大学物理光学-课件教学提纲

第五篇光学(guāngxué)光学(guāngxué)绪论人类对光的认识过程光学是物理学最早的一个(yīɡè)分支，也是最前沿的学科微粒说i几何光学光的传播定律光的独立传播定律光的直线传播定律光的反射和折射定律从认识光到几何光学2000年左右17世纪研究光的本性光是从光源中发出的粒子流（弹性小球按惯性沿直线传播牛顿）。第一页，共75页。波粒二象性波动(bōdòng)说光是从光源中发出(fāchū)的某种波动。（机械波惠更斯）波动说理论本身不能自恰自相矛盾(zìxiāngmáodùn)。媒质“以太”17，18世纪微粒说占统治地位。19世纪中期麦克斯韦提出了光的电磁波理论，才确立了波动说。19世纪末20世纪初中期麦克斯韦提出了光的电磁波理论，才确立了波动说。第二页，共75页。§1光的相干性相干的3个条件，加强减弱的稳定(wěndìng)分布光干涉现象为明，暗相间条纹(tiáowén)的稳定分布两个(liǎnɡɡè)独立光源不相干原子发光间歇的波列机械波波源媒质光波光源“以太”§2研究光干涉的基本实验1几种实验装置扬氏双缝实验第十四章光的干涉第三页，共75页。观察(guānchá)屏菲涅尔双面镜实验(shíyàn)S菲涅尔双棱镜(léngjìng)实验S第四页，共75页。洛埃镜实验(shíyàn)S第五页，共75页。2干涉(gānshè)条纹的分布2a<<Dx<<DD2ap(x)o2D第六页，共75页。（明纹中心(zhōngxīn)位置）第七页，共75页。3半波(bànbō)损失x—D2a暗

S条件(tiáojiàn)：从光蔬媒质—光密媒质(1)位相改变(gǎibiàn)（2）形成波节（3）从波蔬媒质到波密媒质的反射P不同，间隔不同红x，紫x红紫白光（0级明纹，白的）紫红（一级明纹，彩带）（一级明纹，彩带)同一D,2a，第八页，共75页。SPD=1m=1000mm求(2)=600nm例题(lìtí)解已知2a=0.2mmx=?第九页，共75页。(2)第十页，共75页。§3薄膜的干涉(gānshè)1薄膜干涉的一般(yībān)公式，光程1,2两束光的波程差=（2k+1)/2黑暗(hēiàn)的=2k明=(2k+1)暗光线2：ABC光线1：(半波损失)=k明亮的第十一页，共75页。真空(zhēnkōng)：不变不同(bùtónɡ)明暗k=0,1,2第十二页，共75页。明暗折射率n几何距离(jùlí)=光程第二条光线(guāngxiàn)的光程第一条光线(guāngxiàn)的光程光程：把光在媒质中走的距离折合到真空中，例如：在媒质中走的距离为r相当于在真空中走nr第十三页，共75页。第十四页，共75页。第十五页，共75页。明暗k=0,1,2薄膜干涉的一般(yībān)公式第十六页，共75页。例题：空气中放一水平(shuǐpíng)肥皂膜，以知：n=1.33解：i=0干涉(gānshè)加强时干涉(gānshè)加强（1）e.i一定,（2）,e一定,等倾干涉条纹（3）,i一定，等厚干涉条纹0.7m.问在反射光中观察，肥皂膜显现什麽颜色？e=0.32m.用白光垂直照射，波长从0.4----第十七页，共75页。k=0<0,k<0<0无物理(wùlǐ)意义k=1红外，无绿色(lǜsè)紫外，无k=2k=3第十八页，共75页。2等厚（干涉(gānshè)）条纹及其应用条件(tiáojiàn)：，i一定，e不同劈尖形薄膜明暗夸大(kuādà)Lkk+1eeLsin=L=e第十九页，共75页。L可测，如果(rúguǒ)已知如果(rúguǒ)已知测波长(bōcháng)

测小角条纹左移条纹右移条纹移动一条，厚度改变条纹移动N条，厚度改变第二十页，共75页。应用(yìngyòng)的例子（1）干涉(gānshè)膨胀仪光学玻璃(guāngxuébōlí)，平整度小于（2）测厚H条纹间隔mS第二十一页，共75页。测光学(guāngxué)平面的平整度凹陷(āoxiàn)凸起(tūqǐ)第二十二页，共75页。（4）牛顿(niúdùn)环RR-ereR>>e0明纹暗纹明环半径(bànjìng)暗环半径(bànjìng)第二十三页，共75页。注意(zhùyì)半波(bànbō)损失/n垂直(chuízhí)入射应用：

