波动光学教学PPT.ppt
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1、波动光学波动光学迈克耳孙干涉仪是迈克耳孙干涉仪是根据光的干涉原理制成的精密测量仪器,它可根据光的干涉原理制成的精密测量仪器,它可以精密地测量长度及长度的微小变化等以精密地测量长度及长度的微小变化等。15.115.1 光是电磁波光是电磁波光是电磁波光是电磁波主要内容:主要内容:1.光是一种电磁波光是一种电磁波2.平面简谐电磁波的性质平面简谐电磁波的性质3.光源和发光机理光源和发光机理15.1.1 光是一种电磁波光是一种电磁波1.电磁波电磁波u电磁波的产生及传播电磁波的产生及传播 凡作加速运动的电荷或电荷系都是发射电磁波的波源。凡作加速运动的电荷或电荷系都是发射电磁波的波源。变化磁场可以激发涡旋电
2、场变化磁场可以激发涡旋电场传导电流和变化电场可以激发涡旋磁场传导电流和变化电场可以激发涡旋磁场u电磁波谱电磁波谱2.光是电磁波光是电磁波光色光色 波长波长(nm)频率频率(Hz)中心波长中心波长(nm)红红 760622 660 橙橙 622597 610 黄黄 597577 570 绿绿 577492 540 青青 492470 480 兰兰 470455 460 紫紫 455400 430 u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u诸多的现象和理论研究表明:光是电磁波。诸多的现象和理论研究表明:光是电磁波。(1)光与电磁波的传播速度相等;都有反射,折射,干涉,光与电磁
3、波的传播速度相等;都有反射,折射,干涉,衍射,偏振性质。衍射,偏振性质。(2)用电磁波理论研究光学现象的结果都说明光是电磁波。用电磁波理论研究光学现象的结果都说明光是电磁波。u人眼视见函数人眼视见函数反映人眼对不同波长光相对灵敏度的差别反映人眼对不同波长光相对灵敏度的差别.波长波长(nm)相对灵敏度相对灵敏度15.1.2 平面简平面简谐电磁波的性质谐电磁波的性质波函数表示的波函数表示的平面电磁波平面电磁波u电磁波是横波电磁波是横波u 和和 同相位,幅值成比例同相位,幅值成比例u电磁波的传播速度电磁波的传播速度 电磁波在真空中的传播速度电磁波在真空中的传播速度介质折射率介质折射率u电磁波的能量电
4、磁波的能量 电磁波能量密度电磁波能量密度电磁波能流密度电磁波能流密度坡印亭矢量坡印亭矢量电磁波平均能流密度电磁波平均能流密度(波的强度波的强度)有时,电磁波的强度也可表示为有时,电磁波的强度也可表示为15.1.3 光源和发光机理光源和发光机理1.光源光源u光源:光源:u光源的分类光源的分类任何发光的物体都可以称为光源。任何发光的物体都可以称为光源。光谱:光谱:使光波中不同频率的光分开,形成光谱使光波中不同频率的光分开,形成光谱.按光谱分为按光谱分为线谱光源线谱光源连续谱光源连续谱光源(1)线谱光源线谱光源氢原子的巴耳末线系照片氢原子的巴耳末线系照片(2)连续谱光源连续谱光源按激发按激发方式分方
5、式分热辐射热辐射 电致发光电致发光 光致发光光致发光 化学发光化学发光 例如:太阳,白炽灯。例如:太阳,白炽灯。例如:闪电,霓虹灯,发光二极管等。例如:闪电,霓虹灯,发光二极管等。例如:日光灯,鳞光物质。例如:日光灯,鳞光物质。例如:例如:燃烧,燃烧,鳞自燃,鳞自燃,萤火虫萤火虫。u自发辐射自发辐射2.光源发光机理光源发光机理波列波列E2E1 1(1)光光波列长度波列长度(2)光光波列长度与波列长度与其其 单色性关系单色性关系由傅立叶分析可知由傅立叶分析可知c光波单色性光波单色性(3)光源中各光光源中各光波列之间关系波列之间关系非相干非相干(不同原子发的光不同原子发的光)非相干非相干(同一原子
