《医用物理学》教学课件：8.波动光学-2

1、第八章 波动光学,8-1 光的干涉 8-2 光的衍射 8-3 光的偏振 8-4 双折射现象 8-5 旋光现象 8-6 光的吸收和散射,杨氏双缝干涉,光程差,相邻明条纹(或相邻暗条纹)间距,回顾,单缝衍射,理解：菲涅尔半波带法分析单缝衍射的规律,最小分辨角,圆孔衍射,瑞利判据,光栅是现代科技中常用的重要光学元件.光通过光栅衍射可以产生明亮尖锐的亮纹,复色光入射可产生光谱,用以进行光谱分析.,8.2.5 衍射光栅 衍射光谱,光栅(grating)大量等宽等间距的平行狭缝(或反射面)构成的光学元件.,二维光栅衍射图样,光栅常数,a:透光狭缝的宽度；b:两狭缝之间不透光部分的宽度,干涉明纹位置,光栅衍

2、射图样:在几乎黑暗的背景上形成一系列又细又亮的明条纹.,光栅衍射条纹是衍射和干涉的总效果 干涉条纹各级主极大的强度不再相等, 而是受到了衍射的调制.,明纹缺级现象,衍射暗纹位置,干涉明纹缺级条件,干涉明纹位置,单缝衍射光强,对应某些 值按干涉应出现某些级的主极大,由于单缝衍射的调制而造成这些主极大缺失缺级现象,例8-4 用一光栅常量d = 2106 m, 缝宽a = 1106 m的光栅观察波长 = 590 nm 的光谱线.求：平行光垂直入射时,最多能观察到第几级光谱线？实际能观察到几条光谱线？,解：(1),故最多能观察到第3级谱线.,由于光栅光谱缺级为,实际只能看到0级、1级、3级共5条谱线,

3、光栅光谱,入射光为白光时, 不同, k不同, 按波长分开形成光谱.,光谱分析,光的波动性,光波是横波,光是特定频率范围内的电磁波.电磁波中起感光作用的是电场强度矢量,称为光矢量.,电磁波是横波, 光矢量的振动方向与光的传播方向垂直. 在垂直于光传播方向的平面内, 光矢量有不同的振动状态光的偏振. 偏振性是横波区别于纵波的重要特征.,由于自然光中没有任何方向的光振动更占优势，所以可以用任意两个相互垂直的、等幅的振动来表示自然光. 注：这两个相互垂直的光振动之间没有固定的相位差，所以不能合成为一个光振动.,8.3.1 自然光和偏振光,自然光 (natural light) 由于原子发光的间歇性与随

4、机性,对于普通光源所发的光,光矢量分布各向均匀.,线偏振光 (linearly polarized light),光矢量方向和光的传播方向构成的平面称为振动面.,光的传播方向始终保持在某一个固定方向振动.,8.3.1 自然光和偏振光,部分偏振光 (partially polarized light),介于线偏振光与自然光之间的情形. 部分偏振光中, 各方向的光振动都有, 但不同方向光振动的振幅不同. 部分偏振光可看成线偏振光与自然光的混合.,8.3.1 自然光和偏振光,圆偏振光 (circularly polarized light),椭圆偏振光 (elliptically polarized

5、 light),光矢量 E 按一定频率旋转，其矢端轨迹为圆的叫圆偏振光，为椭圆的叫椭圆偏振光.,8.3.1 自然光和偏振光,8.3.1 自然光和偏振光,圆偏振光 (circularly polarized light),起偏：使自然光（或非偏振光）变成线偏振光的过程。,检偏：检查入射光的偏振性.,将待检查的入射光垂直入射偏振片, 缓慢转动偏振片, 观察光强的变化, 确定光的偏振性.,8.3.2 偏振光的获得与检验,检偏器,将待检查的入射光垂直入射偏振片, 缓慢转动偏振片, 观察光强的变化, 确定光的偏振性.,入射线偏振光的光强为 I0 , 透过检偏片P 后,透射光的光强 I,马吕斯定律,P,I

6、 变 有消光,线偏振光,如何用偏振片区分自然光、线偏振光和部分偏振光？,8.3.2 偏振光的获得与检验,I 不变,自然光,如何用偏振片区分自然光、线偏振光和部分偏振光？,8.3.2 偏振光的获得与检验,I 变 无消光,部分偏振光,如何用偏振片区分自然光、线偏振光和部分偏振光？,8.3.2 偏振光的获得与检验,例题 在两块正交偏振片 P1 和 P3 之间插入另一块偏振片 P2 ,光强为 I0 的自然光垂直入射于偏振片 P1 .试讨论转动 P2 的过程中透过 P3 的光强 I3 与转角的关系. 解：,上面一幅图是我们通常看到的照片，但是如果我们实际看到的却是下图的景象。这是因为水面的光大部分是偏振

