皂膜的等厚干涉条纹不规则表面不规则表面 当一平行光投射到当一平行光投射到厚薄不均匀厚薄不均匀的薄膜上，其光程的薄膜上，其光程差则随着厚度

9、差则随着厚度e而变化，厚度相同的区域，其光程差而变化，厚度相同的区域，其光程差相同，这些区域就出现同一级别的干涉条纹，故谓之相同，这些区域就出现同一级别的干涉条纹，故谓之等厚干涉。等厚干涉。241.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。:10-4 10-5 rad空气劈尖空气劈尖棱边棱边楔角楔角实际应用中实际应用中,i=0,即正入射即正入射 反射光反射光1 单色平行光垂直入射单色平行光垂直入射en1n1n2A反射光反射光2若若 n2 n1,则则(空气空气n2=1)25干涉条件干涉条件明纹明纹 k=1,2,3，暗纹暗纹k=0,1,2,3，条纹特点条纹特点

10、条纹为明暗相间平行于棱边的直线条纹为明暗相间平行于棱边的直线空气劈，存在半波损失，棱边处是暗纹空气劈，存在半波损失，棱边处是暗纹 透射光的干涉条纹透射光的干涉条纹位置位置则与则与反射光反射光好相反好相反 相邻明（暗）纹处的厚度差相邻明（暗）纹处的厚度差 ekek+1 e26厚度差是薄膜中的光波波长二分之一厚度差是薄膜中的光波波长二分之一 2728二、牛顿环二、牛顿环将一曲率半径相当大的平凸透镜叠放在一平板玻璃上将一曲率半径相当大的平凸透镜叠放在一平板玻璃上 光程差光程差2829干涉条纹为间距越来越小的同心圆环组成，这些圆环干涉条纹为间距越来越小的同心圆环组成，这些圆环状干涉条纹叫做状干涉条纹叫

11、做牛顿环牛顿环。牛顿环牛顿环2930 牛顿环实验装置牛顿环实验装置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SLT3031R光程差光程差明条纹明条纹暗条纹暗条纹re明环明环暗环暗环3132单单色色光光源源反反射射镜镜反射镜反射镜一、迈克耳孙干涉仪一、迈克耳孙干涉仪 ，且与，且与 成成 角角补偿片补偿片 分光板分光板 移动导轨移动导轨迈克耳孙干涉仪迈克耳孙干涉仪3233迈迈克克耳耳孙孙干干涉涉仪仪实实物物3334迈迈克克耳耳孙孙干干涉涉仪仪实实物物3435单单色色光光源源反射镜反射镜反反射射镜镜 的像的像3536当当 不垂直于不垂直于 时，可形成劈尖型时，可形成劈尖型等

12、厚干涉条纹等厚干涉条纹.反射镜反射镜单单色色光光源源反反射射镜镜3637 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，并可用移动反射镜或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在光路中加入介质片的方法改变两光束的光程差.移动反射镜移动反射镜 M1干涉干涉条纹条纹移动移动数目数目移移动动距距离离373810.3 光的衍射光的衍射一、光的衍射惠更斯菲涅耳原理1.光的衍射现象及分类光的衍射现象及分类 光在传播过程中遇到障碍物时，能绕过障碍物光在传播过程中遇到障碍物时，能绕过障碍物的边缘继续前进，这种偏离直线传播的现象称为光

13、的边缘继续前进，这种偏离直线传播的现象称为光的的衍射现象衍射现象.缝较大时，光是直线传播的缝较大时，光是直线传播的阴阴影影屏幕屏幕屏幕屏幕缝很小时，衍射现象明显缝很小时，衍射现象明显39二、单缝夫琅禾费衍射1.单缝衍射实验单缝衍射实验S屏幕屏幕L1L2K单缝衍射图样的主要规律：单缝衍射图样的主要规律：(1)中央亮纹最亮中央亮纹最亮,宽度是其他亮纹宽度的两倍宽度是其他亮纹宽度的两倍;其他亮纹的宽度相同其他亮纹的宽度相同,亮度逐级下降。亮度逐级下降。(2)缝缝a越小，条纹越宽。越小，条纹越宽。(即衍射越厉害即衍射越厉害)(3)波长波长 越大，条纹越宽。越大，条纹越宽。(即有色散现象即有色散现象)4

14、0 只须考虑各只须考虑各子波子波源源所发出的沿同一方向的所发出的沿同一方向的平行平行衍射光，衍射光，衍射光衍射光与原入射光方向的夹角（衍射角与原入射光方向的夹角（衍射角)变化范围为变化范围为 0/2aABfL2L1S0P C 平行衍射光的平行衍射光的最大光程差最大光程差41结论结论中央明纹中央明纹(准确准确)k=1,2,暗纹暗纹(准确准确)k=1,2,明纹明纹(近似近似)中中央央明明纹纹中中心心和和暗暗纹纹位位置置是是准准确确的的，其其余余明明纹纹中心的位置是近似的，与准确值稍有偏离。中心的位置是近似的，与准确值稍有偏离。42 条纹宽度条纹宽度ABL2f0 x1x2I中央明纹的宽度中央明纹的宽

