大物复习---光学

1、第第22章章 光的干涉光的干涉 几何光学几何光学 以光的直线传播为基础。（中学已学）以光的直线传播为基础。（中学已学）波动光学波动光学- 光传播过程中的干涉、衍射、偏振等现象光传播过程中的干涉、衍射、偏振等现象 和规律，以光的波动性为基础。（本章）和规律，以光的波动性为基础。（本章） 量子光学量子光学- 光和其他物质发生相互作用时的现象光和其他物质发生相互作用时的现象 及规律，以光的粒子性为基础。（下册）及规律，以光的粒子性为基础。（下册）光学包括：光学包括：现代光学现代光学 非线形光学，激光学等。（下册）非线形光学，激光学等。（下册） 光的单色性和相干性、光程光的单色性和相干性、光程1、光、

2、光（可见光）指真空中波长为可见光）指真空中波长为40007600 的电磁波。的电磁波。一、光源一、光源光是横波光是横波光矢量：电场强度光矢量：电场强度 。E平面电磁波方程平面电磁波方程)(cos0urtEE )(cos0urtHH m/s10318 c 真空中光速真空中光速A4000A4300A4500A5000A5700A6000A6300A76002、光源：发光的物体。根据激发方式不同普通光源分为：、光源：发光的物体。根据激发方式不同普通光源分为：1）热致发光热致发光：高温物体可发射可见光。：高温物体可发射可见光。 白炽灯（热光源）白炽灯（热光源）2）电致发光电致发光：电能直接变成光能的现

3、象。如闪电、霓虹灯。：电能直接变成光能的现象。如闪电、霓虹灯。3）光致发光光致发光：用光引发光的发光的现象。日光灯：用光引发光的发光的现象。日光灯, 交通指示牌。交通指示牌。4）化学发光化学发光：发生化学反应而发光。如燃烧。：发生化学反应而发光。如燃烧。3、普通光源发光机理、普通光源发光机理: 1）光由光源中大量原子或分子从高能光由光源中大量原子或分子从高能 级状态跃迁到低能级状态产生级状态跃迁到低能级状态产生。 =(E2 E1)/hE1E2能级跃迁辐射能级跃迁辐射发光特点：发光特点：光束是由频率不相同、振动方向各异、无确光束是由频率不相同、振动方向各异、无确 定相位关系的各自独立的波列组成。

4、定相位关系的各自独立的波列组成。3）跃迁辐射是间歇的、无规则的。而）跃迁辐射是间歇的、无规则的。而 不同原子的辐射相互独立，它们的不同原子的辐射相互独立，它们的 波列的特点各不相同。波列的特点各不相同。波列波列波列长波列长L= c2）任一瞬时任一原子或分子能级跃迁）任一瞬时任一原子或分子能级跃迁 发出一段频率和振动方向一定、长发出一段频率和振动方向一定、长 度有限的光波波列。度有限的光波波列。2、光的相干性、光的相干性1）单色光：具有单一）单色光：具有单一 频率（波长）的光。频率（波长）的光。2）复色光：含有很多不同频率的光。）复色光：含有很多不同频率的光。3）准单色光：由一些波长相差很小的单

5、色光组合而成的光。）准单色光：由一些波长相差很小的单色光组合而成的光。4）单色光的获得：棱镜、滤光片等。）单色光的获得：棱镜、滤光片等。1）同频率、同振动方向、在相遇）同频率、同振动方向、在相遇 点相位差恒定为相干光。点相位差恒定为相干光。二二 、光的单色性和相干性、光的单色性和相干性2）补充条件：）补充条件： 两束光在相遇点的两束光在相遇点的光强差光强差不能太大。不能太大。两束光在相遇点的两束光在相遇点的光程差光程差不能太大。不能太大。1、光的单色性、光的单色性谱线宽度：光强为最大光强一半处的曲线宽度谱线宽度：光强为最大光强一半处的曲线宽度 。 相干光的相干光的相干条件：相干条件：OI 0I

6、2/0I 谱线宽谱线宽度度 21II 21II I I0 0 2 2 -2-2 4 4 -4-4 4 4I I1 1衬比度差衬比度差 ( (V V 1) ，D d D d （d d 10 10 -4-4m m， D D 1m1m）波程差：波程差：Dxndndndrrn tgsin)(12相位差：相位差：2 P P 1801 1801年英国科学家年英国科学家Thomas YoungThomas Young首先成功实现光的首先成功实现光的干涉，证实光具有波动性。干涉，证实光具有波动性。一、杨氏双缝实验一、杨氏双缝实验22.122.1杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉xDnd 明纹：明纹： dnDkxkk ,

