2012级软件工程嵌入式1普通物理学三chap

光学什么是光？

光学一.光的概述称为光波光是电磁波,纳米微米光的波粒二像性：光电效应；康普顿效应；干涉和衍射效应不同波长的光波对人眼有不同的视觉反映▲可见光波长范围:▲可见光频率范围:紫外红外紫外红外紫外红外几何光学

反射和折射定律反射定律折射定律法线分界面入射光L折射光反射光光学分类

波动光学

1.光的干涉

2.光的衍射

3.光的偏振第十八章光的干涉一.光源光源的最基本发光单元是分子、原子。=(E2-E1)/hE1E2能级跃迁辐射波列波列长L=c

光源的发光特性2.激光光源：受激辐射=(E2-E1)/hE1完全一样E21.普通光源：自发辐射··独立（同一原子先后发的光）独立（不同原子发的光）（传播方向，频率，相位，振动方向）回顾波叠加的概念设产生简谐波的两波源S1、S2的振动方程为：两列波在波场中P点引起的振动为：这是两个同方向、同频率的简谐振动，相位差为：波源相位差波程差引起的相位差S1S2r1r2P波程差波程波程1.光程第十八章光的干涉一.光源光源的最基本发光单元是分子、原子。=(E2-E1)/hE1E2能级跃迁辐射波列波列长L=c

光源的发光特性2.激光光源：受激辐射=(E2-E1)/hE1完全一样E21.普通光源：自发辐射··独立（同一原子先后发的光）独立（不同原子发的光）（传播方向，频率，相位，振动方向）★产生干涉的必要条件1.同频率;2.存在相互平行的振动分量(同振动方向);3.同相位或相位差恒定.——相干光从点光源发出的同一波阵面上取出两个部分作为相干光源

1.波阵面分割法二.获得相干光的两种方法2.振幅分割法

利用光在两种介质分界面上的反射光和透射光作为相干光源18.1分波前干涉－波阵面分割法

1.

机械波同频率,同振动方向,相位相同或相位差恒定的相干波一.光的干涉干涉合振动加强合振动减弱2.光波光波是电磁波E矢量（光矢量）的振动S1S2r1r2P从两个点光源S1和S2各自发出的同频率的简谐波在P点引起的光振动分别为：总光强加强★加强和减弱的条件▲相位差:加强减弱▲光程差:减弱三.杨氏双缝干涉

1801年，英国科学家托马斯·杨（ThomasYoung1773-1829)首先完成了光的干涉实验，第一次把光的波动学说建立在牢固的实验基础上。1.实验装置P0S1,S2是同一波阵面的两部分两子波源发出的光是相干光分割波阵面法S1,S2两子波源1.干涉条纹以P0为(与S1,S2等距离)为对称点而明暗相间,P0条纹为明条纹;2.用不同的单色光源作实验时,各明暗条纹的间距各不相同;3.用白光作实验,则中央条纹是白色,在中央白条纹两侧,形成一由紫到红的彩色条纹.2.

实验现象白光入射的杨氏双缝干涉照片3.条纹位置光程差S1S2PODr1r2xd光程差(远屏近轴)▲亮条纹▲暗条纹S1S2PODr1r2xd▲干涉条纹的间距等间距的★讨论:(1).使双缝间距逐渐减小;d,x条纹变疏,两侧条纹向远离中央的地方移动.(2).保持双缝间距不变,使两缝与屏之间的距离逐渐减小;D,x条纹变密,两侧条纹向中央靠拢.(3).遮住双缝中的一条,并在两缝垂直平分线上放置一平面反射镜.光波从光疏媒质射到光密媒质界面发射时半波损失明暗条纹相反，接触屏O处为暗纹光程差：透射光没有半波损失O4.光强公式若I1=I2

=I0

,则观测屏上

光强曲线I02-24-4k012-1-24I0x0x1x2x

-2x-1sin0/d-/d-2/d2/d例1.P48页习题18-1答案:E例2.在双缝装置中,用一厚度为e=6.610-6m,折射率为n=1.58的云母片覆盖上面的一条缝后,现在的零级条纹将移到覆盖前的第几级明纹处？已知=550nm.解：r1r2P设未插入时，P处为第k级明条纹，则光程差：插入云母片后，P为零级条纹，光程差为：▲讨论：

如果已知屏幕上覆盖后的第k级明条纹移到覆盖前的中央零级位置，则情况如何？n1n2d18.2薄膜干涉

一.薄膜干涉1.光路分析薄膜上下表面的反射光在薄膜表面B处干涉(上表面)分振幅法ABSaba'b'iCPn1n2d2.计算光程差LAB的长度远小于光源S到薄膜的距离近似认为SA与SB平行ABSaba'b'iSDAC光线bb'在光疏媒质到光密媒质的界面反射半波损失作ADSBn1n2dABSaba'b'iSDAC

光程差：折射角入射角亮纹暗纹n1n2d(1).透射光无半波损失透射时,干涉相互加强;反射时,干涉相互减弱;透射时,干涉相互减弱;反射时,干涉相互加强.★讨论:ABSaba'b'iSDAC(2).垂直入射（正入射）垂直入射，i=0反射时透射时亮纹暗纹

