第4章 波动光学课件

1波动光学01光学的分类（1）几何光学：以光的直线传播为基础，研究光在透明介质中的传播问题。包括：直线传播定律、反射折射定律。①波动光学：以光的波动性为基础，研究光的干涉、衍射、偏振。即：研究光的波动性。②量子光学：以光和物质的相互作用所显示的粒子性为基础。（2）物理光学：第4章波动光学1波动光学01光是一种电磁波平面电磁波方程真空中的光速可见光的范围

光矢量用矢量表示光矢量，它在引起人眼视觉和底片感光上起主要作用。4.1描述光的基本概念4.1.1光源、光源的发光特点1波动光学01光源：可以发光的物体。其分类：（1）按发光机制可分为：普通光源、激光光源。（2）按能量激发方式可分为：热光源、冷光源。（3）按相干性可分为：复色光源、单色光源。（4）按形状可分为：点光源、面光源等。1波动光学014.1.2光强与光的单色性1.光强光的强度指单位面积上获得的平均光功率，由坡印廷矢量S确定，即波的平均能流密度。（1）单色光：具有单一频率的光。一般认为：2.光的单色性与复色性ÅÅÅ单色性较差单色性较好单色性极好I

I0/2I0∆

1波动光学01对应的称为波长宽度。∆结论：绝对的单色光是不存在的!（2）复色光：由各种不同频率的光复合而成的光。例如：白光即是由七种颜色的光复合而成的。红光紫光波长：76004000ÅÅ频率：=C/

增加在同一介质中：n增加（3）获得单色光的方法：色散：滤波片：1波动光学014.1.3光的相干性设空间有两个同频的单色光源S1和S2，它们发出的光相交于空间一点P。S1S2r1r2P

1，

2为初位相，c/n为介质中的光速。其中，如果两光矢量的方向相同，则在P点的合成光矢量的值为：1波动光学01当两光束有恒定的位相差时合光强为：1波动光学014.1.4光程与光程差对某一单色光，其频率一定。在折射率为n的介质中光的波长为：。（1）光程：因此在折射率为n的介质中光波传播x在位相上（时间上）相当于在真空中传播nx的距离。我们就把nx称为在这种介质中的光程。相当于将光的传播都折算为真空中的传播。其大小将由位相差决定，出现有些点加强有些点减弱的现象，这种现象称为光的干涉。若两束光频率相同、光矢量方向相同、位相差恒定或位相相同，这两束光在空间相遇时将产生干涉现象，称为相干光，满足此条件的光源称为相干光源。1波动光学01（2）光程差。例如，如图所示，求：A，B两点间的位相差。n1n2ABd1d2两束相干光在相遇点的位相差为：1波动光学01上式中，nr2-nr1表示两相干光源到相遇点的光程的差值，称为光程差。1波动光学01透镜不引起附加的光程差：MSNABPQBSS’MNAPQPSnxd1波动光学014.1.5获得相干光的方法来自两个独立光源的光和来自同一个光源的不同部分的光，不满足相干光的条件。而将光源发出的一束光分解为两束，在经过不同的光程后相遇时，将满足相干条件，发生干涉现象。分波阵面法：使同一波阵面上的两点成为新的光源。（满足相干光源的条件）分振幅法：将一束光分解为两束光。（满足相干光条件）1波动光学01相干光的产生波阵面分割法*光源振幅分割法1波动光学01杨T.（ThomasYoung，1773―1829）在科学史上他以作为物理学家而最著名。杨在行医时就开始研究感官的知觉作用，1793年写了第一篇关于视觉的论文，发现了眼睛中晶状体的聚焦作用。1801年发现眼睛散光的原因，由此进入光学的研究领域。他怀疑光的微粒说的正确性，进行了著名的杨氏双孔及双缝干涉实验，首次引入干涉概念论证了光的波动说，又利用波动说解释了牛顿环的成因及薄膜的彩色。他第一个测定了7种颜色光的波长。1817年，他得知A.J.菲涅尔和D.F.J.阿拉果关于偏振光的干涉实验后，提出光是横波。杨对人眼感知颜色问题做了研究，提出了三原色理论。他首先使用运动物体的“能量”一词来代替“活力”，描述材料弹性的杨氏模量也是以他的姓氏命名的，他在考古学方面亦有贡献，曾破译了古埃及石碑上的文字。英国物理学家，考古学家，医生，光的波动说的奠基人之一。1773年6月13日生于米尔费顿，曾在伦敦大学、爱丁堡大学和格丁根大学学习。伦敦皇家学会会员，巴黎科学院院士。1829年5月10日在伦敦逝世。杨自幼天资过人，14岁就通晓拉丁、希腊、法、意、阿拉伯等多种语言。开始时学习医学，后来酷爱物理学，特别是光学和声学，一生在物理、化学、生物、医学、天文、哲学、语言、考古等广泛的领域做了大量的工作，但1波动光学01P0S1S2S装置：如图所示4.2应用分波振面法获得相干光的干涉实验4.2.1杨氏双缝实验结果：（1）关于P0对称的明暗相间的条纹，P0为明纹。（2）用不同单色光照射，明暗条纹的间距不等。且波长减少，条纹间距变窄。（3）若用白光照射，P0为白色，其两侧为对称的彩色条纹。1波动光学01杨氏双缝干涉实验明、暗纹条件：由光源S1，S2发出的光到达屏E上的任一点P的光程差为：r2r1S1S2ODdPxx-d/2x+d/2E在空气中，n=11波动光学01由相干加强和减弱的条件得由几何关系：1波动光学01明暗条纹的位置白光照射时，出现彩色条纹。暗纹明纹讨论条纹间距（1）条纹间距与

