【大学】波动光学基础课件

第14章波动光学基础北极光.第14章波动光学基础北极光.1§14.1

光是电磁波一.电磁波1.电磁波的产生凡做加速运动的电荷都是电磁波的波源例如：天线中的振荡电流分子或原子中电荷的振动2.对电磁波平面简谐电磁波的性质(1)(2)

电磁波是横波•的描述（平面简谐波）和传播速度相同、相位相同.§14.1光是电磁波一.电磁波1.电磁波的产生2(3)量值上(4)波速(5)电磁波具有波的共性——在介质分界面处有反射和折射3.电磁波的能量密度真空中折射率.(3)量值上(4)波速(5)电磁波具有波的共性——在3能流密度dA波的强度

I结论：I

正比于E02

或H02,通常用其相对强度坡印亭矢量表示（坡印亭矢量）.能流密度dA波的强度I结论：I正比于E02或H024二.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.二.光是电磁波光色波长(nm)频率(5§14.2

光源光波的叠加一.光源(1)热辐射(2)电致发光(3)光致发光(4)化学发光能级跃迁波列波列长

L=c自发辐射非相干(不同原子发的光)非相干(同一原子先后发的光)..(5)同步辐射光源(6)激光光源受激辐射自发辐射E2E1.§14.2光源光波的叠加一.光源(1)热辐射(2)6·二.光波的叠加光强P12r1r2··当干涉项,非相干叠加,相干叠加当干涉项.·二.光波的叠加光强P12r1r2··当干涉项,非相干叠7讨论1.非相干叠加即不恒定

非相干叠加时(1)(2)(3).讨论1.非相干叠加即不恒定非相干叠加时(1)(2)(3).8(1)相长干涉（明）(2)相消干涉（暗）2.相干叠加如果如果相干条件:(1)频率相同(2)相位差恒定(3)光矢量振动方向平行相干光源:同一原子的同一次发光3.相干条件、相干光源.(1)相长干涉（明）(2)相消干涉（暗）2.相干叠加如果9§14.3

获得相干光的方法杨氏实验

（分波阵面法）一.杨氏实验明条纹位置明条纹位置明条纹位置获得相干光的方法1.分波阵面法（杨氏实验)2.分振幅法（薄膜干涉)•实验现象.§14.3获得相干光的方法杨氏实验（分波阵面法）一10光强极小（光强极大位置）光强极大（光强极小位置）•理论分析.光强极小（光强极大位置）光强极大（光强极小位置）•理论11(1)屏上相邻明条纹中心或相邻暗条纹中心间距为一系列平行的明暗相间条纹(4)当用白光作为光源时，在零级白色中央条纹两边对称地排列着几条彩色条纹Ik012-1-24I0x0x1x2x-2x-1光强分布讨论(2)已知d,D

及Δx,可测(3)Δx

正比

,D;反比d•.(1)屏上相邻明条纹中心或相邻暗条纹中心间距为一系列平行的12二.洛埃镜（洛埃镜实验结果与杨氏双缝干涉相似）接触处,

屏上O点出现暗条纹半波损失有半波损失相当于入射波与反射波之间附加了一个半波长的波程差无半波损失入射波反射波透射波透射波没有半波损失••.二.洛埃镜（洛埃镜实验结果与杨氏双缝干涉相似）接触处,13(1)明纹间距分别为(2)双缝间距

d

为双缝干涉实验中，用钠光灯作单色光源，其波长为589.3nm，屏与双缝的距离D=600mm解例求

(1)d=1.0mm和d=10mm，两种情况相邻明条纹间距分别为多大？(2)若相邻条纹的最小分辨距离为

0.065mm，能分清干涉条纹的双缝间距

d最大是多少？.(1)明纹间距分别为(2)双缝间距d为双缝干涉实验中14用白光作光源观察杨氏双缝干涉。设缝间距为d

，缝面与屏距离为D解

最先发生重叠的是某一级次的红光和高一级次的紫光清晰的可见光谱只有一级例在400~760nm范围内，明纹条件为求能观察到的清晰可见光谱的级次.用白光作光源观察杨氏双缝干涉。设缝间距为d，缝面与屏距离为15§14.4

光程与光程差若时间

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光程是一个折合量，在相位改变相同的条件下，把光在介质中传播的路程折合为光在真空中传播的相应路程改变相同相位的条件下真空中光波长光程.§14.4光程与光程差若时间t内光波在介质中传播的路16由光程差计算物象之间等光程原理光程1光程2光程3光程1=光程2=光程3相位差光程……多种介质.由光程差计算物象之间等光程原理光程1光程2光程3光程1=光程17用折射率

n=1.58

的很薄的云母片覆盖在双缝实验中的一条缝上，这时屏上的第七级亮条纹移到原来的零级亮条纹的位置上。如果入射光波长为

550nm解

设云母片厚度为

d

。无云母片时，零级亮纹在屏上P点，则到达P

点的两束光的光程差为零。加上云母片后，到达P点的两光束的光程差为当P点为第七级明纹位置时例求此云母片的厚度是多少？.用折射率n=1.58的很薄的云母片覆盖在双缝实验中的一18§14.6迈克耳逊干涉仪一.干涉仪结构二.工作原理光束1和2发生干涉d加强减弱光程差(无半波损)(有半波损).§14.6迈克耳逊干涉仪一.干涉仪结构二.工作原理光束192.若M1、M'2有小夹角3.若M1平移d时，干涉条纹移过N条，则有当M1和M'2不平行，且光平行入射,此时为等厚条纹1.若M1、M2平行三.条纹特点等倾条纹.2.若M1、M'2有小夹角3.若M1平移d时，干涉20五.应用1.微小位移测量3.测折射率2.测波长四.时间相干性两光束产生干涉效应的最大光程差称为相干长度,与相干长度对应的光传播时间称为相干时间相干长度L和谱线宽度之间的关系为.五.应用1.微小位移测量3.测折射率2.测波长四.21§14.7

