大学物理-光学

一光是一种电磁波平面电磁波方程真空中的光速可见光的范围

光矢量用矢量表示光矢量,它在引起人眼视觉和底片感光上起主要作用.13－4相干光P21二相干光普通光源发光特点：原子发光是断续的，每次发光形成一长度有限的波列,各原子各次发光相互独立，各波列互不相干.1）普通光源的发光机制原子能级及发光跃迁基态激发态跃迁自发辐射2）相干光的产生波阵面分割法*光源振幅分割法p实验装置一杨氏双缝干涉实验波程差13－5杨氏双缝干涉减弱加强暗纹明纹p讨论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1）条纹间距与的关系;若变化，则将怎样变化？一定时，一定时，若变化，则将怎样变化？1）2）

条纹间距与的关系如何？一定时，二双缝干涉光强分布合光强干涉项若其中则光强分布图紫光光强分布图波长不同条纹间距不同红光光强分布图P三双镜四劳埃德镜

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.PML

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）一光程真空中的波长介质的折射率介质中的波长*P*13-6光程波程差相位差物理意义：光程就是光在媒质中通过的几何路程,按波数相等折合到真空中的路程.*P*介质中的波长1)光程:媒质折射率与光的几何路程之积=2）光程差

(两光程之差)光程差*P*干涉加强相位差干涉减弱AB二透镜不引起附加的光程差AB焦平面PL三薄膜干涉DC34E5A1B2反射光的光程差加强减弱PLDC34E5A1B2透射光的光程差注意：透射光和反射光干涉具有互补性，符合能量守恒定律.根据具体情况而定PLDC34E5A1B2当光线垂直入射时当时当时解(1)例一油轮漏出的油(折射率=1.20)污染了某海域,在海水(=1.30)表面形成一层薄薄的油污.(1)如果太阳正位于海域上空,一直升飞机的驾驶员从机上向下观察,他所正对的油层厚度为460nm,则他将观察到油层呈什么颜色?(2)如果一潜水员潜入该区域水下,又将看到油层呈什么颜色?绿色(2)透射光的光程差红光紫光紫红色

增透膜和增反膜利用薄膜干涉可以提高光学器件的透光率.取（增强）氟化镁为增透膜例为了增加透射率,求氟化镁膜的最小厚度.已知空气,氟化镁,减弱解

则23玻璃SM劈尖角一劈尖明纹暗纹13－7劈尖牛顿环劈尖干涉（明纹）（暗纹）讨论1）劈尖为暗纹.3）条纹间距（明纹或暗纹）2）相邻明纹（暗纹）间的厚度差劈尖干涉

4）干涉条纹的移动每一条纹对应劈尖内的一个厚度，当此厚度位置改变时，对应的条纹随之移动

例1有一玻璃劈尖,放在空气中,劈尖夹角,用波长的单色光垂直入射时,测得干涉条纹的宽度,求这玻璃的折射率.解2）测膜厚1）干涉膨胀仪劈尖干涉的应用空气3）检验光学元件表面的平整度4）测细丝的直径二牛顿环由一块平板玻璃和一平凸透镜组成光程差

牛顿环实验装置牛顿环干涉图样显微镜SLM半透半反镜TR光程差明纹暗纹rd暗环半径明环半径

4）应用例子:可以用来测量光波波长，用于检测透镜质量，曲率半径等.

1）从反射光中观测，中心点是暗点还是亮点？从透射光中观测，中心点是暗点还是亮点？2）属于等厚干涉，条纹间距不等，为什么？3）将牛顿环置于的液体中，条纹如何变？工件标准件暗环半径明环半径讨论测量透镜的曲率半径

例2用氦氖激光器发出的波长为633nm的单色光做牛顿环实验，测得第个k

暗环的半径为5.63mm,第k+5暗环的半径为7.96mm，求平凸透镜的曲率半径R.解总结

1）干涉条纹为光程差相同的点的轨迹，即厚度相等的点的轨迹2）厚度线性增长条纹等间距，厚度非线性增长条纹不等间距3）条纹的动态变化分析（变化时）4）半波损失需具体问题具体分析单色光源反射镜反射镜11－5迈克耳孙干涉仪与成角补偿板分光板移动导轨反射镜反射镜单色光源光程差的像当不垂直于时，可形成劈尖型等厚干涉条纹.反射镜反射镜单色光源干涉条纹移动数目迈克尔孙干涉仪的主要特性

