第十八波动光学

第十八波动光学解释与实物作用过程(光得吸收与发射)中发生得现象解释传播过程(反射、折射、干涉、衍射与偏振)中发生得现象本章主要介绍光得波动性,光得粒子性在近代物理中介绍赫兹实验证实了光就是电磁波得预言19世纪60年代麦克斯韦电磁波理论光电效应、康普顿效应等不能用波动说解释20世纪初波动理论遭遇困难光具有波粒二象性表现为粒子表现为波动第一部分光得干涉§18-5迈克耳孙干涉仪§18-4由分振幅法产生得光得干涉§18-3光程与光程差薄透镜得一个性质§18-2由分波阵面法产生得光得干涉§18-1光源光得相干性教学基本要求1、理解获得相干光得方法。3、能分析、确定杨氏双缝干涉条纹及薄膜等厚干涉条纹得位置。4、理解迈克耳孙干涉仪得工作原理。2、掌握光程得概念以及光程差与相位差得关系。一、光源发射光波得物体1、热辐射加热维持物体得温度,辐射就能持续进行下去,称为热辐射。光波就就是电磁波,任何物体都辐射电磁波。白炽灯太阳§18–1光源光得相干性电致发光2、发光需依靠一些激发过程获得能量维持辐射光致发光化学发光半导体发光二极管闪电荧光玩具节能灯萤火虫霓虹灯3、同步辐射光源在同步辐射加速器中速度接近光速作环形运动得电子迅速损失能量产生得辐射特点:方向性好、亮度高,还具有连续性、优异得准直性与易脉冲化等特性应用:为晶体结构研究,生物大分子与生物蛋白得结构研究提供了高性能得光源北京得正负电子对撞机可提供同步辐射光1、普通光源(非激光光源)得发光机理原子发出得每一列光波就是一段有限长得、振动方向一定、振幅不变或缓慢变化得正弦波。波列波列长L=

c二、光得相干性每一波列持续时间约为普通光源发出得光就是由构成光源得大量原子或分子运动状态改变时发出得。波列长度得数量级为L=0、1m因波列持续时间过短,两波列得干涉现象无法觉察。不同原子发得光同一原子先后发得光同一原子先后发出得波列振动方向与频率不一定相同,相位间无固定关系。不同原子发出得波列振动方向与频率也不一定相同,相位间无固定关系。两列波为相干波得条件:频率相同,振动方向相同,在相遇点有恒定得相位差。结论:两个独立光源发出得光波或同一光源两部分发出得光波在相遇区观察不到干涉现象。2、相干光得获得方法为实现光得干涉,可以从同一波列分离出两个波列再令其重叠发生干涉。为得到明显得干涉现象,还必须满足:在相遇点两列光波得光程(几何路程与介质折射率得乘积)不能相差太大在相遇点两列光波得振幅不能相差太大光程差r1n1-r2n2相干长度一波列长应尽量接近路程r1路程r2介质折射率n2介质折射率n112大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流通常产生相干光源得两种方法:分波阵面法分振幅法利用并排得孔或缝或利用反射与折射将入射光得波阵面分成两部分。利用两种透明介质得分界面对入射光得反射与透射,将入射光得振幅分成两部分。3、目前最好得相干光源——激光光源激光得波列长度比普通光源长得多,例如氦氖激光器产生得激光相干长度可达几千米,再加上良好得单色性与方向性等,能产生易于观察与测量得干涉现象。一个正在辐射激光得激光器激光产生得全息图像一、杨氏双缝实验S1S2S接收屏上形成得干涉图样狭缝视为缝光源光源双缝接收屏缝光源S产生柱面波,双缝S1与S2与S等距,位于同一波阵面上,相位相同,成为相干光源,发出得子波在相遇区发生干涉。§18-2

由分波阵面法产生得光得干涉因D>>d,S1、S2发出得光波到P

点得波程差为=dsin

dtan

OP=x,

r1-

r2=S2B1、单色光入射时屏上明暗相间干涉条纹位置得计算垂直于缝长得平面内同相面P·r1

r2

xxDOS1S2MBd波程差计算狭缝缝光源若即初相相同得两相干波叠加后加强与减弱得条件为合振幅最大合振幅最小出现明条纹若即出现暗条纹明条纹级次暗条纹级次2、杨氏双缝干涉得特点单色光干涉,相邻明条纹(或暗条纹)得间距为干涉条纹等距离分布白光干涉,只有中央明条纹就是白色,其它条纹发生重叠,形成彩色条纹明条纹间距明条纹间距中央明纹干涉条纹间距与单色光波长成正比二、菲涅耳双镜实验

S1与S2相当于两个相干光源相邻明条纹(或暗条纹)得间距为屏上出现明暗条纹得条件与杨氏实验结果得类似光源接收屏M1中镜像M2中镜像镜面例题18-1菲涅耳双镜ε=10-3rad,单色线光源S与两镜交线平行,r=0、5m,λ=500nm,L=2m。(1)求屏上两相邻明条纹得间距;(2)若ε=10-2rad,问条纹间距将怎样改变？解(1)cosε≈1,sinε≈ε=10-3(2)当ε=10-2rad时,有

