完整大学物理教案光的干涉、衍射与偏振

（完整word）大学物理教案光的干涉、衍射与偏振教学目标掌握惠更斯-菲涅耳原理；波的干涉、衍射和偏振的特性，了解光弹性效应、电光效应和磁光效应。掌握相位差、光程差的计算，会使用半波带法、矢量法等方法计算薄膜干涉、双缝干涉、圆孔干涉、光栅衍射。掌握光的偏振特性、马吕斯定律和布儒斯特定律，知道起偏、检偏和各种偏振光。教学难点各种干涉和衍射的物理量的计算。第十三章光的干涉一、光线、光波、光子在历史上，光学先后被看成“光线"、”光波”和“光子”，它们各自满足一定的规律或方程，比如光线的传输满足费马原理，传统光学仪器都是根据光线光学的理论设计的。当光学系统所包含的所有元件尺寸远大于光波长时（,=力左），光的波动性就难以显现，在这种情况下，光可以看成“光线”，称为光线光学，。光线传输的定律可以用几何学的语言表述，故光线光学又称为几何光学。光波的传输满足麦克斯韦方程组，光子则满足量子力学的有关原理。让电磁波的波长趋于零，波动光学就转化为光线光学，把电磁波量子化，波动光学就转化为量子光学。二、费马原理光线将沿着两点之间的光程为极值的路线传播，即6jQn（x,j,z）ds=0P三、光的干涉光矢量（电场强度矢量E）满足干涉条件的，称为干涉光。类似于机械波的干涉，光的干涉满足：E2=E20+E20+2E10E20cos32-p1）2E10E20cos（p2-p1）称为干涉项，光强与光矢量振幅的平方成正比，所以上式可改写为:(1—1)I=11+12+2、：'</；cos(p2-p1)(1—1)与机械波一样，只有相干电磁波的叠加才有简单、稳定的结果，对非干涉光有:I-I-1+1,cos(p-p/=0四、相干光的研究方法（一）、光程差法两列或多列相干波相遇，在干涉处叠加波的强度由在此相遇的各个相干波的相位和场强决定。能够产生干涉现象的最大波程差称为相干长度（coherencelength）。设光在真空中和在介质中的速度和波长分别为c,九和v,九，则c=v九,v=v九，两式相除得n^——v，定义介质的折射率为:n 入c

（完整word）大学物理教案光的干涉、衍射与偏振\4得 人 △n可见，一定频率的光在折射率为n的介质中传播时波长变短，为真空中波长的1倍.光程定义为光波在前进n的几何路程d与光在其中传播的介质折射率n的乘积nd.则光程差为3=nd-d=（n-1）d由光程差容易计算两列波的相位差为A"Q2一匕二12一24(1—2)①1和、是两个相干光源发出的光的初相。 +1举例1一般地，在折射率为打的薄膜上，垂直入射的两束相干 是A"Q2一匕二12一24(1—2)①1和、是两个相干光源发出的光的初相。 +1举例1一般地，在折射率为打的薄膜上，垂直入射的两束相干 是:光会在薄膜上表面产生光程差：8=2而 辜应塘T陆举例2入射角为'两束相干光在薄膜上表面产生光程差：3=2dv'n2一n2sin2i+午 0n0是光在空气中的折射率。计算过程如下：o 2nd 九 2d(n-n^sinrsini) 入3= 2ndtanrsini+—or3= 0 +一cosr 0 2 cosr 2利用折射定律nsinr=nsini，得.n..sinr=-0-sin1

