物理学光的波动性课件

物理学光的波动性课件第一页，共七十九页，编辑于2023年，星期三光的波动性第二页，共七十九页，编辑于2023年，星期三光是人类以及各种生物生活中不可或缺的要素。牛顿：光是由“光微粒”组成的，是一种机械观；惠更斯、托马斯·杨、菲涅耳：光是介质中传播的波；能发生干涉、衍射。麦克斯韦的电磁理论：光是一种电磁波。光是什么？光电效应康普顿散射：光具有粒子性，这种粒子称做“光量子”，德布罗意：所有物质都具有波粒二象性。光的两种互补性质：在传播过程中显示波动性，与其他物质相互作用时显示粒子性。第三页，共七十九页，编辑于2023年，星期三主要内容1、光的干涉光的相干性杨氏双缝干涉薄膜干涉迈克尔逊干涉仪2、光的衍射惠更斯—菲涅耳原理单缝衍射衍射光栅光学仪器的分辩本领

X射线衍射3、光的偏振自然光和偏振光双折射第四页，共七十九页，编辑于2023年，星期三光源(lightsource)可见光(visiblelight)：能引起人的视觉的电磁波，真空中的波长400nm—760nm。第一章光的干涉一、光的相干性第五页，共七十九页，编辑于2023年，星期三热光源：处于热激发态的原子的自发辐射光源的分类不同光源的发光机理不同热光源：利用热能激发。如太阳、白炽灯冷光源：利用化学能、电能或光能激发。如磷光、辉光普通光源激光光源光源第六页，共七十九页，编辑于2023年，星期三-13.6eV-3.4eV-1.5eV例子：氢原子的发光模型光波列在热激发下原子跃迁至高能级激发态，由于激发态不稳定，从高能级跃迁跃迁至低能级，发出光波列。跃迁过程的持续时间约为10-8s。热光源发光机理：能级间的跃迁各原子或同一原子，每次发出的波列，其频率和振动方向可能不同，每次何时发光不确定。原子发光具有独立性来自两个光源或同一光源两部分的光，不满足相干条件，叠加时在空间不能产生稳定的干涉现象。第七页，共七十九页，编辑于2023年，星期三两束光发生干涉（interference）的条件：具有相同的频率、振动方向相同、有固定的相位关系。单色光：具有单一频率（波长）的光。实际的单色光都有一定的谱线宽度。光的单色性越好，相干长度（coherentlength）越长。获得相干光的方法用单色性好的点光源，把光线分成两部分，然后再叠加。（取自同一原子的同一次发光）pS

*分波阵面法p薄膜S*分振幅法第八页，共七十九页，编辑于2023年，星期三二、杨氏双缝实验(Two-slitinterference)1801年，英国人托马斯·杨（T.Young

）成功地做了一个具有判别意义的、关于光的性质的关键性实验。在观察屏上有明暗相间的等间距条纹，这只能用光是一种波来解释。杨还由此实验测出了光的波长。第九页，共七十九页，编辑于2023年，星期三双缝干涉的干涉条纹r2r1xPSs1s2DdoS1

