波动光学学习教案

1、会计学1波动波动(bdng)光学光学第一页，共51页。解释与实物作用过程（光的吸收(xshu)与发射）中发生的现象解释传播过程(guchng)（反射、折射、干涉、衍射和偏振）中发生的现象 本章主要介绍(jisho)光的波动性，光的粒子性在近代物理中介绍(jisho)赫兹实验证实了光是电磁波的预言19世纪60年代麦克斯韦电磁波理论光电效应、康普顿效应等不能用波动说解释20世纪初波动理论遭遇困难光具有波粒二象性表现为粒子表现为波动第1页/共51页第二页，共51页。第2页/共51页第三页，共51页。18-5 迈克耳孙干涉仪18-4 由分振幅法产生(chnshng)的光的干涉18-3 光程(un ch

2、n)和光程(un chn)差 薄透镜的一个性质18-2 由分波阵面法产生(chnshng)的光的干涉18-1 光源 光的相干性第3页/共51页第四页，共51页。1. 理解(lji)获得相干光的方法。3. 能分析、确定杨氏双缝干涉条纹(tio wn)及薄膜等厚干涉条纹(tio wn)的位置。4. 理解迈克耳孙干涉仪的工作原理。2. 掌握光程的概念以及光程差和相位差的关系。第4页/共51页第五页，共51页。一.光源 发射光波(gungb)的物体1.热辐射 加热(ji r)维持物体的温度，辐射就能持续进行下去，称为热辐射。光波就是电磁波，任何物体(wt)都辐射电磁波。白炽灯太阳第5页/共51页第六页

3、，共51页。 电致发光2.发光 需依靠一些激发过程获得能量(nngling)维持辐射 光致发光 化学发光半导体发光(f un)二极管闪电(shndin)萤火虫霓虹灯第6页/共51页第七页，共51页。3.同步辐射(fsh)光源 在同步辐射加速器中速度接近(jijn)光速作环形运动的电子迅速损失能量产生的辐射 特点(tdin)：方向性好、亮度高，还具有连续性、优异的准直性和易脉冲化等特性 应用：为晶体结构研究，生物大分子和生物蛋白的结构研究提供了高性能的光源北京的正负电子对撞机可提供同步辐射光第7页/共51页第八页，共51页。1.普通光源（非激光(jgung)光源）的发光机理 原子(yunz)发出

4、的每一列光波是一段有限长的、振动方向一定、振幅不变或缓慢变化的正弦波。波列波列长L = c二. 光的相干性每一波列持续时间约为s 109 普通光源发出的光是由构成光源的大量(dling)原子或分子运动状态改变时发出的。波列长度的数量级为L = 0.1 m 因波列持续时间过短，两波列的干涉现象无法觉察。第8页/共51页第九页，共51页。不同(b tn)原子发的光同一(tngy)原子先后发的光 同一原子先后发出的波列振动方向和频率(pnl)不一定相同，相位间无固定关系。 不同原子发出的波列振动方向和频率也不一定相同，相位间无固定关系。 两列波为相干波的条件：频率相同，振动方向相同，在相遇点有恒定的

5、相位差。 结论：两个独立光源发出的光波或同一光源两部分发出的光波在相遇区观察不到干涉现象。第9页/共51页第十页，共51页。2. 相干光的获得(hud)方法 为实现光的干涉，可以从同一波列分离出两个(lin )波列再令其重叠发生干涉。为得到(d do)明显的干涉现象，还必须满足： 在相遇点两列光波的光程（几何路程与介质折射率的乘积）不能相差太大 在相遇点两列光波的振幅不能相差太大光程差 r1n1- r2n2相干长度一波列长应尽量接近路程 r1路程 r2介质折射率 n2介质折射率 n1第10页/共51页第十一页，共51页。通常产生相干(xinggn)光源的两种方法： 分波阵面法 分振幅(zhnf

6、)法 利用并排的孔或缝或利用反射和折射(zhsh)将入射光的波阵面分成两部分。 利用两种透明介质的分界面对入射光的反射和透射，将入射光的振幅分成两部分。第11页/共51页第十二页，共51页。3. 目前(mqin)最好的相干光源激光光源 激光的波列长度比普通光源(gungyun)长得多，例如氦氖激光器产生的激光相干长度可达几千米，再加上良好的单色性和方向性等，能产生易于观察和测量的干涉现象。一个正在(zhngzi)辐射激光的激光器激光产生的全息图像第12页/共51页第十三页，共51页。一. 杨氏双缝实验(shyn)S1S2S接收屏上形成的干涉(gnsh)图样狭缝(xi fn)视为缝光源光源双缝接