nn n~~r— n2 n2一n2sin2i八-Nandcosr=%1—sin2r=,1一一0-sm21=3 0 代入3，得n2 nn2一n2sin2i.九一.,一 一一,九=2d 0 +—=2d、n2一n2sin21+一ncosr2 0 2（二）、半波带法举例：夫琅禾费（J。Fraunhofer）单缝衍射当入射波到达衍射缝时在缝口形成一波阵面，根据惠更斯一菲涅尔原理，会聚在屏P的M点的光矢量，是波阵面d上各次波源发出与水平方向成0角的平行光的相干叠加的结果，将衍射单缝d上的波阵面分成宽度为Ax的数条更狭窄的波面称为波带，若Ax满足Axsin0=-orAx=—L-2 2sin0则此宽度Ax波带称为半波带。两相邻的半波带发出的与水平方向成0角的平行光相差半个波长，它们叠加时，波峰和波谷叠加相消。所以，如果d恰好被分为偶数个半波带时，M点为完全黑暗点（条），d被分为奇数个半波带时，M点为明点（条），写成公式（完整word）大学物理教案光的干涉、衍射与偏振dsin0=<9九2n—2九(2n+1)-（三）、矢量法举例：光栅的单缝衍射光栅是在光学玻璃上精密刻出等间距平行细痕制作而成,通常在1mmdsin0=<9九2n—2九(2n+1)-（三）、矢量法举例：光栅的单缝衍射光栅是在光学玻璃上精密刻出等间距平行细痕制作而成,通常在1mm宽度内，刻痕数达600条以上，设刻痕纹宽为b，未刻痕宽度为a,a+b称为光栅常数.将通过单缝的波阵面a等分为N个波带，它们在屏P的M处产生的光矢量分别为E1,E2,…,EN,相差的2兀总相位为2=—（asin0），相邻两个波带发出光矢量的相位差为入邢=2=寺Nsin0N个波带，产生光矢量的叠加合振幅（由右图可知,作E的垂直平分线）为ii=1A。很小，sin殁=2，记。=领，NE=E，则2 2 2i0sin(2/2) sin(2/2)E=E—」~、=E--——isin(A2/2) iA。/22E，E=2Rsin2E=2Rsin殁nRi 2=NEisinasina以上是单缝衍射的结果，光栅衍射应该是N条缝之间的干涉和各单缝衍射的相互叠加.同理可得:其中，I=E2,B=^^=.（a+b）sin0。0i 2九考虑衍射的调制（干涉因子受到衍射因子的调制）(sinaA(a).当N=2，贝4I=410COS2（b）。当af0,吧'-1,可略去衍射因子作用，则为多光束干涉a（完整word）大学物理教案光的干涉、衍射与偏振IsinP)（c）.光强分布规律（由于衍射因子（c）.光强分布规律（由于衍射因子2的调制干涉因子而引起）由a=四竺=:asin0（这里的a与前面的不同，因现已考虑N条，有八。的地方都乘N）2九当e=0时，a=0,I=10，衍射的主极大强度。当asin。=±k九时，a=±k兀（k=1,2,3,・・・），此时sina=0,I=0，是衍射极小值。当asin0=±（2k+1）—时，2（四）、积分法当asin0=±（2k+1）—时，2（四）、积分法士(2k+1加Va 五、杨氏双缝干涉实验A伊-±2化凡=十3-跖根据方程（1-2），可得8二七2唠,一・%=—,当「很小时，则；f'f，于是可以算出◎,（k=1,2,3，…），得到一系列次极大值。k—0,1^2/-暗条纹，斤d明条纹。如果实验装置处在折射率为1的介质中,2X7115=4；2X7115=4；0cosJ-j-当•一二"：丁一1,：.处，光强：,，是明条纹中心。相邻明条纹（或暗条纹）间的距离为：DAAh二丁dn二二1时的明条纹位于"点，称为中央明纹，■■二二：一；.对应的明条纹分别叫做第一级、第二级、第三级…明条纹.暗条纹同理。当用白光做实验只有中央明纹是白色的，中央明纹两侧将呈现彩色条纹。设光源发出的光在光屏上'点处的光强相等，：--二一；利用（1-2）式，则（1—1）式可改写为：A审-2/Q(l+cositp)l47^05^--=4/fjtos当八一…：…处，光强；，是暗条纹中心。（完整word）大学物理教案光的干涉、衍射与偏振于是我们得到了干涉光强的分布图。六、劳埃德镜实验杨氏双缝干涉实验中，只有当缝"'都很窄的情况下，干涉条纹才比较清晰，但这样1通过缝的光强又太弱，为此，劳埃德（H.Lloyd）1834年设计了劳埃德镜实验。七、菲涅耳（A.J。Fresnel）双镜实验臼」•是两块夹角很小的平面镜.是线光源，''■是一块遮光板，于是我们得到了干涉光强的分布图。六、劳埃德镜实验杨氏双缝干涉实验中，只有当缝"'都很窄的情况下，干涉条纹才比较清晰，但这样1通过缝的光强又太弱，为此，劳埃德（H.Lloyd）1834年设计了劳埃德镜实验。七、菲涅耳（A.J。Fresnel）双镜实验臼」•是两块夹角很小的平面镜.是线光源，''■是一块遮光板，防止'’‘发出的光直射到光屏匚上.在平面镜"和":'中成的虚像分别为「和’’.5]_LN]+N]P+1一[例卅+g一门+,u‘点出现明、暗条纹的条件分别为门一门一干此九r2-rA_±（优_1）九k-1Z3/"相邻明纹（或暗纹）间的距离为：D门+iaa>=LN2\N2P+-=L2N2P+^=:‘为虚光源一■二之间的距离，3为从'或匚到光屏匚的距离。和1''的几何关系:设''为平面镜肘‘和“二的交点，「一「一，因此；「•；•三点都在以；为圆心，以‘为半径的圆周上.设"和心之间的夹角为「，由于二:二二LY，因此二三是同一圆弧：J的圆心角和圆周角，所以匚」工一不，因此虚光源之间的距离为d=2rsinp设“点到光屏的距离为'则从从“或到光屏「的距离为+rcosp于是DR+rcos/iAx--j-A二..Ad2rsin8八、薄膜干涉参见第2页。包括两束光垂直入射和斜入射.（完整word）大学物理教案光的干涉、衍射与偏振薄膜的折射率与周围介质的折射率相比较，如果薄膜的折射率最大或最小，有A8=2dn+2如果薄膜的折射率在周围介质的折射率之间，贝旷=二"，因为上下表面都有半波损失，最后结果就没有了半波损失。增透膜满足'•'■'1 ’'…增透膜只能做某些特定波长的光干涉相消。增反膜满足二.‘'''九、等厚干涉前面讨论的等倾干涉是相同倾角的光产生干涉汇聚在一个圆上，此处，等厚干涉是相同距离的光程差产生的干涉条纹在一条线（劈尖干涉）或圆（牛顿环）上。1,劈尖干涉2nd+—二2二kXk=1,2,3，…一J(2k-1)ZJ—a4n/、xrn)X(2k+1)-k=0,1,2,…=k丁，2J[ 2n九,5=k=1,2,3，…k=0,1,2,…由上式第一项公式知，凡是厚度d相同的地方，均满足相同的干涉条件；由上式第二项公式的第二个可知，当k=0时，d=0，即劈尖的棱边处是暗条纹。用l表示相邻明纹或暗纹间的距离，0表示劈尖的夹角，得lsin0=d-d=^tlx--k=—k+1k 2n 2n 2n一=九为光在折射率为n的介质中的波长。0很小，sin0q0