正入射时，薄膜表面某处干涉光强度仅与所在点的厚度有关，沿薄膜等厚线的干涉光的光强相等——等厚干涉白光入射单色光入射3.薄膜干涉条纹肥皂泡的干涉条纹二.增透膜和高反膜1.增透膜光线射向透明介质时，同时有折射和反射玻璃：透射占96%；反射占4%精密光学镜头，有多层透镜组成，多次反射后透射光减弱增强透射，减少反射▲原理利用薄膜干涉，使反射光发生干涉相消——减弱使透射光发生干涉相长——增强空气介质膜玻璃n1=1n>1n2>n上下表面两次半波损失两束反射光的光程差相消条件：n1<n<n2薄膜厚度满足此式，透射光增强或——光学厚度▲可以证明：当薄膜折射率满足下式时，两束反射光强相等，发生完全透射例：n1=1.0，n2=1.52,用氟化镁MgF2，n=1.38反射率1.2%无此材料当k=0

时，薄膜厚度有最小值两束反射光干涉相长当k=1

时，薄膜厚度有最小值或增反膜光学厚度是增透膜的两倍▲n1<n<n2空气介质膜玻璃n1=1n>1n2>n同种介质膜2.增反膜增强透射，减少反射上表面一次半波损失反射光干涉相长条件：两束反射光的光程差当k=1

时，薄膜厚度有最小值或与增透膜公式相同发生半波损失次数不一样▲

n1<n>n2空气介质膜玻璃n1=1n>1n2<n例7.在折射率为1.52的镜头表面涂有一层折射率为1.38的MgF2增透膜，如此膜适用于波长为550nm的光，膜的厚度是多少？玻璃空气介质膜n1=1n=1.38n2=1.52解:上下表面两次半波损失反射光相消当取k=0n平行光垂直入射(i=0),分别从劈尖的上表面(b)和下表面(a)反射反射光在劈尖上表面干涉劈尖1.光路分析夹角很小的两个平面所构成的薄膜aba'b'S*·三.劈尖干涉视频naba'b'2.计算光程差L无半波损失劈尖下表面反射有半波损失明条纹暗条纹与棱边平行的明暗条纹劈尖上表面反射d:两相干光相遇处对应的劈尖厚度等厚干涉dl▲两相邻明条纹或暗条纹间对应的厚度之差dk+1dk▲两相邻明条纹或暗条纹间的距离

愈小,干涉条纹越疏;愈大,干涉条纹越密.▲半波损失的证据在交棱处d=0,光程差等于/2,应看到干涉条纹为暗条纹.

实际上，在交棱处是暗条纹透射光无半波损失★讨论:

干涉条纹的明暗情况与反射时相反,棱边为明条纹2）测膜厚1）干涉膨胀仪2劈尖干涉的应用空气3）检验光学元件表面的平整度4）测细丝的直径被检体被检体被检体被检体四牛顿环由一块平板玻璃和一平凸透镜组成R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6.在牛顿环中用波长观察的第5个明环与用未知波长观察的第6个明环重合。求。解：明纹条件：两明环重合，有相同的d或例7

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k个暗环的半径为5.63mm,第k+5暗环的半径为7.96mm，求平凸透镜的曲率半径R.解五.等倾干涉等倾条纹照相观察等倾条纹的实验装置和光路inMLSf屏L

fPo

r环B

ennn>nirA

CD··21Siii光束1、2的光程差：·

··得或明纹暗纹倾角i相同的光线对应同一条干涉条纹—等倾条纹18.3迈克尔逊干涉仪迈克耳逊在工作

迈克耳逊（A.A.Michelson）美籍德国人因创造精密光学仪器，用以进行光谱学和度量学的研究，并精确测出光速，获1907年诺贝尔物理奖。重要的物理思想＋巧妙的实验构思＋精湛的实验技术科学中的艺术

许多著名的实验都堪称科学中的艺术，如：全息照相实验、吴健雄实验、施—盖实验等等。迈克耳孙干涉仪至今仍是许多光学仪器的核心。爱因斯坦：

我总认为迈克耳孙是科学中的艺术家，他的最大乐趣似乎来自实验本身的优美和所使用方法的精湛，他从来不认为自己在科学上是个严格的”专家”，事实上的确不是，但始终是个艺术家。二.光路图S分光板补偿板补偿光程,使两光束在玻璃介质中的光程相等.扩展光源2'2'M2M11'1'12半透半反膜观测装置1构造和光路

振幅分割型双光束干涉仪；许多现代干涉计量仪器的基础。

不同方位看到的Michelson干涉仪装置迈克尔孙干涉仪三.工作原理光束2′和1′发生干涉

若M1、M2平行

等倾条纹

若M1、M2有小夹角

等厚条纹光程差：空气薄膜厚度的两倍M12211SM2M1G1G2E空气薄膜十字叉丝等厚条纹迈克耳逊干涉仪中观察到的几种典型条纹四.测量原理空气膜厚度变化/2光程差L=亮(暗)条纹移过一条前后调节M2，相当于改变两镜空气间隙的厚度如果干涉条纹移动N

条，则M2移动距离：五、应用▲测折射率：▲测量微小位移ln光路a2中插入待测介质，产生附加光程差由此可测折射率n。以波长为尺度，可精确到M1a2若相应移过N个条纹则应有注意光通过介质两次用迈克耳孙干涉仪测气流问题能否根据上述干涉花样描述气流的分布状况？

▲

光学相干CT—断层扫描成像新技术（CT-ComputedTomography）

第二代：

NMRCT