7、 暗纹：暗纹： ) ( ,) ( )( ndDkxkk21221212 条纹间距：条纹间距：x x0 0 x xI I x xr r1 1 r r2 2 x xd dx xD D0 0P P0,1,2,2 kk 0,1,2, )12( kk， dDx 2 Dxnd 二二 、双缝干涉光强公式、双缝干涉光强公式 cos22121IIIII 设设 I I1 1 = = I I2 2 = = I I0 0，则光强为，则光强为 sin2sindkd 光强曲线光强曲线k k0 01 12 2-1-1-2-2I I0 0 2 2 -2-2 4 4 -4-4 4 4I I0 0sinsin 0 0 /d/d-

8、 - /d /d- -2 2 /d /d2 2 /d/dx x0 0 x x1 1x x2 21 x2 x2cos420 II白光入射的杨氏双缝干涉照片白光入射的杨氏双缝干涉照片红光入射的杨氏双缝干涉照片红光入射的杨氏双缝干涉照片1、明暗条纹以、明暗条纹以O点为中心对称分布于屏上。点为中心对称分布于屏上。 kxDdn 当当时，产生明纹时，产生明纹明纹位置明纹位置:ndDkx k = 0,1,2,.当当k = 0 时，对应时，对应O点点 中央明纹中心中央明纹中心的位置的位置2)12( kxDnd当当时产生暗条纹时产生暗条纹暗纹位置暗纹位置:ndDkx2)12( k = 1,2,.讨讨 论论ox2

9、、相邻的明（暗）纹的间距相等。、相邻的明（暗）纹的间距相等。影响条纹间距的因素：影响条纹间距的因素：1）条纹间距与双缝间距的关系条纹间距与双缝间距的关系dx1 ndDx 注意注意ox2）条纹间距与波长的关系条纹间距与波长的关系 x3 3、用白光光源产生彩色干涉条纹、用白光光源产生彩色干涉条纹白光白光=4000=40007600A( (可见光可见光) )同级同级( (k k一定一定) )明条纹不同波长对应的位置明条纹不同波长对应的位置 ndkDx 长波在外长波在外( ( x x 较大较大) )短波长的在内短波长的在内( (靠近靠近O, x O, x 较小较小), ), k k 较大时较大时光谱发

10、生重叠现象光谱发生重叠现象. .d/D)kk(d/D)(kd/D)1k(x 在屏幕上在屏幕上x x处发生重级时，满足：处发生重级时，满足：1 k2 k3 k2 k1 k3 k6 6 、在空气中、在空气中n1,n1,相应公式改变。相应公式改变。5 5、D,dD,d不变不变增大，现象与增大，现象与1 1同。同。紫紫红红xx 4 4、n n一定时一定时 DddDx或或,除中央明纹外其他条纹均向远离除中央明纹外其他条纹均向远离o o的方向移动。的方向移动。 ndDx 三三、干涉问题分析的要点、干涉问题分析的要点（1 1）确定发生干涉的光束；）确定发生干涉的光束； （2 2）计算波程差（光程差）；）计算

11、波程差（光程差）； （4 4）求出光强公式、画出光强曲线。）求出光强公式、画出光强曲线。（3 3）明确条纹特点：）明确条纹特点： 形状、形状、 位置、位置、级次分布、级次分布、 条纹移动等；条纹移动等；例例22-122-1 用白光作光源观察双缝干涉。设缝间距为用白光作光源观察双缝干涉。设缝间距为d d，试求，试求能观察到的清晰可见光谱的级次。能观察到的清晰可见光谱的级次。解：解： 白光波长（白光波长（390750nm390750nm），明纹条件有），明纹条件有sindk rv某级次的红光某级次的红光 和高一级次的紫光和高一级次的紫光 重合有重合有rv1kk因而因而vrv3901.0875039

12、0k由于由于k k只能取整数，故有从紫到红的排列清晰的可见光只能取整数，故有从紫到红的排列清晰的可见光谱只有正负一级，如下图所示谱只有正负一级，如下图所示 例题例题1 杨氏双缝干涉实验中双缝到屏的的距离为杨氏双缝干涉实验中双缝到屏的的距离为2.00米，所米，所用单色光的波长用单色光的波长 . . 1）在屏上测得中央明纹两侧第在屏上测得中央明纹两侧第五级条纹间距为五级条纹间距为3.44cm, ,求双缝间距求双缝间距d。2）将上述装置浸入将上述装置浸入n =1.33 的水中求中央明纹两侧第五级的间距。的水中求中央明纹两侧第五级的间距。A5893 解：解： dDx5)1 m1043. 3105893

