大学物理光学课件

第十四章波动光学光学——研究光的现象、光的本质和光与物质相互作用的学科几何光学波动光学量子光学——以光的直线传播规律为依据——研究光的电磁性质和传播规律——研究光与物质相互作用的规律10/6/20231第14章波动光学第十四章波动光学光学——研究光的现象、光的本质和光与§14-1光是电磁波§14-2光源光波的叠加§14-3杨氏干涉实验§14-5薄膜干涉§14-6迈克耳逊干涉仪§14-4光程与光程差第十四章波动光学§14-7惠更斯－菲涅耳原理§14-8单缝夫琅和费衍射§14-9光栅衍射及光栅光谱§14-10偏振光和自然光§14-11起偏和检偏马吕斯定律§14-12反射和折射产生的偏振光§14-13双折射现象10/6/20232第14章波动光学§14-1光是电磁波§14-2光源光波的叠加§14-3§14-1光是电磁波

一、电磁波的产生电磁波是交变电磁场在空间的传播2.电磁波是横波3.电场与磁场大小的关系4.波速真空中5.电磁波的能量密度10/6/20233第14章波动光学§14-1光是电磁波一、电磁波的产生电二、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10/6/20234第14章波动光学二、光是电磁波光色波长(nm)§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L=

c自发辐射(5)同步辐射(6)激光受激辐射自发辐射E2E1发光机理10/6/20235第14章波动光学§14-2光源光波的叠加一、光源(非相干(不同原子发的光)非相干(同一原子先后发的光)..2.发光特点间歇性独立性二、光的单色性单色光：具有同一波长（频率）的光（光学的理想化模型）同一种原子组成的光源发出的光波频率也有一定的宽度

0

oII0I0

/2

谱线宽度越小，谱线的单色性越好10/6/20236第14章波动光学非相干(不同原子发的光)非相干(同一原子先后发的光)..2.三、光波的叠加·P12r1r2··1.非相干叠加(1)相长干涉（亮）2.相干叠加(2)相消干涉（暗）相干条件:同频率、相差恒定、光矢量振动方向平行10/6/20237第14章波动光学三、光波的叠加·P12r1r2··1.非相干叠加(1)四、如何获得相干光1.分波阵面法从点光源发出的同一波列的同一波面上，取出两个次波源，这两个此波源为相干光源。2.分振幅法将光束中的每个波列都分成两列，二分波列为相干光。薄膜1210/6/20238第14章波动光学四、如何获得相干光1.分波阵面法从点光源发§14-3杨氏双缝干涉实验

1.实验装置(点源分波面相遇)一、杨氏实验明条纹位置明条纹位置明条纹位置2.现象与缝平行、等宽、等间距、明暗相间、对称分布的干涉条纹10/6/20239第14章波动光学§14-3杨氏双缝干涉实验1.实验装置(点源3.强度分布确定相干光束计算波程差根据相长相消条件确定坐标步骤o观察屏P>>两光线波程差10/6/202310第14章波动光学3.强度分布确定相干光束步骤o观察屏P>>两光线波程差7/亮纹暗纹（光强极大位置）（光强极小位置）o观察屏P装置1两光线波程差10/6/202311第14章波动光学亮纹暗纹（光强极大位置）（光强极小位置）o观察屏P装置1两(1)屏上相邻明条纹中心或相邻暗条纹中心间距为一系列等间距的明暗相间条纹(4)当用白光作为光源时，在零级白色中央条纹两边对称的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（光强极大位置）（光强极小位置）10/6/202312第14章波动光学(1)屏上相邻明条纹中心或相邻暗条纹中心间距为一系列等间距白光入射的杨氏双缝干涉照片红光入射的杨氏双缝干涉照片10/6/202313第14章波动光学白光入射的杨氏双缝干涉照片红光入射的杨氏双缝干涉照片7/27洛埃镜的干涉SS’M或三.其他类似装置洛埃镜费涅耳双棱镜费涅耳双面镜处理办法：等效双缝思考：为什么光程差公式中出现了屏上O点出现暗条纹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10/6/202314第14章波动光学洛埃镜的干涉SS’M或三.其他类似装置洛埃镜费(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？10/6/202315第14章波动光学(1)明纹间距分别为(2)双缝间距d为双缝干涉实验中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10/6/202316第14章波动光学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【内容回顾】光的干涉获得相干光的途径分波振面法分振幅法杨氏双缝干涉薄膜干涉亮纹暗纹亮纹暗纹？10/6/202317第14章波动光学【内容回顾】光的干涉获得相干光的途径分波振面法分振幅法杨氏双引进光程可方便地计算相干光的相位差光线1光线2取真空中的波长