惠更斯—菲涅耳原理一.光的衍射现象1.现象衍射屏观察屏2.衍射光在传播过程中绕过障碍物的边缘而偏离直线传播的现象衍射现象是否明显取决于障碍物线度与波长的对比，波长越大，障碍物越小，衍射越明显。说明光源(剃须刀边缘衍射).§14.7惠更斯—菲涅耳原理一.光的衍射现象1.现象22二.惠更斯—菲涅耳原理

同一波前上的各点发出的都是相干次波。设初相为零,面积为s的波面

Q，其上面元ds

在P点引起的振动为

各次波在空间某点的相干叠加，就决定了该点波的强度。1.原理内容2.原理数学表达取决于波面上ds处的波强度,为倾斜因子.••.二.惠更斯—菲涅耳原理同一波前上的各点发出的都是相干次波23P处波的强度说明(1)

对于一般衍射问题，用积分计算相当复杂，实际中常用半波带法和振幅矢量法分析。(2)惠更斯—菲涅耳原理在惠更斯原理的基础上给出了次波源在传播过程中的振幅变化及位相关系。.P处波的强度说明(1)对于一般衍射问题，用积分计算相当复24(远场衍射)2.夫琅禾费衍射(近场衍射)1.菲涅耳衍射

三.光的衍射分类无限远光源无限远相遇光源O,观察屏E(或二者之一)到衍射屏S的距离为有限的衍射，如图所示。光源O,观察屏E到衍射屏S的距离均为无穷远的衍射，如图所示。(菲涅耳衍射

)(夫琅禾费衍射

).(远场衍射)2.夫琅禾费衍射(近场衍射)1.菲涅耳衍射25·*§14.8

单缝的夫琅禾费衍射一.典型装置(单缝夫琅禾费衍射典型装置)的光程差二.菲涅耳半波带法1.衍射暗纹、明纹条件——中央明纹•(

a为缝AB的宽度).·*§14.8单缝的夫琅禾费衍射一.典型装置(单缝夫26此时缝分为两个“半波带”,P为暗纹。暗纹条件半波带半波带P

为明纹。此时缝分成三个“半波带”,明纹条件••λ|2λ|2λ|2λ|2λ|2λ|2λ|2λ|2λ|2.此时缝分为两个“半波带”,P为暗纹。暗纹条件半波带半波带P27(1)得到的暗纹和中央明纹位置精确,其它明纹位置只是近似(2)单缝衍射和双缝干涉条纹比较。单缝衍射条纹双缝干涉条纹说明.(1)得到的暗纹和中央明纹位置精确,其它明纹位置只是近似(282.单缝衍射明纹角宽度和线宽度衍射屏透镜观测屏中央明纹角宽度线宽度角宽度相邻两暗纹中心对应的衍射角之差线宽度观察屏上相邻两暗纹中心的间距第k级明纹

角宽度请写出线宽度.2.单缝衍射明纹角宽度和线宽度衍射屏透镜观测屏中央明纹29三.单缝衍射强度(振幅矢量法)设每个窄带在P点引起的振幅为令P处的合振幅为A、B

点处窄带在P点引起振动的相位差为相邻窄带的相位差为1.单缝衍射强度公式将缝

AB均分成

N个窄带，每个窄带宽度为·.三.单缝衍射强度(振幅矢量法)设每个窄带在P点引起的30对于O点对于其它点

P令┏(如当

N

取

5

时

)N取无穷大时.对于O点对于其它点P令┏(如当N取5时)N31相对光强曲线中央明纹暗纹条件和半波带法得到的暗纹条件一致。2.明、暗纹条件-1.431.43-2.462.46••I/I0.相对光强曲线中央明纹暗纹条件和半波带法得到的暗纹条件一致。32解得相应半波带法得到的明纹位置是较好的近似明纹条件•.解得相应半波带法得到的明纹位置是较好的近似明纹条件•.33(1)波长越长，缝宽越小,条纹宽度越宽。波动光学退化到几何光学。观察屏上不出现暗纹。讨论(2)(4)缝位置变化不影响条纹位置分布(3)(单缝夫琅禾费衍射典型装置)·.(1)波长越长，缝宽越小,条纹宽度越宽。波动光学退化到几何光34求对于暗纹有则如图示，设有一波长为

的单色平面波沿着与缝平面的法线成

角的方向入射到宽为a

的单缝AB上。解在狭缝两个边缘处，衍射角为

的两光的光程差为例写出各级暗条纹对应的衍射角

所满足的条件。.求对于暗纹有则如图示，设有一波长为的单色平面波沿着与缝35四.光学仪器的分辨本领1.圆孔的夫琅禾费衍射孔径为D衍射屏中央亮斑(爱里斑)2.透镜的分辩本领几何光学物点相对光强曲线经圆孔衍射后,一个点光源对应一个爱里斑波动光学物点一一对应像点一一对应像斑爱里斑的半角宽度为.四.光学仪器的分辨本领1.圆孔的夫琅禾费衍射孔径为D衍射36瑞利判据:对于两个等光强的非相干物点,如果一个像斑中心恰好落