两相干光束在空间完全分开，并可用移动反射镜或在光路中加入介质片的方法改变两光束的光程差.移动距离移动反射镜干涉条纹的移动当与之间距离变大时，圆形干涉条纹从中心一个个长出,并向外扩张,干涉条纹变密;距离变小时，圆形干涉条纹一个个向中心缩进,干涉条纹变稀.插入介质片后光程差光程差变化干涉条纹移动数目介质片厚度光程差圆孔衍射单缝衍射*13-6光的衍射现象*二惠更斯—菲涅尔原理：波阵面上面元(子波波源)菲涅尔指出衍射图中的强度分布是因为衍射时，波场中各点的强度由各子波在该点的相干叠加决定.点振动是各子波在此产生的振动的叠加.子波在点引起的振动振幅并与有关.：时刻波阵面*三菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射夫琅禾费衍射光源、屏与缝相距无限远缝在实验中实现夫琅禾费衍射菲涅尔衍射缝光源、屏与缝相距有限远夫琅禾费单缝衍射衍射角（衍射角：向上为正，向下为负.）菲涅尔波带法13－7单缝衍射一半波带法缝长干涉相消（暗纹）干涉加强（明纹）（介于明暗之间）（个半波带）个半波带个半波带中央明纹中心二光强分布干涉相消（暗纹）干涉加强（明纹）当较小时，干涉相消（暗纹）干涉加强（明纹）讨论（1）第一暗纹距中心的距离第一暗纹的衍射角一定，越大，越大，衍射效应越明显.光直线传播增大，减小一定减小，增大衍射最大第一暗纹的衍射角角范围线范围中央明纹的宽度（2）中央明纹（的两暗纹间）单缝宽度变化，中央明纹宽度如何变化？越大，越大，衍射效应越明显.入射波长变化，衍射效应如何变化?（4）单缝衍射的动态变化单缝上移，零级明纹仍在透镜光轴上.单缝上下移动，根据透镜成像原理衍射图不变.（3）条纹宽度（相邻条纹间距）干涉相消（暗纹）干涉加强（明纹）除了中央明纹外的其它明纹、暗纹的宽度（5）入射光非垂直入射时光程差的计算（中央明纹向下移动）（中央明纹向上移动）如图所示，用波长为的单色光垂直入射到单缝AB上，（1）若AP-BP=2，问对P点而言，狭缝可分几个半波带？P点是明是暗？（2）若AP-BP=1.5，则P点又是怎样？对另一点Q来说，AQ-BQ=2.5，则Q点是明是暗？P、Q二点相比哪点较亮？13-8衍射光栅许多等宽度、等距离的狭缝排列起来形成的光学元件.衍射角明纹位置相邻两缝间的光程差：光栅常数：光栅常数衍射角：透光部分的宽度：不透光部分的宽度二光栅衍射条纹的形成光栅的衍射条纹是衍射和干涉的总效果条纹最高级数讨论光强分布1条缝20条缝3条缝5条缝光栅中狭缝条数越多，明纹越亮.亮纹的光强：单缝光强）（：狭缝数，一定，减少，增大．一定，

增大，

增大．光栅常数越小，明纹越窄，明纹间相隔越远入射光波长越大，明纹间相隔越远入射光为白光时，不同，不同，按波长分开形成光谱.一级光谱二级光谱三级光谱三衍射光谱例如二级光谱重叠部分光谱范围二级光谱重叠部分:一级光谱二级光谱三级光谱连续光谱：炽热物体光谱线状光谱：钠盐、分立明线带状光谱：分子光谱衍射光谱分类光谱分析由于不同元素（或化合物）各有自己特定的光谱，所以由谱线的成分，可分析出发光物质所含的元素或化合物；还可从谱线的强度定量分析出元素的含量．

例1用白光垂直照射在每厘米有6500条刻痕的平面光栅上，求第三级光谱的张角.解红光第三级光谱的张角第三级光谱所能出现的最大波长绿光紫光不可见13-8圆孔衍射X射线衍射艾里斑：艾里斑直径二瑞利判据对于两个强度相等的不相干的点光源（物点），一个点光源的衍射图样的主极大刚好和另一点光源衍射图样的第一极小相重合，这时两个点光源（或物点）恰为这一光学仪器所分辨.**三光学仪器的分辨本领最小分辨角（两光点刚好能分辨）光学仪器分辨率光学仪器的通光孔径1990年发射的哈勃太空望远镜的凹面物镜的直径为2.4m，最小分辨角，在大气层外615km高空绕地运行,可观察130亿光年远的太空深处,发现了500亿个星系.四1885年伦琴发现，受高速电子撞击的金属会发射一种穿透性很强的射线称Ｘ射线．劳厄斑点铅板单晶片照像底片单晶片的衍射1912年劳厄实验X射线冷却水<布拉格反射入射波散射波

1913年英国布拉格父子提出了一种解释Ｘ射线衍射的方法，给出了定量结果，并于1915年荣获物理学诺贝尔奖．掠射角晶格常数相邻两个晶面反射的两X射线干涉加强的条件布拉格公式用途测量射线的波长研究X射线谱，进而研究原子结构；研究晶体的结构，进一步研究材料性能.例如对大分子DNA晶体的成千张的X射线衍射照片的分析，显示出DNA分子的双螺旋结构.DNA晶体的X衍射照片DNA分子的双螺旋结构布拉格公式光的波动性

光的干涉、衍射.光波是横波光的偏振.机械横波与纵波的区别机械波穿过狭缝13－9光的偏振性马吕斯定律一自然光偏振光

自然光：一般光源发出的光中，包含着各个方向的光矢量在所有可能的方向上的振幅都相等（轴对称）这样的光叫自然光.

自然光以两互相垂直的互为独立的（无确定的相位关系）振幅相等的光振动表示,并各具有一半的振动能量.符号表示注意各光矢量间无固定的相位关系.

二互相垂直方向是任选的

.

偏振光（线偏振光）符号表示

部分偏振光：某一方向的光振动比与之垂直方向上的光振动占优势的光为部分偏振光.符号表示光振动只沿某一固定方向的光.振动面

起偏二偏振片起偏与检偏

二向色性

:某些物质能吸收某一方向的光振动,而只让与这个方向垂直的光振动通过,这种性质称二向色性.

偏振片：涂有二向色性材料的透明薄片.

偏振化方向：当自然光照射在偏振片上时，它只让某一特定方向的光通过，这个方向叫此偏振片的偏振化方向.偏振化方向起偏器检偏器

检偏起偏器NM三马吕斯定律（1880年）检偏器起偏器NM马吕斯定律强度为的偏振光通过检偏振器后,出射光的强度为例1有两个偏振片,一个用作起偏器,一个用作检偏器.当它们偏振化方向间的夹角为时,一束单色自然光穿过它们,出射光强为;当它们偏振化方向间的夹角为时,另一束单色自然光穿过它们,出射光强为,且.求两束单色自然光的强度之比.解设两束单色自然光的强度分别为和