大二上所有学习-工科物理2光学

第15章波动光学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，它可以精密地测量长度及长度的微小变化等.光学发展简史公元前400多年,中国的《墨经》有光学实验等记载公元前300年,希腊《反射光学》有光直线传播和反射定律记载1100年，阿拉伯人阿尔-海兹恩(Al-hazen)发明第一个透镜1590年琼森(Jonsen)和李普塞(Lippershey)发明第一架望远镜十七世纪初冯特纳(Fontana)发明第一架显微镜1621年斯涅耳(Snell)给出了光的反射定律和折射定律十七世纪费马(Fermat)提出了费马原理—光程极值原理●光学早期发展1665年，牛顿(IsaacNewton)提出光的微粒学说●光的微粒说牛顿认为：光是一种微粒流，微粒从光源飞出来,

在均匀物质内以力学定律作等速运动。从光直线传播性推测4对光的反射定律解释：光微粒→弹性碰撞→对光的折射定律解释：光微粒通过界面受阻→但对于水面：(实验结果)光在水中速度光在空气中速度1690年，惠更斯(ChristianHuggens)提出光的波动学说●光的波动说惠更斯原理惠更斯认为：光同声一样,是以球面波传播的,

如同石子投入水面时看到的波相似。从声现象和光现象有许多类似而推测声在大气中传播，水波在水面上传播，光在什么介质中传播呢？惠更斯提出光在“以太”中传播，“以太”充满宇宙的全部空间。惠更斯原理:媒质中波动传到的各点,都可以看作是发射子波的波源,在其后的任一时刻,这些子波的包络面就决定了新的波阵面.ChristianHuygens,(荷),1690

平面波:球面波:7惠更斯原理对光的反射定律解释：包络面DC由AC间次波元构成→光线2：B→C光线1：A→D速度同∴△ABC≌△ADC8惠更斯原理对光的折射定律解释：光线2：B→C光线1：A→D包络面DC由AC间次波元构成→速度不同光在水中速度光在空气中速度对于水面：(实验结果)1801.Young第一次用实验支持光的波动说,叠加原理。1815.Fresnel解释衍射，1818.提出H-F原理,确立波动说（Poisson斑,用牛顿的力学击败了牛顿的光学）●波动说的决定性胜利波动说结论:水空气1850年，傅科(J.B.L.Foucault法)实验测得：微粒学结论:空气水水空气波动学说正确1865年，麦克斯韦(英)①光与电磁波都横波②光与电磁波传播速度相同③光与电磁波都有干涉、衍射现象光是电磁波●光学的现代发展光的波动学说不能解释的现象：黑体辐射现象；光电效应；…1900年普朗克(德)提出辐射的量子论,

解释了黑体辐射现象1905年爱因斯坦提出光子理论,

解释了光电效应光具有波粒二象性激光器半导体芯片…光学各领域蓬勃发展…计算机时代…原子弹爆炸原子能利用…核电站…光粒子遵从新的量子规律,而不符合牛顿力学量子力学狭义相对论原子物理学●现代光学分类:§15.1光是电磁波§15.2光波的叠加§15.3分波前干涉空间相干性§15.4光程与光程差§15.5分振幅干涉§15.6迈克耳孙干涉仪时间相干性§15.7光的衍射惠更斯－菲涅耳原理§15.8夫琅禾费衍射§15.9衍射光栅光栅光谱本章内容§15.10X射线在晶体上的衍射§15.11光的偏振线偏振光和自然光§15.12偏振片的起偏和检偏马吕斯定律§15.13光在反射和折射时的偏振布儒斯特定律§15.14光的双折射§15.15尼科耳棱镜渥拉斯顿棱镜波晶片§15.16偏振光的干涉人工双折射§15.17旋光效应简介本章内容§15.1

光是电磁波主要内容：1.光是一种电磁波2.平面简谐电磁波的性质3.光源和发光机理15.1.1光是一种电磁波1.电磁波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.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电磁波谱2.光是电磁波光色

