大物波动光学

1、 英国物理学家，考古学家，医生。光的波动说的奠基人 之一。1773年6月13日生于米尔费顿，曾在伦敦大学、爱丁堡 大学和格丁根大学学习，伦敦皇家学会会员，巴黎科学院院 士。1829年5月10日在伦敦逝世。 杨自幼天资过人，14岁就通晓拉丁、希腊、法、意、阿拉 伯等多种语言。开始时学习医学，后来酷爱物理学，特别是 光学和声学，一生在物理、化学、生物、医学、天文、哲学 、语言、考古等广泛的领域做了大量的工作，但在科学史上 他以作为物理学家而最著名。杨在行医时就开始研究感官的 知觉作用，1793年写了第一篇关于视觉的论文，发现了眼睛中晶状体的聚焦作用,1801年发现眼睛散光的原因，由此进入光学的研究

2、领域。他怀疑光的微粒说的正确性，进行了著名的杨氏双孔及双缝干涉实验，首次引入干涉概念论证了光的波动说，又利用波动说解释了牛顿环的成因及薄膜的彩色。他第一个测定了7种颜色光的波长。1817年，他得知A.J.菲涅尔和D.F.J.阿拉果关于偏振光的干涉实验后，提出光是横波。杨对人眼感知颜色问题做了研究，提出了三原色理论。他首先使用运动物体的“能量”一词来代替“活力”，描述材料弹性的杨氏模量也是以他的姓氏命名的，他在考古学方面亦有贡献，曾破译了古埃及石碑上的文字。杨 T.(Thomas Yong , 17731829 )光的基本概念光的干涉 ()光的衍射()光的偏振第四章 波动光学光学的发展历史我国古

3、代对光的认识17世纪末叶之前人们对光的认识牛顿的微粒说和惠更斯的波动说光的波粒二象性光学的分类（1）几何光学：以光的直线传播为基础，研究在透明介质中的传播问题。包括：直线传播定律、反射折射定律。波动光学：以光的波动性为基础，研究光的干涉、衍射、偏振。即：研究光的波动性。量子光学：以光和物质的相互作用所显示的粒子性为基础。（2）物理光学：光是一种电磁波平面电磁波方程 真空中的光速 光矢量： 矢量, 它在引起人眼视觉和底片感光上起主要作用 .4.1 描述光的基本概念4.1.1 光源、光源的发光特点4.1.1 光源、光源的发光特点光源：可以发光的物体。根据发光的方式不同，光源可分为两大类：利用热能发

4、光的称为热光源；利用电能、光能或化学能发光的称为冷光源。可见光的范围光源：可以发光的物体。其分类：（1）按发光机制可分为：普通光源、激 光光源。（2）按能量激发方式可分为：热光源、冷光源。（3）按相干性可分为：复色光源、单色光源。（4）按形状可分为：点光源、面光源等。热光源的发光机制热光源中，大量的分子和原子在热能的激发下辐射电磁波。它们发出的光是由一系列有限长、振动方向一定、振幅不变或缓慢变化的波列组成。持续时间：10-810-10s波列长度：1mXE一个波列4.1.2 光强与光的单色性光强：光的强度指单位面积上获得的平均光功率。由坡印廷矢量S 确定 即： 波的平均能流密度1.（1）单色光：

5、具有单一频率的光。一般认为：光的单色性与复色性2.单色性较差单色性较好单色性极好II0/2I0对应的 称为波长宽度 结论: 绝对的单色光是不存在的!（2）复色光：由各种不同频率的光复合而成的光。例如：白光既是由多种颜色的光复合而成。红光 紫光波长：7600 4000 频率：=C/ 增加 在同一介质中：n 增加 （3）获得单色光的方法：滤波4.1.3 光的相干性设空间有两个同频的单色光源S1 和S2 它们发出的光相交于空间一点P 。S1S2r1r2P1,2为初位相，c/n为介质中的光速其中：如果两光矢量的方向相同，则在P点的合成光矢量的值为：合光强为：其大小将由位相差决定,若两光位相差恒定将出现