如已知R如已知R光路中引入透镜不改变光程差第二十四页，共75页。迈克耳逊干涉仪（可移动(yídòng)）观察(guānchá)系统12S不垂直(chuízhí)等厚干涉如严格垂直等倾干涉移走的条纹数N，移动的距离d知d

知d

第二十五页，共75页。潜望镜20个透镜(tòujìng)，所剩能量（光强）玻璃(bōlí)空气(kōngqì)（氟化镁）玻璃与型号有关h膜的上，下表面都有半波损失4增透膜普通相机6个透镜，12个玻璃表面所剩能量（光强）反射5%，透过95%。第二十六页，共75页。平面(píngmiàn)单色光垂直入射，黄绿光=0。552（m）恰好(qiàhǎo)（m）第五章光的衍射(yǎnshè)§1光的衍射现象，惠更斯—菲涅耳原理S圆盘影子第二十七页，共75页。S小孔S屏很小中心(zhōngxīn)为亮点第二十八页，共75页。中心(zhōngxīn)可亮可暗S小孔入射波方向(fāngxiàng)PdSCy=dSn第二十九页，共75页。积分法振幅(zhènfú)矢量法菲涅耳半波(bànbō)带法*衍射(yǎnshè)的两大分类光源，屏幕距衍射屏有限远光源，屏幕距衍射屏无限远SP衍射屏菲涅耳衍射（近场衍射）第三十页，共75页。衍射(yǎnshè)菲涅耳SP衍射(yǎnshè)夫琅和费衍射(yǎnshè)（远场衍射(yǎnshè)）第三十一页，共75页。单缝衍射§2SPSOpABC第三十二页，共75页。aABC半波(bànbō)带ABAC=asin狭缝(xiáfénɡ)宽a=AB光强极小(jíxiǎo)暗纹中心光强极大明纹中心

不包括明纹中心

暗纹中心明纹中心第三十三页，共75页。中央(zhōngyāng)明纹中央(zhōngyāng)明纹中心=0中央(zhōngyāng)明纹一级明纹二级明纹三级明纹一级暗纹二级暗纹三级暗纹位置IO(sin)半角宽度第三十四页，共75页。例题，已知=500nm平行(píngxíng)单色光垂直入射a=0.25mmf=25cm求:(1)两第三级明纹之间的距离(jùlí)（2）第三级明条纹(tiáowén)的宽度解：fo（1）第三级明条纹满足条纹距离第三十五页，共75页。（2）第三级明纹的宽度(kuāndù)第四级暗纹第三级暗纹第三级明纹宽度(kuāndù)§3光学仪器(成像系统(xìtǒng))的分辨本领L能分辨恰好分辨不能分辨=第三级暗纹和第四级暗纹之间的距离第三十六页，共75页。瑞利判据(pànjù)L分辨率越好RD第三十七页，共75页。1现象(xiànxiàng)和定性解释§4光栅(guāngshān)衍射a---通光(tōnɡɡuānɡ)的缝宽Opb---不通光部分的宽度第三十八页，共75页。d=a+b光栅(guāngshān)常数总的刻线(kèxiàn)数Np第三十九页，共75页。单缝衍射多光束(guāngshù)干涉光栅(guāngshān)衍射I位置(wèizhi)I位置第四十页，共75页。2光栅(guāngshān)方程单色光垂直(chuízhí)入射dsin=±kk=0,1,2,3pd=dsin第四十一页，共75页。例题(lìtí)已知：每毫米刻500个缝，单色光垂直入射=590nm求：最多能看到几级明条纹(tiáowén)。解：0级明纹1级明纹2级明纹（a+b）sin=k最高级由决定(juédìng)第四十二页，共75页。3光栅(guāngshān)的缺级问题某一衍射角既满足(mǎnzú)又满足(mǎnzú)(a+b)sin=k

p亮暗光栅的第k级明纹消失缺级如如缺2的倍数级缺3的倍数级第四十三页，共75页。4应用（1）测光波长(bōcháng)装置(zhuāngzhì)：分光仪平行(píngxíng)光管圆盘望远镜可测，数出k如已知（a+b）如已知