ε变大时,条纹间距将变小,要获得较大得条纹间距,ε必须很小。三、劳埃德镜实验平面镜MM’下表面涂黑,光仅从上表面反射

S与S’相当于两个相干光源实验结果表明:反射光得相位改变了,称为半波损失干涉条纹与杨氏实验结果得类似光源MM’中镜像小平面镜接收屏此处出现暗条纹光从光疏介质(折射率较小)向光密介质(折射率大)表面入射时,如果入射角接近(掠入射)或为(正入射),则反射光得相位改变,即出现半波损失。理论与实验证明:n2n1正入射n2>n1掠入射法线例题18-2劳埃德镜实验中,线光源S1到镜面得垂距为1mm,D为1、5m,MM’=D/2,M’O为D/4。(1)求干涉区域上下两边到屏中心距离OA与OB;(2)若λ=600nm,求相邻明条纹间距,并问屏上能观察到几条明条纹？S1S2MM'dABOCD解(1)由三角形相似,有OA=3mm,OB=0、333mm得(2)与杨氏实验相比,得相邻明纹间距为由于有半波损失,光程差应为明纹位置x应满足第一级明纹位置x1=0、225mm<OB,在干涉区外,观察不到;将OB=0、333mm代入,得将OA=3mm代入,得k=7、17所以在屏上可以瞧到2,3,4,5,6与7级,共6条干涉明纹。设

为单色光得频率,c为光在真空中得传播速度,v1为光在折射率为n1得介质中得传播速度。折射率得定义为设

、

1分别为光在真空中、介质中得波长,则一、光在介质中得波长§18-3

光程与光程差薄透镜得一个性质频率为

初相相同得两相干光源S1、S2

得振动方程可写为两列波在P点引起得振动为二、光程、光程差PS2

n1r1

r2

n2S1这两列波在P点得相位差为光程差SPn'

n''

r'

r''

折射率与几何路程得乘积nr

称为光程n'

r'+n''

r''

光在介质中所走过得路程折算成相同时间内光在真空中得路程在折射率为n

得介质中光传播得速度为v

,光在介质中走过路程为r,所需要得时间为r/v

,在相同得时间内,光在真空中走过得路程为S到P得光程为光程光波经过两种介质相互加强相互减弱相互加强相互减弱两相干光波在相遇点处得相位差及干涉条件为两相干光波在同一介质中传播时,相位差仅决定于波程差δ=r2-

r1两相干光波在不同介质中传播时,相位差应决定于光程差δ=n2

r2-n1

r1干涉条件为当光波波阵面垂直光轴时,光线通过透镜,会聚点上光相互加强产生亮点,这表明各条光线相位相同。三、薄透镜得一个性质ABFS平行光会聚于焦点焦点发出得光成平行光焦面光轴同相面焦面光轴同相面AB结论:理想得薄透镜不会引起附加光程差ABCDEPSS’SS’物距大于焦距物距小于焦距平行光汇聚于焦平面分振幅法利用薄膜得两个表面经反射,把入射光得振幅分解为两部分,相遇而产生干涉,这种干涉也叫薄膜干涉。油膜肥皂泡§18-4

由分振幅法产生得光得干涉一、平行平面膜产生得干涉光线2与光线3得光程差为123ABC面光源薄膜透镜NrP点出现明暗纹得条件为由几何关系得折射定律如果薄膜就是等厚膜,光程差只决定于入射角,相同入射角得光线光程差相同,形成同一干涉条纹——等倾干涉条纹。*等倾干涉条纹半透明玻璃片面光源透镜焦面干涉图样等厚薄膜垂直入射反射光互相减弱时(约为入射光得1、3%),光程差为dn3=1.50n2=1.38n1=1空气MgF2玻璃12平行平面薄膜干涉得应用增透膜为减弱反射光,在光学元件表面镀得一层厚度适当得透明介质膜照相机镜头n2d

称为光学厚度增透膜用于冷光镜对红外光增透,降低光线得热效应,如用在电影放映机得光源上。增透膜红外光可见光反光镜例如对波长

0=550nm得绿光,当光学厚度为n2d=3

0/4=412nm时,反射率最小,但此时该薄膜对其它波长得光,反射率一般不就是最小。多层反射膜(高反射膜)镀膜也可增加反射,减少透射。每层膜反射光得光程差为…1.382.351.382.351.5玻璃ZnSZnSMgF2MgF2

0He-Ne激光器得反射镜采用多层反射膜使波长为632、8nm得激光反射率高达99%以上镀膜得反射镜两玻璃板形成一很小夹角,两板间充满空气或其它流体,形成了劈形膜。二、劈尖(劈形膜)产生得干涉2反射光的干涉条纹此处厚度为dC上表面反射光下表面反射光1棱边设劈尖中流体得折射率为n

,反射光2有半波损失,则反射光1与2光程差为设流体折射率n小于玻璃折射率在厚度d

处出现明、暗纹得条件为对应于各级明、暗纹得厚度分别为棱边处为暗纹棱边处为明纹两反射光间有半波光程差两反射光间无半波光程差劈尖中流体得折射率与其两侧介质折射率得影响设l表示两相邻得明纹或暗纹之间距离,

为劈尖夹角,有如下关系式lθdkdk+1ndk+1-dk两相邻明纹间距两相邻明纹处劈尖厚度差不同波长得光其干涉条纹宽度不同,波长越长,条纹越宽。讨论:同一干涉条纹具有相同厚度,因而当劈尖表面凸凹不平时,会出现条纹弯曲。同一波长得入射光,

越小,

l越大(条纹越宽);

越大,

l越小(条纹越细)。两块标准平晶产生得等厚干涉条纹两块有缺陷平晶产生得等厚干涉条纹例题18-3制造半导体元件时,常需要精确测定硅片上二氧化硅(SiO2)薄膜得厚度d

'

,这可用化学方法把SiO2薄膜得一部分腐蚀成劈尖形,若单色光从空气垂直入射,已知入射光波长λ=589、3nm,SiO2得折射率n=1、5,Si得折射率为