13、1044. 300. 210104102 xDd2）浸入水中）浸入水中m1059. 233. 11044. 31022 nxndDx dDxxx1055 d00.22r1rS1S2S xpo 例题例题2 已知已知S 2 缝上覆盖的介质厚度为缝上覆盖的介质厚度为 h ，折射率为，折射率为 n ，设，设入射光的波长为入射光的波长为 。问：原来的零级明条纹移至何处？若移至问：原来的零级明条纹移至何处？若移至原来的第原来的第 - k 级明条纹处，其厚度级明条纹处，其厚度 h 为多少？为多少？hnrrrnhhr)1()(1212 解：解：1）从）从S 1 和和S 2 发出的相干光所对应的光程差：发出的相

14、干光所对应的光程差：0)1(12 hnrr现在零级明纹的位置应满足：现在零级明纹的位置应满足：光程差为零光程差为零零级明条纹下移零级明条纹下移0)1(12 hnrr 2）原来）原来 - k 级明条纹位置满足：级明条纹位置满足：设有介质时零级明条纹移到原来设有介质时零级明条纹移到原来第第 - k 级处，它必须满足：级处，它必须满足： khn )1( 1/ nkh krr 120)1(12 hnrr 同一同一 位置位置 x1S2S1r2rh 一般光源的发光机制：被激发到较高能级的原子跃迁到低一般光源的发光机制：被激发到较高能级的原子跃迁到低能级时，辐射出能量。能级时，辐射出能量。一、相干光源一、相

15、干光源不同原子发出的光，一般不是相干光。不同原子发出的光，一般不是相干光。1 12 22121.const21EE22.2 22.2 相干光相干光同一原子发出的一束光，分成两束后成为相干光。同一原子发出的一束光，分成两束后成为相干光。 类双缝实验类双缝实验劳埃德劳埃德(Lloyd)(Lloyd)镜镜 ( (半波损失！半波损失！) )菲涅耳菲涅耳(Fresnel)(Fresnel)双镜双镜菲涅耳双棱镜菲涅耳双棱镜分振幅法分振幅法分波阵面法分波阵面法1ssP2s洛埃德镜实验洛埃德镜实验1sPM2sd d 当屏幕当屏幕P 移至移至B 处，从处，从 S 1 和和 S 2 到到B 点的光程差为零，点的光

16、程差为零，但是观察到暗条纹，但是观察到暗条纹，验证了反射时有半波损失存在。验证了反射时有半波损失存在。PBP1M2MLCd2sd1ss菲涅耳双面镜实验：菲涅耳双面镜实验：用一个点光源和两个互不平行的平面镜用一个点光源和两个互不平行的平面镜, , 获得相干光源获得相干光源; ; 干涉干涉光路与杨氏双缝类似光路与杨氏双缝类似* * 22.3 22.3 光的非单色性对干涉条纹的影响光的非单色性对干涉条纹的影响 0 0I II I0 020I 20 20 1.1.理想的单色光理想的单色光2.2.实际光束：实际光束：波列波列 准单色光准单色光 准单色光：准单色光：在某个中心波长（频在某个中心波长（频率）

17、附近有一定波长（频率）范围的率）附近有一定波长（频率）范围的光。光。 : : 谱线宽度谱线宽度 3 3、非单色性对干涉条纹的影响、非单色性对干涉条纹的影响)2)(1()2( MMkk 设能产生干涉的最大级次为设能产生干涉的最大级次为k kM M ，又又则有则有 - (- ( /2)/2)合成光强合成光强x x1 12 23 34 45 56 60 01 12 23 34 45 50 0I I 0 0I II I0 020I + + ( ( /2)/2) dDkxk Mk4 4、相干长度与相干时间、相干长度与相干时间1)1)、相干长度、相干长度（coherent lengthcoherent l

18、ength） 两列波能发生干涉的两列波能发生干涉的最大波程差最大波程差叫叫相干长度。相干长度。 2MMk ：中心波长中心波长S SS S1 1S S2 2c c1 1c c2 2b b1 1b b2 2a a1 1a a2 2 P PS S1 1S S2 2S Sc c1 1c c2 2b b1 1b b2 2a a1 1a a2 2P P才能才能发生干涉。发生干涉。波列长度就是相干长度：波列长度就是相干长度：相干长度相干长度能干涉能干涉不能干涉不能干涉只有只有同一波列同一波列分成的两部分，分成的两部分，经过不同的路经过不同的路程再程再相遇相遇时，时，McL 普通单色光：普通单色光：激光：激光： nm101013 ： m101013 ： M nm101069 ： km101021： M （实际上，一般为（实际上，一般为10 10 -1 -1 10 101 1m m）（理想情况）（理想情况） McM 光通过相干长度所需时间叫光通过相干长度所需时间叫相干时间。相干时间。2)2)、相干时间、相干时间（coherent lengthcoherent length）的长短来衡量的。的长短来衡量的。 光的单色性好，光的单色性好，