15、度 线宽度线宽度 x0:两个第一级暗纹间的距离两个第一级暗纹间的距离x x0 1 x0=2x10 x4344 影响衍射图样的影响衍射图样的 a 和和 的影响的影响 越大，衍射越显著越大，衍射越显著,条纹条纹间距间距越宽。越宽。a 的影响的影响 缝越狭，衍射越显著，缝越狭，衍射越显著，条纹条纹间距间距越宽。越宽。I0sin 只存在中央明文，屏只存在中央明文，屏幕是一片亮。幕是一片亮。45只显出单一的明条纹只显出单一的明条纹 单缝的几何光学像单缝的几何光学像几何光学是波动光学在几何光学是波动光学在a 时的极限情形。时的极限情形。46例例:一束波长为一束波长为 =5000的平行光垂直照射在一个的平行

16、光垂直照射在一个单缝上。单缝上。如果所用的单缝的宽度如果所用的单缝的宽度a=0.5mm，缝后紧缝后紧挨着的薄透镜焦距挨着的薄透镜焦距f=1m，求：求：(1)中央明条纹的角中央明条纹的角宽度；宽度；(2)中央亮纹的线宽度；中央亮纹的线宽度；解：解：(1)(2)4710.4光栅衍射光栅衍射一、光栅衍射现象衍射光栅：衍射光栅：由大量等间距、等宽度的平行狭缝由大量等间距、等宽度的平行狭缝 所组成的光学元件。所组成的光学元件。ba透射光栅透射光栅abd反射光栅反射光栅光栅常数：光栅常数：d=a+b数量级为数量级为10-510-6m48f 0da 明暗相间的光栅衍射条纹平行于狭缝明暗相间的光栅衍射条纹平行

17、于狭缝条纹特点：明条纹很亮很窄，相邻明纹间的暗条纹特点：明条纹很亮很窄，相邻明纹间的暗区很宽，衍射图样十分清晰区很宽，衍射图样十分清晰.495051二、光栅的衍射规律光栅每个缝形成各自的单缝衍射图样。光栅每个缝形成各自的单缝衍射图样。光栅衍射条纹是单缝衍射与多缝干涉的总效果。光栅衍射条纹是单缝衍射与多缝干涉的总效果。光栅缝与缝之间形成的多缝干涉图样。光栅缝与缝之间形成的多缝干涉图样。1.光栅公式光栅公式单色光垂直照射时单色光垂直照射时,任意相邻两缝对应点在衍射角为任意相邻两缝对应点在衍射角为 方向的两衍射方向的两衍射光到达光到达P点的光程差为点的光程差为 =(a+b)sin 光栅公式光栅公式光

18、栅衍射明条纹位置满足：光栅衍射明条纹位置满足：(a+b)sin =k k=0,1,2,3 52主极大主极大(亮纹亮纹)位置位置0级级+1级级-1级级次极大次极大N=4Isin-2级级+2级级主极大位置与缝数主极大位置与缝数N N无关（无关（,d一定）一定）533.单缝对光强分布的影响单缝对光强分布的影响 单单缝缝衍衍射射只只影影响响各各主主极极大大的的强强度度分分布布，不不改改变变主极大，极小的位置。主极大，极小的位置。光栅衍射是单缝衍射和缝间光线干涉两种效光栅衍射是单缝衍射和缝间光线干涉两种效应的叠加，亮纹的位置决定于缝间光线干涉应的叠加，亮纹的位置决定于缝间光线干涉的结果。的结果。540s

19、in-3级级-1级级0级级I1级级3级级缺缺2级级缺缺-2级级单缝衍射光强单缝衍射光强4.缺级现象缺级现象缺级缺级 由于单缝衍射的影响，在应该出现亮纹的地由于单缝衍射的影响，在应该出现亮纹的地方，不再出现亮纹方，不再出现亮纹多光束主极大位置多光束主极大位置 单缝衍射暗纹位置单缝衍射暗纹位置55当当d=(a+b)与与a有简单整数比时，将看到缺级现象有简单整数比时，将看到缺级现象56例例:波长为波长为6000的单色光垂直入射在一光栅上，第的单色光垂直入射在一光栅上，第二级明纹出现在二级明纹出现在sin 2=0.2处，第处，第4级为第一个缺级。级为第一个缺级。求求(1)光栅上相邻两缝的距离是多少？光

20、栅上相邻两缝的距离是多少？(2)狭缝可能的狭缝可能的最小宽度是多少？最小宽度是多少？(3)按上述选定的按上述选定的a、b值，实际上值，实际上能观察到的全部明纹数是多少？能观察到的全部明纹数是多少？解解:(1)k=4,取取k/=157(3)由光栅方程由光栅方程 sin =1,k=kmax在在-900sin 900范围内可观察到的明纹级数为范围内可观察到的明纹级数为k=0,1,2,3,5,6,7,9,共共15条明纹条明纹5859一、圆孔衍射一、圆孔衍射艾艾里里斑斑：艾里斑直径：艾里斑直径5960现象现象现象现象 6061二、光学仪器的分辨率二、光学仪器的分辨率瑞利瑞利指出，对于任何一个光学仪器，如