的关系：

d，D一定时，

若

变化，则将怎样变化？1波动光学01（1）d，D一定时，若变化，则将怎样变化？1波动光学01（2）一定时，条纹间距与的关系如何？1波动光学01杨氏双缝实验的缺点：为了保证两个子波源的相干性，必须要求缝S很窄，这将导致光强减弱，条纹不清；同时还要受衍射的影响。4.2.2其它分波阵面法干涉实验1.菲涅耳双面镜实验光栏AM1M2S1S2dlSoB平面镜M1，M2间的夹角很小，否则条纹太密，干涉现象不明显。要求：1波动光学01P双镜实验光路图1波动光学012.劳埃德镜镜实验PML半波损失：光从光速较大的介质射向光速较小的介质时，反射光的相位较之入射光的相位跃变了，相当于反射光与入射光之间附加了半个波长的波程差，称为半波损失。1波动光学01（1）分析清楚哪两束光发生干涉；（2）正确计算干涉点处的光程差（注意：当光从折射率小的光疏介质射入折射率大的光密介质时，反射光有半波损失）；（3）计算并讨论干涉条纹的空间分布或分布的变化。分析干涉问题的基本步骤：1波动光学01例1以单色光照射到相距为0.2mm的双缝上，双缝与屏幕的垂直距离为1m。（1）从第一级明纹到同侧的第四级明纹的距离为7.5mm，求单色光的波长；（2）若入射光的波长为600nm，求相邻两明纹间的距离。解：（1）（2）1波动光学01例2

将焦距为f的透镜切去宽为b=f/1000的中央部分，再将两半粘合，如图所示。距透镜2f处放一波长为

的单色光源，在透镜的后焦面上放一屏。已知：d>>b，

=5000Å，f=100cm，求：(1)屏上两相邻干涉条纹的距离。(2)屏上可能呈现条纹的最大数目。(3)若屏放在2f以外能否发生干涉？db1波动光学01解：（1）如图所示，在屏上的干涉区域O1O2。ffSS1S2O2O1屏b2f1波动光学01（2）如图，干涉区间O1

O2=b（3）因为两个相干波源发出的光不能相遇，所以不能发生干涉现象。1波动光学01例3

用n=1.58的薄云母片覆盖杨氏双缝干涉装置的一条缝，这时接收屏中心被第五