波长/nm

频率/Hz中心波长/nm

红760~622

660

橙622~597610

黄597~577

570

绿577~492540

青492~470

480

兰470~455

460

紫455~400

430可见光七彩颜色的波长和频率范围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、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.人眼视见函数.反映人眼对不同波长光相对灵敏度的差别.波长/nm相对灵敏度附加：麦克斯韦的电磁波方程组—这正是波动方程设传播介质内：∴介质中传播速度为：在真空中：=光速15.1.2平面简谐电磁波的性质波函数表示的平面电磁波电磁波是横波

和同相位，幅值成比例电磁波的传播速度电磁波在真空中的传播速度介质折射率电磁波的能量电磁波能量密度电磁波能流密度坡印亭矢量电磁波平均能流密度(波的强度)有时，电磁波的强度也可表示为15.1.3光源和发光机理1.光源光源：光源的分类任何发光的物体都可以称为光源.光谱：使光波中不同频率的光分开，形成光谱.按光谱分为线谱光源连续谱光源(1)线谱光源氢原子的巴耳末线系照片(2)连续谱光源按激发方式分热辐射电致发光光致发光化学发光例如：太阳，白炽灯.例如：闪电，霓虹灯，发光二极管等.例如：日光灯，鳞光物质.例如：燃烧，鳞自燃，萤火虫.自发辐射2.光源发光机理波列E2E1(1)光波列长度(2)光波列长度与其单色性关系由傅立叶分析可知c光波单色性(3)光源中各光波列之间关系非相干(不同原子发的光)非相干(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.新型光源(1)激光：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.强度高；方向性好；偏振性好；稳定性好；波谱宽等.同步辐射光的特点：§15.2

光波的叠加主要内容：1.光波的叠加2.光波的相干条件15.2.1光波的叠加干涉项PS1S2r1r2···P点合光强为非相干叠加不恒定

两叠加光波的光矢量相互垂直或频率不相等或相位差不恒定，光波为非相干叠加，P点合光强为(1)(2)(3)结论相干叠加如果两光波频率相同;相位差恒定;光矢量振动方向平行,则其中两光波叠加区域P点的光强为(1)相长干涉(明纹)(2)相消干涉(暗纹)如果如果

讨论(1)光波的频率相同；(2)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.光的相干的条件15.2.2光波的相干条件

说明(1)各光波的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.丰富多彩的干涉现象白光照射肥皂薄膜的等厚干涉花样★实现光干涉的条件为什么通常看不到光的相干现象?光源发光机理:

由量子理论知：发光基本单元的原子能量是分立的,如图高能级→低能级跃迁→能量释放→发光其特点：

(波列长度)②各个原子辐射---独立性、随机性即：

①辐射过程短：△t=10-9～10-8

秒，∴每次辐射出的波的长度有限，即：各波列频率不同,振向不同,相位差不恒定∴一般光源为非相干光源P波列长度怎样获得相干光?

构思：同一波列→分成两束→重叠→干涉现象频率相同振动方向相同相位差恒定两种方法：⑴分波前干涉法:取同一波面的不同部分作为子光源→⑵分振幅干涉法:利用折射/反射把同一束光一分为二再使其相遇→pS

*薄膜上表面下表面12分束§15.3

分波前干涉空间相干性主要内容：1.杨氏干涉实验2.菲涅耳双面镜实验3.劳埃德镜实验*4.光波的空间相干性15.3.1杨氏干涉实验通过一些技术方法(例如:通过并排的两个小孔)从一个光源发出的同一光波列的波前上取出两个子波源，该获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AB光源2.干涉图样极值位置光强极小位置光强极大位置

只在z轴附近观察由上式得在实际的干涉实验中d<<

D

,光强分布图Ik012-1-24I0x0x1x2x-2x-1

屏上z轴附近分布着一系列平行、等间距、等强度的条纹.(2)干涉条纹中，在极大与极小值之间，光强逐渐过渡变化，且是非线性的变化.