和S2

是同相波源。实验中，双缝和屏间距D一般约1m，而双缝间距d

约10-4m。两条光路的波程差：根据干涉原理，波程差决定了干涉的强弱效果：波程差为波长的整数倍时，干涉极大；波程差为半波长的奇数倍时，干涉极小。第十页，共七十九页，编辑于2023年，星期三干涉的明暗条纹0级明纹1级明纹2级明纹1级明纹2级明纹1级暗纹2级暗纹1级暗纹2级暗纹当时，干涉极大，即：，k=0,1,2,…，处为明条纹。当时，干涉极小，即：，k=1,2,…，处为暗条纹。相邻两明纹或暗纹间的距离所指明纹或暗纹间的位置是指明条纹或暗条纹的中心位置。第十一页，共七十九页，编辑于2023年，星期三波长变化对干涉条纹的影响条纹间距与波长成正比第十二页，共七十九页，编辑于2023年，星期三双缝间距变化对干涉条纹的影响条纹间距与缝间距成反比第十三页，共七十九页，编辑于2023年，星期三干涉项屏上干涉条纹的光强分布xoI4I11、双缝干涉形成等间距的明暗条纹。双缝间距d愈小，干涉条纹间距Δx愈大，干涉愈明显。d大到一定程度，条纹间距小于0.1mm时，肉眼观察不到干涉现象。2、λ愈大，则条纹间距大；复色光源做实验时，红光在外，紫光在内。3、要使条纹分得开，还需要D大。第十四页，共七十九页，编辑于2023年，星期三MN三、劳埃德镜实验劳埃德镜ABS1S2劳埃德（H.Lloyd）镜：当经平面镜反射的光线，与直接射到屏幕上的光相遇，发生干涉，出现干涉条纹。当将屏幕移近到镜面的一端时，发现接触处出现的是暗条纹！这一实验事实说明，从镜面反射的光，发生了的相位突变！！半波损失：光从光疏介质到光密介质表面反射时，反射光有半个波长的附加波程差。第十五页，共七十九页，编辑于2023年，星期三双面镜SS1S2dθ2θMABDRdLDPSS1S2MNABθα双棱镜其他一些干涉装置第十六页，共七十九页，编辑于2023年，星期三四、光程（Opticalpath）和光程差光在不同介质中传播时，频率不变而波长改变。在真空中波长λ，到折射率为n的介质中变为λ’：光在介质中传播时，经过几何路程r

的相位差：光程=nr光程：光在介质中经过的几何路径r与该介质的折射率n的乘积ndr2r1两束相干光的光程差为半波长的偶数倍时，干涉加强（相长），光程差为半波长的奇数倍时，干涉减弱（相消）。第十七页，共七十九页，编辑于2023年，星期三AB透镜：改变光路而不增加光程差AB焦平面第十八页，共七十九页，编辑于2023年，星期三五、薄膜干涉(Interferenceinthinfilm)薄膜干涉：在扩展光源——太阳或宽广光源的自然光的照射下，油膜等薄膜表面会出现彩色的干涉图样。薄膜干涉是利用分振幅法获得相干光的。LPDC34E5A1B2发生干涉的两条2、3光线的光程差为：计算得光程差：半波损失第十九页，共七十九页，编辑于2023年，星期三in1n2en1等倾干涉环薄膜干涉反射光的光程差：光程差决定于倾角i，焦平面上同一干涉条纹（亮或暗）对应相同的入射角。等倾干涉(equalinclinationinterference)第二十页，共七十九页，编辑于2023年，星期三明暗条纹的光程差条件分别为：在等倾干涉条纹中：i

k，越往内k值越大，i=0对应中央条纹，因此中央条纹级次最大透射光的光程差PLDC34E5A1B2透射光和反射光的干涉条纹具有互补性。第二十一页，共七十九页，编辑于2023年，星期三当光线垂直入射薄膜当时：第二十二页，共七十九页，编辑于2023年，星期三一、劈尖干涉夹角很小的两个平面所构成的薄膜空气劈尖平行单色光垂直照射空气劈尖上，上、下表面的反射光将产生干涉。等厚干涉(equalthicknessinterference)第二十三页，共七十九页，编辑于2023年，星期三n入射光垂直入射，厚度为e处两条相干光线的光程差：e干涉条件（空气劈尖）劈尖上厚度相同的地方，两相干光的光程差相同，对应一定k值的明或暗条纹——等厚干涉第二十四页，共七十九页，编辑于2023年，星期三出现暗条纹有“半波损失”相邻两条纹对应的厚度差：棱边处光程差决定于厚度，同一干涉条纹对应的厚度相同，故称等厚条纹。等厚条纹是一些与棱边平行的明暗相间的直条纹。在棱边处形成暗条纹。第二十五页，共七十九页，编辑于2023年，星期三空气劈尖任意相邻明条纹对应的厚度差：任意相邻明条纹(或暗条纹)之间的距离l为：在入射单色光一定时，劈尖的楔角愈小，则l愈大，干涉条纹愈疏；愈大，则l愈小，干涉条纹愈密。当用白光照射时，将看到由劈尖边缘逐渐分开的彩色直条纹。第二十六页，共七十九页，编辑于2023年，星期三劈尖干涉条纹的移动倾角增大，则条纹宽度减小；向上平移，倾角不变，厚度增加，则条纹宽度不变，条纹级次增大，所以条纹向劈尖处移动。条纹间距第二十七页，共七十九页，编辑于2023年，星期三测微小厚度干涉膨胀仪劈尖干涉的应用第二十八页，共七十九页，编辑于2023年，星期三牛顿环实验装置牛顿环干涉图样显微镜SL