介质中的波长为光在介质1中的光程光在介质2中的光程§14-4光程与光程差

一、光程1）光程折射率与几何路程的乘积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2）相位差=光程差()10/6/202318第14章波动光学引进光程可方便地计算相干光的相位差光线1由光程差计算相位差光程……

多种介质光程1光程2光程3透镜成像不会引起附加相位差二、物象之间的等光程原理光程1=光程2=光程310/6/202319第14章波动光学由光程差计算相位差光程……多种介质光程1光程2光程3透用折射率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？10/6/202320第14章波动光学用折射率n=1.58的很薄的云母片覆盖在双缝实验中的一§14-5薄膜干涉水膜在白光下白光下的肥皂膜10/6/202321第14章波动光学§14-5薄膜干涉水膜在白光下白光下的肥皂膜7/27/蝉翅在阳光下蜻蜓翅膀在阳光下白光下的油膜肥皂泡玩过吗?10/6/202322第14章波动光学蝉翅在阳光下蜻蜓翅膀在阳光下白光下的油膜肥皂泡玩过吗?7/2一.等厚干涉反射光2反射光1·S12两条相干光线的光程差（光程差）入射角固定，而厚度不均匀的薄膜表面发生的干涉现象。若考虑半波损失10/6/202323第14章波动光学一.等厚干涉反射光2反射光1·S12两条相干光线的光程差薄膜12反射光干涉薄膜透射光干涉1210/6/202324第14章波动光学薄膜12反射光干涉薄膜透射光干涉127/27/202324第(3)光线垂直入射反射光1反射光2入射光(1)同一厚度d

对应同一级条纹——等厚条纹。讨论(2)公式中有无半波损失项，取决于介质折射率。无半波损失项有半波损失项10/6/202325第14章波动光学(3)光线垂直入射反射光1反射光2入射光(1)同一厚度二.劈尖干涉明纹暗纹平行光垂直入射到劈尖上光程差相干光的获得条纹特点：一组平行于楞边的直线，条纹出现在薄膜的上表面。明纹暗纹楞边是暗纹。反射光1反射光2入射光10/6/202326第14章波动光学二.劈尖干涉明纹暗纹平行光垂直入射到劈尖上光程差条纹间距条纹间距相邻条纹的光程差差一个波长——相邻两明纹对应的厚度差平移改变楔角思考：明纹暗纹10/6/202327第14章波动光学条纹间距条纹间距相邻条纹的光程差差一个波长——相邻两明纹对劈尖干涉的应用(2)测表面不平整度等厚条纹待测工件平晶D(1)可测量小角度θ、微位移x、微小直径D、波长λ等（如测金属丝直径D）下凹或凸起深度弯曲深度10/6/202328第14章波动光学劈尖干涉的应用(2)测表面不平整度等厚条纹待测工件平晶D一平面单色光波垂直照射在厚度均匀的薄油膜上，油膜覆盖在玻璃板上，所用光源波长可连续变化，观察到500nm和700nm这两个波长的光在反射中消失。油的折射率为1.30，玻璃的折射率为1.50解