讨论条纹间距(3)当用白光作为光源时，在中央零级白色条纹两边对称地排列着几条彩色条纹.同级条纹由中心向两侧的色序为紫

红.若有(4)间距与波长关系4I0Ix0x1x2x-2x-1当d和D保持不变时，由于，(5)间距Δx与两缝间距d关系当和D保持不变时，由于，光源S位置偏移对称轴的情况光源S→S',偏移量为ξ,条纹何变动?关健：计算光线1,2之间的光程差(注：S和S'不在同一波面上)两θ约等=零级亮纹位置:表明:新零级亮纹在x=-D/R处条纹间距不变当S→S'时,条纹整体向下平移15.3.2其它分波前干涉1.菲涅耳双面镜实验S•••dS1S2LrxO(1)调节两平面镜之间的夹角j

，可改变S1和S2间距，从而改变屏幕上干涉条纹的疏密程度.说明(2)j必须很小，否则干涉条纹过密，将观察不到明显的干涉现象.2.劳埃德镜实验S••xO接触处,

屏上O

点出现暗条纹

半波损失

半波损失:光波从折射率小的光疏介质向折射率大的光密介质入射时，反射光要产生数值为

的相位突变.这相当于反射光波多走了(或少走了)半个波长.O•*15.3.3光波的空间相干性1.干涉条纹的可见度两束相干光波叠加时，光强分布为可见度(描述条纹清晰度的物理量)则两束光波的强度越接近，可见度越大，干涉条纹就越清晰.

结论2.空间相干性OBS1S2••dSBSC•••SAbD•I此时，整个屏幕上处处强度相等，观察不到干涉条纹，该光源线度为干涉容许的光源最大尺度.此时满足：由几何关系可得：由于结果表明：光源的线度满足B在双缝干涉实验中，屏幕E上的P点处是明条纹.若将缝S2

盖住，并在

S1S2

连线的垂直平分面处放一反射镜M，如图所示，则此时例(A)P点处仍为明条纹.(B)P点处为暗条纹.(C)不能确定P点处是明条纹还是暗条纹.(D)无干涉条纹.EM由于在原来光程差上多(少)了半个波长,所以P点处为暗条纹.解(1)波长为600nm的平行光垂直入射在间距为0.2mm的双缝上时，在缝后1m处的像屏上形成干涉条纹.解例(1)第十级明纹中心的位置和第十级明纹的宽度(2)波长改为

400~760nm

的白光时，第二级谱线宽度、第二级谱线与第三级谱线重叠部分的宽度和重叠部分各波长范围.求明条纹中心条件为

相邻条纹间距为第十级明纹的宽度(2)明条纹中心条件第二级谱线的宽度为23bOa第二级λ2波长谱线与第三级λ3波长谱线重合，即同理有：第二级谱线与第三级谱线重叠部分各波长范围为第二级谱线与第三级谱线重叠部分的宽度为⑴设两缝间的距离为d，条纹的宽度得(m)(m)由⑵设共经过的距离为l(m)⑶条纹间距为条纹间距不变，整体平移。，若光波斜射到钢片上，(1)求两缝间的距离。(2)从任一明条纹(计作0)向一边数到第20条明条纹，共经过多少距离?(3)如果使光波斜入射到钢片上，条纹间距将如何改变?薄钢片上有两条紧靠的平行细缝，用波长为λ=546.1nm的平面光波正入射到钢片上。屏幕距双缝的距离为D=2.00m，测得中央明条纹两侧的第五级明条纹间的距离为§15.4

光程与光程差主要内容：1.光程2.光程差15.4.1光程便于研究同一光波在几种不同介质中传播或者计算几个经过不同介质的干涉光相遇时的相位差.1.目的：若时间

t内光波在介质中传播的路程为

r

,则相应在真空中传播的路程应为可见:光程是一个折合量，将光波在介质中传播的路程折合为同一时间内在真空中通过的相应路程。光程PQ••2.光程：15.4.2光程差2.相位差与光程差关系1.光程差3.物象之