7、收屏 缝光源S 产生柱面波，双缝S1和S2与S 等距，位于同一波阵面上，相位相同，成为相干光源，发出的子波在相遇区发生干涉。第13页/共51页第十四页，共51页。 因Dd，S1、S2 发出(fch)的光波到P 点的波程差为=d sin d tan OP = x， Dx tanDxdrr 12 r1- r2 = S2B1. 单色光入射时屏上明暗相间干涉条纹(tio wn)位置的计算垂直于缝长的平面(pngmin)内同相面Pr1r2xxDOS1S2MBd波程差计算狭缝缝光源第14页/共51页第十五页，共51页。 若 kDxdrr 12即, 2, 1, 0, kdDkx 初相相同(xin tn)的两

8、相干波叠加后加强与减弱的条件为 , 2, 1, 02)12(, 2, 1, 02212kkkkrr 合振幅(zhnf)最大合振幅(zhnf)最小出现明条纹 若2)12(12 kDxdrr即, 3 , 2, 1,2)12( kdDkx 出现暗条纹明条纹级次暗条纹级次第15页/共51页第十六页，共51页。2.杨氏双缝干涉(gnsh)的特点 单色光干涉，相邻(xin ln)明条纹（或暗条纹）的间距为dDx 干涉条纹等距离(jl)分布 白光干涉，只有中央明条纹是白色，其它条纹发生重叠，形成彩色条纹x x 明条纹间距明条纹间距中央明纹 干涉条纹间距与单色光波长成正比第16页/共51页第十七页，共51页。

9、二. 菲涅耳双镜实验(shyn) sin2rd cosrLD sin2)cos(rrLdDx S1和 S2相当于两个相干(xinggn)光源相邻明条纹(tio wn)（或暗条纹(tio wn)）的间距为 屏上出现明暗条纹的条件与杨氏实验结果的类似光源接收屏M1中镜像M2中镜像镜面第17页/共51页第十八页，共51页。 例题18-1 菲涅耳双镜=10-3rad，单色线光源 S 与两镜交线平行，r =0.5m，=500nm，L=2m。(1)求屏上两相邻明条纹的间距(jin j)；(2)若=10-2rad，问条纹间距(jin j)将怎样改变？解 （1）cos1，sin=10-3mm25. 1105

10、. 02105 . 0)5 . 02(sin2)cos(36 rrLx（2）当=10-2rad时，有mm125. 0105 . 02105 . 0)5 . 02(26 x 变大时，条纹间距将变小，要获得(hud)较大的条纹间距，必须很小。第18页/共51页第十九页，共51页。三. 劳埃德镜实验(shyn) 平面镜MM下表面(biomin)涂黑，光仅从上表面(biomin)反射 S 和 S相当于两个相干(xinggn)光源实验结果表明： 反射光的相位改变了 ，称为半波损失 干涉条纹与杨氏实验结果的类似光源MM中镜像小平面镜接收屏此处出现暗条纹第19页/共51页第二十页，共51页。 光从光疏介质（

11、折射率较小）向光密介质（折射率大）表面入射时，如果入射角接近 （掠入射）或为 （正入射），则反射光的相位改变 ，即出现半波(bn b)损失。理论和实验(shyn)证明： 90 0n2n1正入射n2 n1掠入射法线(f xin)第20页/共51页第二十一页，共51页。 例题(lt)18-2 劳埃德镜实验中，线光源S1到镜面的垂距为1mm，D为1.5 m，MM=D/2，MO为D/4。（1）求干涉区域上下两边到屏中心距离OA和OB；（2）若= 600 nm，求相邻明条纹间距，并问屏上能观察到几条明条纹？S1S2MM dABOCD 解 （1）由三角形相似(xin s)，有434/2/2/ DDDdOA

12、OAOA=3mm，OB=0.333mm得414/2/ DDdOBOB第21页/共51页第二十二页，共51页。（2）与杨氏实验相比(xin b)，得相邻明纹间距为dDx m105 . 44 由于有半波(bn b)损失，光程差应为2 xDd明纹位置(wi zhi) x 应满足, 2 , 1,)21(2 kdDkxkxDd 第22页/共51页第二十三页，共51页。第一级明纹位置(wi zhi) x1=0.225mm d ，故上式可略去高阶小量d 2 ，可得Rrd22 22222RrdRdR drRCO第45页/共51页第四十六页，共51页。 , 2 , 1 , 02)12(, 2 , 1 2222kkkkRnrnd 明环暗环 , 2 , 1 , 0, 2 , 1)21(knRkknRkr 明环暗环或设薄膜折射率为n ，则在有半波损失(snsh)时的光程差第46页/共51页第四十七页，共51页。 特点：如果反射有半波损失，则中心处为暗斑，否则(fuz)为明纹；条纹的级次是中间小，边缘高；条纹的间距是中间大，边缘小。第47页/共51页第四十八页，共51页。 入射光经半反膜后分成两束，G1、G2 是平行放置的平板玻璃，其中(qzhng)G2 是补偿板。M 1、M2 是两个全反镜，一般相互垂直。M 12211S半透半反膜M2M1G1G2E第48页/共51页第四十九页，共51页