M半透半反镜T第二十九页，共七十九页，编辑于2023年，星期三牛顿环的条纹Rre中央为暗斑（k=0）的内疏外密的明暗相间的同心圆环。即：。因此暗环半径：测透镜半径第三十页，共七十九页，编辑于2023年，星期三六、迈克耳孙干涉仪

(TheMichelsoninterferometer)单色光源反射镜反射镜与成角补偿板分光板移动导轨第三十一页，共七十九页，编辑于2023年，星期三反射镜反射镜单色光源光程差的像第三十二页，共七十九页，编辑于2023年，星期三两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。例如M1移动d时，屏上干涉条纹移动（冒出或埋进）数目为N：由此迈克尔逊干涉仪可用于测长度、测折射率。★当两镜面相互严格垂直时等效于平行平面间空气膜的等倾干涉；★当镜面有夹角时等效于空气劈尖的等厚干涉第三十三页，共七十九页，编辑于2023年，星期三迈克耳孙—莫雷实验（1881年）关于寻找“以太”的否定结果，是相对论的实验基础之一。迈克耳孙干涉仪和以它为原型发展起来的多种干涉仪有广泛的用途，如可精密测量长度、折射率、光谱线的波长和精细结构等。美国科学家迈克耳孙因发明干涉仪和对计量学的研究而获得了1907年的诺贝尔物理奖。1907年诺贝尔物理奖1892年，用迈克耳孙干涉仪测量了巴黎计量局的标准米尺的长度，相当于1553163.5个镉红光波长第三十四页，共七十九页，编辑于2023年，星期三第二章光的衍射一、惠更斯—菲涅耳原理1、光的衍射现象当光遇到的障碍物尺寸足够小时，发现屏上得不到这些物体清晰的几何投影，而是有光进入阴影区内，产生光的衍射现象。针和线的衍射条纹不同大小的圆孔的衍射条纹方孔衍射网格衍射第三十五页，共七十九页，编辑于2023年，星期三光能绕过障碍物的边缘传播圆孔衍射：单缝衍射：**第三十六页，共七十九页，编辑于2023年，星期三衍射分类——按照光源、衍射屏和接收屏的相对位置夫琅禾费衍射光源与接收屏距衍射屏均为无限远缝在实验中实现夫琅禾费衍射菲涅耳衍射缝光源和（或）接收屏距衍射屏有限远2、惠更斯-菲涅耳原理第三十七页，共七十九页，编辑于2023年，星期三惠更斯：波阵面上各点都看成是子波波源。——定性解释光的传播方向问题。惠更斯(ChristianHuygens,1629-1695)，荷兰数学家、物理学家。发现土星的光环，发明了摆钟，对波动理论的发展起了重要作用。菲涅耳：从同一波面上各点发出的子波，在空间相遇时，也将叠加而产生干涉现象。——定量解释衍射图样中的强度分布。菲涅耳(AugustinJeanFresnel，1788-1827)，法国物理学家、数学家。第三十八页，共七十九页，编辑于2023年，星期三惠更斯—菲涅耳原理:波在传播过程中，从同一波阵面S上发出的子波，经传播而在空间某点相遇时，可相互叠加而产生干涉现象。图中P点的光振动就是由S上各点的ds面元的振动传播到P点，并叠加而成。由此即可计算出空间各点的光振动。第三十九页，共七十九页，编辑于2023年，星期三二、单缝衍射(singleslitDiffraction)SKL1L2E

单缝衍射夫琅和费实验装置图菲涅耳衍射(FresnelDiffraction)：衍射屏离光源或接收屏为有限距离的衍射。夫朗和费衍射(FraunhoferDiffraction)：衍射屏离光源或接收屏为无限远距离的衍射。第四十页，共七十九页，编辑于2023年，星期三单缝夫朗和费衍射P光源和观察屏都在距离衍射单缝“无限远”处。平行光垂直入射到缝宽为a的单缝上。显然，汇聚到焦平面处的屏中心的光线具有相同的光程，因此出现亮条纹。为了讨论在任一点P的光振动合成的明暗情况，引入“半波带(halfwavezone)”的概念.第四十一页，共七十九页，编辑于2023年，星期三BA/2a考虑对应衍射角方向上的出射光，它们将经透镜汇聚到屏上P点。现将波阵面AB分成若干个等宽长条带，分割原则是：相邻条带的相应点发出的光到达P