根据题意，不需考虑半波损失例求油膜的厚度空气油玻璃n暗纹的条件为10/6/202329第14章波动光学一平面单色光波垂直照射在厚度均匀的薄油膜上，油膜覆盖在玻璃板【内容回顾】薄膜干涉等厚干涉亮纹暗纹劈尖干涉亮纹暗纹牛顿环图样：与楞平行等间距明暗相间条纹，楞边是暗纹。10/6/202330第14章波动光学【内容回顾】薄膜干涉等厚干涉亮纹暗纹劈尖干涉亮纹暗纹牛顿环图三.牛顿环S分束镜M显微镜o平凸透镜平晶drR·

o2.相干光的获得1.实验装置及光路图3.光程差明纹暗纹10/6/202331第14章波动光学三.牛顿环S分束镜M显微镜o平凸透镜平晶drR·明纹:暗纹:drR·

o4.条纹特点明纹暗纹牛顿环的干涉图样是以接触点为中心的一组明暗相间的同心园环。10/6/202332第14章波动光学明纹:暗纹:drR·o4.条纹特点明纹暗纹讨论(1)中心点处是一暗点。(2)相邻两明纹或暗纹对应的厚度差drR·

o(3)条纹间距牛顿环条纹是内疏外密的同心园环。(4)透射光干涉，在下表面附近产生干涉条纹，但条纹的明暗与反射光干涉结果相反，中心为一亮点。(5)若将空气换成水条纹变密。10/6/202333第14章波动光学讨论(1)中心点处是一暗点。(2)相邻两明纹或暗纹对讨论(6)若透镜上移，则明暗环向中心收缩；若透镜下移，则明暗环向外扩张。中心明暗交替变化。(7)比较劈尖和牛顿环相同点：垂直入射的等厚干涉条纹二相邻条纹对应的厚度差条纹间距不同点：劈尖:直线牛顿环:园环等间距内疏外密drR·

o10/6/202334第14章波动光学讨论(6)若透镜上移，则明暗环向中心收缩；(7)比较劈尖白光入射的牛顿环照片10/6/202335第14章波动光学白光入射的牛顿环照片7/27/202335第14章波动光5.应用(1)测波长λ，测透镜的曲率半径R(2)检测透镜的曲率半径误差及其表面平整度

样板待测透镜条纹

没有条纹：二曲面平行条纹疏：样品与标准件差异小条纹密：样品与标准件差异大10/6/202336第14章波动光学5.应用(1)测波长λ，测透镜的曲率半径R(2)检试定性画出牛顿环的花纹例

1.31.41.61.51.5解析：左半边有半波损失项右半边没有半波损失项∴左右两边花样明暗互补。左边：d＝0处暗纹右边：d＝0处明纹10/6/202337第14章波动光学试定性画出牛顿环的花纹例1.31.41.61.51.5解析§14-6迈克耳逊干涉仪一、迈克耳逊干涉仪1.结构光束2和1发生干涉加强减弱光程差(无半波损失)d2.工作原理G1——分光板，G2——补偿板，用以补偿光程10/6/202338第14章波动光学§14-6迈克耳逊干涉仪一、迈克耳逊干涉仪1.结构光(2).若M1、M'2有小夹角(3).若M1平移

d时，干涉条纹移过N条，则有等厚条纹(1).若M1、M

2平行3.条纹特点无条纹整个视场或亮或暗明暗相间的直条纹M1移动，则视场亮暗交替变化(4).若在M1和M2之间插入厚度为d0的介质片n，干涉条纹移过N条，则有(5).若S为面光源，入射角不同，则观测到等倾干涉条纹：一组同心圆环。10/6/202339第14章波动光学(2).若M1、M'2有小夹角(3).若M1平移d二、相干长度相干时间相干长度L——

波列的长度（看到干涉现象所允许的最大光程差）——光通过相干长度所需时间相干时间τ相干长度与谱线宽度的关系：从同一波列分出来的两个分波列到达观测点的时间间隔须小于相干时间，二分波列才可以重合而发生干涉相干长度L和谱线宽度Δλ是衡量光源品质好坏的两个指标。10/6/202340第14章波动光学