6、有些点加强有些点减弱的现象,这种现象称为光的干涉。 若两束光频率相同、光矢量方向相同、位相差恒定或位相相同，这两束光在空间相遇时将产生干涉现象，称为相干光，满足此条件的光源称为相干光源。4.1.4 光程与光程差 对某一单色光，其频率一定。在折射率为n 的介质中光的波长为：因此在折射率为n 的介质中光波传播x 在位相上（时间上）相当于在真空中传播nx 的距离。我们就把nx 称为在这种介质中的光程。相当于将光的传播都折算为真空中的传播。例如：如图所示，求：A、B两点间的位相差n1n2A Bd1d2（2）光程差：两束相干光在相遇点的位相差为：上式中，nr2-nr1 表示两相干光源到相遇点的光程的差值

7、，称为光程差。透镜不引起附加的光程差：MSNABPQBSSMNAPQPS1S2nx4.1.5 获得相干光的方法来自两个独立光源的光和来自同一个光源的不同部分的光，不满足相干光的条件。而将光源发出的一束光分解为两束，在经过不同的光程后相遇时，将满足相干条件，发生干涉现象。分波阵面法：使同一波阵面上的两点成为新的光源（满足相干光源的条件）。分振幅法：将一束光分解为两束光（满足相干光条件）。相干光的产生分波阵面法*光源分振幅法结果：关于 P0对称的明暗相间的条纹，P0为明纹。P0S1S2S装置：如图所示。4.2.1 杨氏双缝实验4.2 分波阵面法杨氏双缝干涉实验明、暗纹条件：由光源S1、S2发出的光

8、到达屏E 上的任一点P 的光程差为：r2r1S1S2ODdPxx-d/2x+d/2E在空气中，n=1由相干加强和减弱的条件得由几何关系：相邻条纹间距 明暗条纹的位置白光照射时，出现彩色条纹暗纹明纹 一定时，若 变化，则 将怎样变化？1）讨论2） 条纹间距 与 的关系如何？ 一定时，4.2.2 其它分波阵面法干涉实验（1）菲涅耳双面镜实验PPML 半波损失 ：光从光速较大的介质射向光速较小的介质时反射光的相位较之入射光的相位跃变了， 相当于反射光与入射光之间附加了半个波长的波程差，称为半波损失.（2）劳埃镜实验（1）分析清楚哪两束光在什么位置发生干涉；（2）正确计算干涉点处的光程差（注意：当光从

9、折射率小的光疏介质射入折射率大的光密介质时，反射光有半波损失）；（3）计算并讨论干涉条纹的空间分布或分布的变化。分析干涉问题的基本步骤干涉加强干涉减弱例1、以单色光照射到相距为0.2mm的双缝上,双缝与屏幕的垂直距离为1m. (1) 从第一级明 纹 到同侧 的第四级明 纹的距离为7.5mm,求单色光的波长;(2) 若入射光的波长为600nm,求相邻两明纹间的距离.解 （1）（2）例1、将焦距为f 的透镜切去宽为b = f /1000的中央部分，在将两半粘合。如图所示。距透镜 2f 处放一波长为 的单色光源，在透镜的后焦面上放一屏。已知：db， =5000，f = 100cm。求：（1）屏上两相

10、邻干涉条纹的距离； （2）屏上可能呈现条纹的最大数目。 （3）若屏放在 2f 以外 能否发生干涉？db解: （1）如图所示，在屏上的干涉区域O1 O2ffSS1S2O2O1屏b2f（2）如图，干涉区间O1 O2= b（3）因为两个相干波源发出的光不能相 遇，所以不能发生干涉现象。例2、用n=1.58的薄云母片覆盖杨氏双缝干涉装置的一条缝，这时接收屏中心被第五级亮纹占据。（1）若光源波长为0.55m，求云母片的厚度；（2）若双缝相距0.60mm ，屏与缝的距离为2.5m，求：0级明纹的中心所在的位置。（2）干涉条纹中明纹的间距为：零级明纹在屏上的位置（到屏中心的位置）为：解：（1）在第k 级亮纹处两相干光的光程差为波长的k 倍。设云母片的厚度为e则两束光到达屏中央的光程差为：例3、在双缝干涉实验中，单色光源S0到双缝S1 和S2的距离分别为L1和L2，