点的光程差为半个波长。当然半波带的个数与衍射角有关：半波带这样分割后相邻半波带的光，合成后为零。因此，最终P点的明暗取决于这样的半波带的个数！第四十二页，共七十九页，编辑于2023年，星期三单缝衍射条纹的明暗条件对奇数个半波带，则可得明条纹：对偶数个半波带，则可得暗条纹：两式中的k=1,2,…；=0是指条纹的中心位置。半波带个数与条纹级数关系示意：第1级明，3个半波带第2级明，5个半波带中央明纹第1级暗，2个半波带第2级暗，4个半波带第四十三页，共七十九页，编辑于2023年，星期三axf0第四十四页，共七十九页，编辑于2023年，星期三3.相邻两衍射条纹间距条纹在接收屏上的位置暗纹中心明纹中心其它各级明条纹的宽度为中央明条纹宽度的一半。第四十五页，共七十九页，编辑于2023年，星期三单缝衍射的光强分布示意图暗纹即干涉相消位置：明纹即干涉加强位置：第四十六页，共七十九页，编辑于2023年，星期三a=0.16mma=0.08mma=0.04mma=0.02mm单缝衍射的激光实验照片，入射激光波长=632.8nm。明条纹宽度反比于缝宽。第四十七页，共七十九页，编辑于2023年，星期三单缝宽度与中央明纹宽度的关系第四十八页，共七十九页，编辑于2023年，星期三越大，衍射效应越明显。入射波长和衍射效应的关系第四十九页，共七十九页，编辑于2023年，星期三爱里斑：爱里斑直径爱里斑的半角宽度三、夫朗和费圆孔衍射光学仪器的分辩本领1、夫朗和费圆孔衍射第五十页，共七十九页，编辑于2023年，星期三两个物点的分辨对于任一个物点（点光源），经物镜后所形成的像实际不是一个点，而是圆孔衍射图样,其主要部分为爱里斑。因此，当两个物点相距很近，就有如何分辨的问题：物点对应像点（像斑）第五十一页，共七十九页，编辑于2023年，星期三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(JustResolved).瑞利判据(Rayleigh’sCriterion)第五十二页，共七十九页，编辑于2023年，星期三最小分辨角等于圆孔衍射的爱里斑的半角宽：最小分辨角的倒数是分辨率(ResolvingPower)，也称分辨本领：2、光学仪器的分辨率最小分辨角可见增大望远镜的物镜直径可以提高分辨本领。第五十三页，共七十九页，编辑于2023年，星期三1990年发射的哈勃太空望远镜，其凹面镜的直径为2.4m，角分辨率约为0.1〞，在大气层外615km处绕地球运行，可观察130亿光年远的宇宙深景，发现了500亿个星系。哈勃太空望远镜第五十四页，共七十九页，编辑于2023年，星期三美国建造了直径达305米的抛物面射电望远镜，不能转动，是世界上最大的单孔径射电望远镜。德国建造了100米直径的全向转动抛物面射电望远镜，是世界上最大的可转动单天线射电望远镜。第五十五页，共七十九页，编辑于2023年，星期三四、衍射光栅光栅光谱反射光栅：透射光栅：透光宽度不透光宽度光栅常量：d=a+b大量等宽等间距的平行狭缝（或反射面）构成的光学元件。光栅宽度为l，每毫米缝数为m，则总缝数：N=m×l1、光栅(Grating)：第五十六页，共七十九页，编辑于2023年，星期三干涉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：不透光部分的宽度光栅衍射条纹的形成光栅的衍射条纹是单缝衍射和多缝干涉的总效果。光栅方程第五十七页，共七十九页，编辑于2023年，星期三IIIOOOsinsinsin单缝衍射多缝干涉光栅衍射光栅衍射图样的光强分布各主极大要受单缝衍射的调制。第五十八页，共七十九页，编辑于2023年，星期三对应某些值按多光束干涉应出现某些级的主极大，正好落在单缝衍射的暗条纹上，而造成这些主极大缺失。即满足以下两个条件的光栅明条纹为缺级：例如，a+b=3a