7、光，拍照时我们可以通过特定的装置滤去偏振光而消除水面的强烈反光，从而拍摄到水下的景象。,偏振片的应用,玻璃的反光也有同样的效果，如右图 偏振光在日常生活中普遍存在，只是因为人眼无法分辨而显得陌生 其实光滑的非金属表面在一定角度下反射形成的眩光就是偏振光 ； 蓝天在与太阳方向成90度的垂直方向散射的也是偏振光,偏振片的应用,制成偏光眼镜,可观看立体电影.,偏振片的应用,例1.两偏振片堆叠在一起,一束自然光垂直入射其上时没有光线透过.当其中一偏振片慢慢转动180 时透射光强度发生的变化为:, B ,（A）光强单调增加；,（B）光强先增加，后有减小至零；,（C）光强先增加，后减小，再增加；,（D）光

8、强先增加，然后减小，再增加再减小至零。,8.4.1 双折射现象,8.4.1 双折射现象,寻常光线 (o光) -遵守折射定律,非常光线 (e光) -不遵守折射定律,o 光和 e 光都是线偏振光.,对于各向异性晶体，一束光射入晶体后，可以观察到有两束折射光的现象。,光,光,当方解石晶体旋转时, o光不动, e光围绕o光旋转,双 折 射,纸面,方解石 晶体,8.4.1 双折射现象,光,光,方解石 晶体,双 折 射,纸面,当方解石晶体旋转时, o光不动, e光围绕o光旋转,8.4.1 双折射现象,光,光,双 折 射,纸面,方解石 晶体,当方解石晶体旋转时, o光不动, e光围绕o光旋转,8.4.1 双

9、折射现象,光,光,双 折 射,纸面,方解石 晶体,当方解石晶体旋转时, o光不动, e光围绕o光旋转,8.4.1 双折射现象,晶体的光轴,当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射，该方向称为晶体的光轴。,单轴晶体： 只有一个光轴的晶体,双轴晶体： 有两个光轴的晶体,研究表明：产生双折射现象的原因，是由于晶体对e 光和o 光具有不同的折射率。,o光在晶体内各方向上的折射率相等, 用no表示; 而e光在晶体内各方向上的折射率不等, e光在垂直于光轴方向的折射率称为e光的主折射率, 用ne表示. 沿光轴方向, o光和e光有相同的折射率; 在其他方向, e光的折射率介于no和ne之间。,旋光性 (

10、optical activity),1811年，法国物理学家D. F. Arago发现，线偏振光在晶体中沿光轴方向传播时，光振动面会发生旋转，这种现象称为旋光性.,旋光物质：能产生旋光现象的物质.(如石英晶体、糖溶液、酒石酸溶液等),迎着光的传播方向看,使光振动面的旋转为逆时针的旋光物质为左旋物质(如蔗糖溶液)；使光振动面的旋转为顺时针的旋光物质为右旋物质(如葡萄糖溶液),实验表明,对于波长一定的线偏振光，振动面旋转的角度 与物质的厚度 成正比,石英对黄光（589nm）,蔗糖水溶液在200C时，对黄光（589nm），其比旋光率为,比旋光率,由于物质的旋光率随入射光波长变化,因此,当白光入射时,

11、不同色光因偏振面旋转的角度不同而分散开.此时,以光的出射方向为轴旋转检偏器,可以观察到出射光的颜色是逐渐变化的.,旋光色散,Optical activity. Optical activity of fructose demonstrated by using polarized light. Optically active compounds rotate light waves that pass through them. This can only be seen under polarized light, light that vibrates in one direction

12、only and is produced by using a polarizing filter. Polarized light passes through the fructose, and then through another polarizing filter. The second filter shows fructoses optical activity strengthening one of the colors of the light. The color depends on the relative angles of the filters (here 7

13、5 and 50 degrees). Different angles produce different colors.,旋光仪 观察偏振光振动面旋转的仪器.,应用,分析溶液中的分子构象,实验过程,第八章 波动光学,杨氏双缝干涉,光程差,相邻明条纹(或相邻暗条纹)间距,总结,单缝衍射,第八章 波动光学,理解：菲涅尔半波带法分析单缝衍射的规律,最小分辨角,圆孔衍射,第八章 波动光学,瑞利判据,干涉明纹位置,光栅方程,光栅 明纹缺级现象,衍射暗纹位置,干涉明纹缺级条件,第八章 波动光学,光的偏振,自然光，线偏振光，部分偏振光,马吕斯定律,第八章 波动光学,光的双折射,O光， e 光,晶体的光轴,第八章 波动光学,O光遵守折射定律；e光不遵守折射定律,期中自测题讲解,医用物理学B,知识点：速率分布函数 最概然速率,B,C,在实际问题中，