(a+b)(2)光谱分析(a+b)固定

第四十四页，共75页。红光紫光白光012340123401234入射光线衍射(yǎnshè)光线在法线同侧入射光线衍射(yǎnshè)光线在法线两侧第四十五页，共75页。5光栅(guāngshān)光谱

-----+d

----

+d

角色散度D同一级次谱线的半角宽度(kuāndù)恰好(qiàhǎo)分辨第四十六页，共75页。(a+b)sin=k(a+b)cosd=kd(a+b)kD能分辨(fēnbiàn)恰好(qiàhǎo)分辨不能分辨(fēnbiàn)第四十七页，共75页。根据(gēnjù)瑞利判据d=谱线的半角宽度(kuāndù)分辨本领kNR§5X射线的衍射(yǎnshè)-+Ak（理论是可算出）第四十八页，共75页。衍射(yǎnshè)ABCABdd1212CAD-CB=0D第四十九页，共75页。2dsin=kK=1,2,3相干(xiānggān)加强应用(yìngyòng)：X射线(shèxiàn)晶体检测器铅板X射线分光仪如已知----d

结构分析d----光谱分析第五十页，共75页。第十六章光的偏振(piānzhèn)§1自然光与偏振光1自然光与偏振光E矢量(shǐliàng)光矢量(shǐliàng)E的振动光振动E的振动方向光的振动方向偏振光线偏振光完全偏振光传播方向偏振状态uEH第五十一页，共75页。自然光部分(bùfen)偏振光第五十二页，共75页。2起偏和检偏偏振片偏振片偏振(piānzhèn)化方向最亮最暗半明半暗(bànmínɡbànàn)第五十三页，共75页。３马吕斯定律(dìnglǜ)I=0I=0最亮最暗半明半暗(bànmínɡbànàn)振幅(zhènfú)第五十四页，共75页。§2反射和折射(zhéshè)时光的偏振空气(kōngqì)玻璃(bōlí)布儒斯特起偏角推论:反射线与折射线垂直证明：入射角反射角布儒斯特定律第五十五页，共75页。由布儒斯特定律(dìnglǜ)折射(zhéshè)定律反射线与折射线垂直(chuízhí)[证毕]第五十六页，共75页。空气(kōngqì)玻璃(bōlí)玻璃片堆玻璃片堆线偏振光自然光起偏器第五十七页，共75页。应用(yìngyòng)：布儒斯特窗§3双折射1双折射现象(xiànxiàng)，寻常光，非寻常光ABCDABCDeo方解石晶体(jīngtǐ)各向异性一条遵守折射定律,寻常光，,o光一条遵守不折射定律,非寻常光,e光都是线偏振光第五十八页，共75页。光轴------一个(yīɡè)方向单轴晶体（方解石,石英(shíyīng)）双轴晶体（云母(yúnmǔ),硫磺）法线（光线入射的界面）光线,光轴主截面:光轴（晶体的主截面）主平面:（光线的主平面）o光的振动方向垂直于自己的主平面;e光的振动方向平行于自己的主平面.特殊情况:三个平面重合(入射光线在主截面内,光轴在入射面内,入射面与主截面一致.)第五十九页，共75页。第六十页，共75页。2惠更斯作图法o球面(qiúmiàn)e旋转(xuánzhuǎn)椭球面不垂直(chuízhí)第六十一页，共75页。正晶体球面(qiúmiàn)包围椭球面(qiúmiàn)负晶体椭球面包围(bāowéi)球面正晶体(jīngtǐ)石英负晶体方解石第六十二页，共75页。B空气(kōngqì)方解石oeC空气(kōngqì)方解石oeoe空气(kōngqì)方解石oe第六十三页，共75页。3格兰(ɡélán)---汤姆逊棱镜oe玻璃(bōlí)n=1.655第六十四页，共75页。§4椭圆偏振光和圆偏振光波片C晶体(jīngtǐ)光轴第六十五页，共75页。

椭圆偏振光圆偏振光线偏振光偏振(piānzhèn)方向转2角波片e光跑在前o光跑在前第六十六页，共75页。线偏振光椭圆偏振光第六十七页，共75页。第六十八页，共75页。问题:来一束光,偏振