6、先后发的光同一原子先后发的光)激光的特点:高定向性;高单色性;高亮度;高相干性。激光的特点:高定向性;高单色性;高亮度;高相干性。u新型光源新型光源(1)激光:激光:基于特定能级间粒子数反转体系的受激辐射。基于特定能级间粒子数反转体系的受激辐射。(2)同步辐射光:同步加速器产生的辐射光。同步辐射光:同步加速器产生的辐射光。强度高;方向性好;偏振性好;强度高;方向性好;偏振性好;稳定性好;波谱宽等。稳定性好;波谱宽等。同步辐射光的特点:同步辐射光的特点:15.215.2 光波的叠加光波的叠加光波的叠加光波的叠加主要内容:主要内容:1.光波的叠加光波的叠加2.光波的相干条件光波的相干条件 15.2
7、.1 光波的叠加光波的叠加干涉项干涉项PS1S2r1r2P点合光强为点合光强为u非相干叠加非相干叠加不恒定不恒定 两两叠叠加加光光波波的的光光矢矢量量相相互互垂垂直直或或频频率率不不相相等等或或相相位位差差不恒定,光波为非相干叠加,不恒定,光波为非相干叠加,P点合光强为点合光强为(1)(2)(3)结论结论u相干叠加相干叠加如果两光波如果两光波频率相同频率相同;相位差恒定相位差恒定;光矢量振动方向平行光矢量振动方向平行,则则其中其中两光波叠加区域两光波叠加区域P点的光强为点的光强为(1)相长干涉相长干涉(明纹明纹)(2)相消干涉相消干涉(暗纹暗纹)如果如果如果如果 讨论讨论(1)光波的光波的频率
8、相同频率相同;(2)光矢量振动方向平行,且振幅相差不大光矢量振动方向平行,且振幅相差不大;(3)光波之间的相位差恒定光波之间的相位差恒定。光的相干的条件光的相干的条件15.2.2 光波的相干条件光波的相干条件 说明说明(1)各光波的各光波的频率相同是任何波动叠加产生干涉的必要条件。频率相同是任何波动叠加产生干涉的必要条件。(2)对光矢量振动方向平行条件,一般只要叠加光波的振动对光矢量振动方向平行条件,一般只要叠加光波的振动 方向存在平行分量即可。方向存在平行分量即可。(3)光波之间的相位差恒定是保证干涉图样稳定所必须的。光波之间的相位差恒定是保证干涉图样稳定所必须的。加强条件加强条件两同相相干
9、点光源两同相相干点光源S1、S2相距相距d,发射功率相等发射功率相等、波长为波长为 (1)OX轴上光信号最强轴上光信号最强的位置的位置;(1)光程差光程差信号加强的位置信号加强的位置 (2)OX轴上光信号最弱轴上光信号最弱的位置的位置。减减弱弱条件条件信号减弱的位置信号减弱的位置 的光信号的光信号,如图所示如图所示。不考虑衰减不考虑衰减 解解 例例求求(2)15.315.3 分波前干涉分波前干涉分波前干涉分波前干涉 空间相干性空间相干性空间相干性空间相干性主要内容:主要内容:1.杨氏干涉实验杨氏干涉实验2.菲涅耳双面镜实验菲涅耳双面镜实验3.劳埃德镜实验劳埃德镜实验*4.光波的空间相干性光波的
10、空间相干性15.3.1 杨氏干涉实验杨氏干涉实验通过一些技术方法通过一些技术方法(例如例如:通过并排的两个小孔通过并排的两个小孔)从一个从一个光源发出的同一光波列的波前上取出两个子波源光源发出的同一光波列的波前上取出两个子波源,该获该获得相干光的方法为分波前法。得相干光的方法为分波前法。1.杨氏干涉实验装置及实验现象杨氏干涉实验装置及实验现象AB光源光源2.干涉图样干涉图样u极值位置极值位置光强极小位置光强极小位置 光强极大位置光强极大位置 只在只在z轴附近观察轴附近观察由上式得由上式得在实际的干涉实验中在实际的干涉实验中 d n1)解解将一块介质板放在水中,板面与水平面之间的夹角为将一块介质
11、板放在水中,板面与水平面之间的夹角为,欲欲使使从从水水面面和和介介质质板板表表面面反反射射的的光光均均为为线线偏偏振振光光,介介质质板板板面与水平面之间的夹角板面与水平面之间的夹角。i1和和i2都为布儒斯特角时都为布儒斯特角时,两反射光均为线偏振光两反射光均为线偏振光。由布儒斯特定律,有由布儒斯特定律,有ab求求解解例例c水的折射率水的折射率1.33,空气折射率空气折射率1.00,介质板折射率介质板折射率1.68abc 在三角形在三角形abc中中 15.1415.14 光的双折射光的双折射光的双折射光的双折射主要内容:主要内容:1.双折射现象双折射现象2.惠更斯对双折射现象的解释惠更斯对双折射