，则k=±3，±6，±9，……对应的主极大缺级。缺级现象第五十九页，共七十九页，编辑于2023年，星期三2、光栅光谱(GratingSpectrum)0级2级-2级-1级3级-3级白光的光栅光谱光栅光谱：具有连续光谱的复合光，其同级明纹将形成按波长排列的彩色光带，紫光靠近中央，红光在远端。1级第六十页，共七十九页，编辑于2023年，星期三第三章X射线的衍射(X-rayDiffraction)

X射线是伦琴(Roentgen)于1895年发现的，它是在真空管中高速电子撞击金属靶时产生的一种射线，人眼看不见，具有很强的穿透能力。一、X射线的波动性第六十一页，共七十九页，编辑于2023年，星期三劳厄斑X射线管X射线是波长很短的电磁波，波长在0.01~10nm。1912年劳厄(Laue)将X射线照射晶体，获得了衍射图样。实验中晶体的晶格点阵起了天然光栅（三维空间光栅）的作用，同时证明了X射线的波动性。X射线晶体衍射第六十二页，共七十九页，编辑于2023年，星期三CABd相干加强条件满足布拉格公式：式中是掠射角，d是某方向上晶面的间距。布拉格公式可应用于测晶面间距d

，分析晶体结构。二、布拉格方程

1913年，英国的布拉格(Bragg)父子提出一种研究X射线衍射的方法，即把晶体的空间点阵当作反射光栅处理。第六十三页，共七十九页，编辑于2023年，星期三第四章光的偏振

(PolarizationofLight)光的偏振性与光的偏振态光是特定频率范围内的电磁波。起光作用，如引起人的视觉和使照相底片感光的作用，是电场强度矢量，称为光矢量。光矢量的振动方向与光的传播方向垂直，即光是横波，这一特征也称为光的偏振。偏振性是横波区别于纵波的重要特征。第六十四页，共七十九页，编辑于2023年，星期三一、自然光和偏振光(Naturallightandpolarizedlight)自然光：各个方向的光矢量振幅相同偏振光完全偏振光（线偏振光、平面偏振光或偏振光）部分偏振光1、光的偏振性线偏振光或平面偏振光：光矢量始终沿某一方向的振动。yzxu第六十五页，共七十九页，编辑于2023年，星期三表示振动方向在纸面内传播方向传播方向表示振动方向垂直纸面线偏振性光的表示自然光由于原子发光的独立性与随机性，对于普通光源所发的光，光矢量分布各向均匀。自然光各光矢量之间的相位关系不固定，是随机的。第六十六页，共七十九页，编辑于2023年，星期三自然光的表示部分偏振光介于线偏振光与自然光之间的情形，可看成线偏振光与自然光的混合。第六十七页，共七十九页，编辑于2023年，星期三2、偏振片马吕斯定律用来从自然光获得偏振光的装置叫起偏器(polarizer)，又叫偏振片，也可以用作检偏器(analyzer)以检验某束光是否为偏振光。偏振片：只容许一个特定方向的光振动通过，这个特定方向称为偏振片的偏振化方向。平行线表示偏振化方向第六十八页，共七十九页，编辑于2023年，星期三起偏和检偏1、自然光通过偏振片后，光强为原来的二分之一。旋转起偏器，屏幕上光强不变。2、检偏器旋转一周，透射光光强出现两次最强，两次消光，说明入射光是线偏振光。第六十九页，共七十九页，编辑于2023年，星期三马吕斯定律(Maluslaw)P1P2自然光I0I自然光从P1出射后，变成强度为I0的线偏振光，又入射到与P1成夹角为的偏振片P2上。从P2出射的偏振光振幅A与入射偏振光的振幅A0有关系：因此有光强关系：这就是马吕斯定律。P2P1A0A第七十页，共七十九页，编辑于2023年，星期三根据马吕斯定律可知：当P1⊥P2时，出射光为零；当P1∥P2时，出射光最强。第七十一页，共七十九页，编辑于2023年，星期三反射光和折射光的偏振自然光反射和折射后产生部分偏振光特别地，当入射角为特殊角i0时，反射光为光振动垂直入射面的线偏振光。i0为起偏振角，也叫布儒斯特角。当光线在两种介质n1、n2的交界面上发生反射和折射时，反射光和折射光都将成为部分偏振光：反射光中垂直入射面的光矢量加强；透射光中平行入射面的光矢量加强。空气玻璃注：入射面