21、果一个物点衍射指出，对于任何一个光学仪器，如果一个物点衍射图样的爱里斑中央最亮处恰好与另一个物点衍射图样的图样的爱里斑中央最亮处恰好与另一个物点衍射图样的第一个最暗处相重合，则认为这两个物点恰好可以被光第一个最暗处相重合，则认为这两个物点恰好可以被光学仪器所分辨学仪器所分辨.6162光的衍射限制了光的衍射限制了光学仪器的分辨光学仪器的分辨本领本领光学仪器的光学仪器的分辨能力分辨能力 6263*最小分辨角最小分辨角光学仪器分辨率光学仪器分辨率光学仪器的通光孔径光学仪器的通光孔径6310.5光的偏振光的偏振 一、自然光和偏振光 1.横波的偏振性横波的偏振性振动面振动面：通过波的传播方向且包含振动矢

22、量的平面。：通过波的传播方向且包含振动矢量的平面。偏振偏振:波波的振动方向相对传播方向的不对称性。的振动方向相对传播方向的不对称性。光的偏振态光的偏振态:光矢量在与光传播方向垂直的光矢量在与光传播方向垂直的 平面内的振动状态。平面内的振动状态。642.自然光自然光自然光是非偏振光自然光是非偏振光 光光振振动动的的振振幅幅在在垂垂直直于于光光波波的的传传播播方方向向上上，既既有有时时间间分分布布的的均均匀匀性性，又又有有空空间间分分布布的的均均匀匀性性，具具有这种特性的光就叫有这种特性的光就叫自然光自然光。自然光的分解自然光的分解一般一般 但此时但此时非相干非相干因此因此,自然光的表示自然光的表

23、示653.线偏振光线偏振光 光矢量的振动方向始终不变的光，叫线偏振光。光矢量的振动方向始终不变的光，叫线偏振光。又称又称平面偏振光平面偏振光E传传播方向播方向振动面振动面面面对对光光的的传传播播方向看方向看线偏振光的表示法：线偏振光的表示法：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664.部分偏振光部分偏振光 光光矢矢量量的的振振动动各各个个方方向向都都有有，一一个个方方向向振振动动较较弱弱，而另一方向振动较强的光而另一方向振动较强的光，叫，叫部分偏振光部分偏振光.部分偏振光可以看作是由一个完全偏振光和一部分偏振光可以看作是由一个完全偏振光和一个自然光混合起来组成的。个自然光混

24、合起来组成的。表示法：表示法：67二、起偏和检偏马吕斯定律 1.偏振片的起偏、检偏偏振片的起偏、检偏起偏：起偏：把自然光把自然光(或非偏振光或非偏振光)变成变成线偏振光的过程。线偏振光的过程。检偏：检偏：检查入射光的偏振性。检查入射光的偏振性。起偏的原理起偏的原理:利用某种形式的不对称性利用某种形式的不对称性偏振化方向偏振化方向:偏振片上允许通过光振动的方向。也叫偏振片上允许通过光振动的方向。也叫透光轴透光轴。偏振光的检验偏振光的检验偏振片转一周偏振片转一周消光消光线偏光线偏光部分偏光部分偏光强强度度变变，无无消光消光自然光自然光强度不变强度不变透光轴透光轴686970I2.马吕斯定律马吕斯定

25、律线偏振光通过偏振片线偏振光通过偏振片P 前后的光强关系：前后的光强关系：设设为振动方向与偏振化方向的夹角为振动方向与偏振化方向的夹角 I0PP E0 E=E0cos 71 消光消光注意：注意：入射光必须是线偏振光，不是自然光入射光必须是线偏振光，不是自然光是与是与cos2正比正比72三、反射光与折射光的偏振布儒斯特定律1.布儒斯特定律布儒斯特定律n2n1ii 垂直入射面的垂直入射面的E矢量占优势矢量占优势平行入射面的平行入射面的E矢量占优势矢量占优势入射角入射角i 变变反射、折射光的偏振度也变。反射、折射光的偏振度也变。i=i0 时，反射光时，反射光只有只有垂直垂直分量：分量：n2n1ii i0+0=90 73i0 布儒斯特角布儒斯特角或或 起偏角起偏角由由 有有布儒斯特定律布儒斯特定律虽然反射光是虽然反射光是E E矢量垂直于入射面的线偏振光，矢量垂直于入射面的线偏振光，但反射光中的垂直分量只占入射光中全部垂直分量但反射光中的垂直分量只占入射光中全部垂直分量的的15%15%，反射偏振光非常微弱，反射偏振光非常微弱这也说明了折射光依然是部分偏振光。这也说明了折射光依然是部分偏振光。7475