12、现象的解释15.14.115.14.1 双折射现象双折射现象双折射现象双折射现象 方解石方解石一束光入射到各向异性的介质后出现两束折射光的现象。一束光入射到各向异性的介质后出现两束折射光的现象。食盐晶体食盐晶体1.双折射现象双折射现象2.晶体传播光的特性晶体传播光的特性(1)寻常光和非常光寻常光和非常光o 光光e 光光u一束折射光始终在入射面内一束折射光始终在入射面内,并并 遵循折射定律,称为寻常光,简遵循折射定律,称为寻常光,简 称称 o 光。光。称为非常光,简称称为非常光,简称 e 光。光。u另一束折射光一般不在折射面另一束折射光一般不在折射面 内内,不遵循折射定律不遵循折射定律,即即o
13、光光e 光光(2)晶体的光轴晶体的光轴当光在晶体内沿一个特殊当光在晶体内沿一个特殊方向传播时方向传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。光轴光轴78o102o78o102o102o102o(3)主平面主平面e光光光轴光轴o光光光轴光轴o 光的主平面光的主平面e 光的主平面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。(4)o光和光和e光是光矢量振动方向不同的线偏振光光是光矢量振动方向不同的线偏振光u o 光的光矢量振动方向光的光矢量振动方向 与与 o 光主平面垂直光主平面垂直,总总是与光轴垂直。是与光轴垂直。光轴
14、光轴u e 光的光矢量在光的光矢量在 e 光主平光主平面内面内,其与光轴的夹角随其与光轴的夹角随传播方向而改变。传播方向而改变。说明说明l 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,此时此时 o 光振动和光振动和e 光振动相互垂直。光振动相互垂直。l 一般情况下,两个主平面并不重合,所以一般情况下,两个主平面并不重合,所以o 光和光和e 光的光的 光矢量方向也不相互垂直。光矢量方向也不相互垂直。15.14.215.14.2 惠更斯对双折射现象的解释惠更斯对双折射现象的解释惠更斯对双折射现象的解释惠更斯对双折射现象的解释1.单轴晶体中的波面单轴晶体中的
15、波面 光的双折射实质上是由于光在晶体中的传播速率与光的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。传播方向和光的偏振状态有关。u 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u e光光沿不同方向的传播速率不相同,其波面是以光轴沿不同方向的传播速率不相同,其波面是以光轴 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)由于在光轴方向上不发生双折射现象,在光轴方向由于在光轴方向上不发生双折射现象,在光轴方向o光光和和e光光的速率相等。的速率相等。2.正晶体、负晶体正晶体、负晶体光轴光轴(平行光轴截面平
16、行光轴截面)(垂直光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)正晶体正晶体负晶体负晶体3.双折射的惠更斯几何描述方法双折射的惠更斯几何描述方法(负晶体负晶体)光轴平行入射面,自然光斜入射晶体光轴平行入射面,自然光斜入射晶体o光轴光轴e光轴平行入射面,自然光垂直入射晶体光轴平行入射面,自然光垂直入射晶体oe光轴光轴光轴平行晶体表面,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 u此时此时,o,e光在晶体内的光在晶体内的传播方向相同,但传播速度不传播方向相同,但传播速度不 同同。从晶体出射后,二者产生相位差。从晶体出射后,二者产生相位差。u这种情
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