大学物理-波动光学.ppt

1、,光学是物理学中最早发展起来的学科之一。关于光的本性，在十七世纪末，惠更斯建立了光的波动说；到十九世纪，以许多新的实验事实为依据，扬，菲涅尔等才真正确定了光的波动论。麦克斯韦的电磁理论及赫兹的实验，确立了光是电磁波。波的一般性质和电磁波的性质都适合于光。,第十四章 波 动 光 学,光学美,第一节 单色光 双缝干涉 光程 光程差,在光波中，产生感光作用和生理作用的是电场强度 ，因此我们常将 称为光矢量， 的振动称为光振动。在以后的讨论中，将以 振动为主。,光振动与光矢量,028,演示,光的双缝干涉,明，暗条纹的分布规律,幕,根据波的干涉理论，当,会计算某级的彩带的宽度。,三 光程 光程差,二波的

2、波动方程,例 142 如图所示。,光程差,光程差,处点移过的明纹数为七条。,题,例 144 求单色平面波在幕中央光程差和位相差。,若在上缝处加一块透明介质,第二节 薄膜干涉,油膜,从劈尖的上下二表面上反射的二光 来自同一光，二者频率相同，振动方向相同，在相遇点处有固定的位相差，故为相干光。二光在劈尖的上表面附近相遇，形成干涉花样。,沿着入射光的方向看去，看到在上表面附近形成明，暗相间的干涉直条纹。,单色光波长，劈尖角，薄膜折射率和相邻明暗纹间距的关系式,则,解：,讨论 光程差的变化引起干涉条纹的移动。以劈尖为例。,三 牛顿环,实验装置,空气劈尖,劈尖的上下表面的反射光形成干涉。,暗环,明暗环的

3、分布规律,膜厚,平凸透镜的 曲率半径,几何条件,代入光程差公式,光的干涉现象,相干光,镀层膜,2 应用,题,题,干涉特点综述：可用八个字来表示“一分为二，合二而一”。实际上，利用普通光源获得相干光的基本原理是，把由光源上同一点发的光设法分成两部分，然后，使这两部分通过不同的光程再相遇而进行同方向，同频率的光振动的叠加。由于这两部分光实际上同一发光原子的同一次发光 ，所以，它们是满足相干条件的相干光。,第 三 节 光的相干性,一 问题的提出,二 时间的相干性,* 解释：相干长度对干涉的影响。,二 空间的相干性,光源的线度对干涉的影响,各处光强相同，干涉条纹消失,经证明，产生干涉的条件为,一 光的

4、衍射现象,光通过狭缝时，改变方向，为光的衍射现象,二 惠更斯-菲涅耳原理,3 实验结果的理论解释-菲涅尔半波带法,衍射条纹的半波带解释,来自不同的子波源但传播方向相同的光经透镜汇聚在幕（焦平面）上的某区域处，它们相干涉的结果，因不同处合振动的振幅不同而使幕上不同点呈现不同的亮度。,（1）中央明纹的形成机理,讨论传播方向不变的一组光：,原因：等光程性。由狭缝处的不同子波源发出的光波，到主焦点处的几何路程不同，但光程相同（证明略）。,（2）其它明，暗纹的形成机理,*解释等光程性。,不难看出，由 发出的光与由 发出的光在 点处的光程差为 ，而由 发出的光与由 发出的光在 点的光程差为 ，二者在 相消

5、；而由 点下方某点发出的光与由 点下方的对称点发出的光在 点的光程差为 ，二者在 处相消。结果，AD内 的子波源与DB内的对应子波源发出的光在 点相消，因而， 为暗纹。,被称为菲涅尔半波带。,考虑更倾斜的一组衍射光线。,按以上的物理思想，相邻的半波带在幕上的相遇点 必相消，结果，还剩下一个半波带，在 点形成了明纹。,明纹（奇数个菲涅尔半波带）,结论：不难想象，对于某一方向的衍射光线，若单缝处的波面恰被分成偶数个菲涅尔半波带，此方向上的的衍射形成暗纹；对另一方向的衍射光线，若单缝处的波面恰被分成奇数个菲涅尔半波带，相邻半波带相互抵消，还余下一半波带，故为明纹形成。,四 夫琅和费单缝衍射的光强分布

6、,书中106-108页的详细讨论不考虑，不要求。,例 1410 用波长为 的单色平行光垂直入射于宽度为 的单缝上，透镜焦距为 ，求第三级暗纹在屏幕上的位置。,除了以上的单缝衍射外，还有圆孔衍射，单丝衍射等，基本的物理思想相同。在此，仅简介圆孔衍射（详细内容看理科光学教材）。,题,六 圆孔衍射,七 光学仪器的分辨本领,光学仪器如照相机，幻灯机，以及人的眼睛等都可简化视为一带透镜的圆孔，按光的衍射理论，存在衍射现象。下面简单地讨论一下衍射对光学仪器成像的影响。,张角大时能分辩,光学仪器的分辩本领,1990年发射的哈勃太空望远镜,普通光学显微镜，若 ，最小分辨距离为 ，最大放大倍数为2000。,第四

7、节 衍射光栅,问题的提出：由单缝衍射的不足之处讲起。,一 光栅结构,大量等宽等间距的平行狭缝所组成的光学器件。,* 第一个制做光栅的是美国人雷登奥斯（1785），他透过一块丝手帕看到了非常飘亮的灯光而受的启发。但在光栅的原理和制作上贡献最大的是夫琅和费，当初用金属丝排列而成。,二 光栅公式,三 分析与讨论,1 缺级,事实上，光栅的各个单缝均存在衍射，因而，光栅缝间的干涉是在各缝衍射的基础上进行的。若在某一衍射方向上，按光栅公式应为明纹，而该方向上又恰为单缝衍射的暗纹。则此明纹不存在，称为光栅缺级。,4 主极大和次极大,入射能量集中在若干条明纹上，为宽的暗区隔开，故条纹明亮细锐。,光栅光谱,次最

8、大,返回,缺级,光栅,级中的某一波长的光与 级中的某一波长光在同一衍射方向上。重级,四 斜入射,在光栅中，每一缝处为一波阵面，存在许多子波源，因而有单缝衍射的物理过程；同时，有缝间的干涉过程。确切的说，即在幕上的一点处，有由缝处自身的许多子波引起的光矢量的叠加，来自同一个缝的各子波光波在幕上一点形成一个合光振动，其振幅与衍射角有关。同时，各缝的合光矢量再叠加，即为光的干涉，故光栅的图样是缝自身的衍射与缝间的干涉总效果。为简化问题起见，把缝处的各子波源视为了一个理想的波源，向场区内的各个方向辐射振幅（光强）相同的平面波。,* 光栅的应用,5 实际工作中，常用反射式光栅,例 1413 用每毫米有3

9、00条刻痕的衍射光栅来检验仅含有红和蓝的两种单色成分的光谱，已知红谱线的波长 在0.63-0.76 之间，蓝谱线波长 在0.43-0.49 之间。当光垂直入射时，发现在 角度处，红蓝两谱线同时出现。,1 如果还有的话，在什么角度下还会出现这种复合谱线？2 在什么角度下只有红谱线出现？,题,第五节 X射线的晶体衍射,X射线是波长很短的电磁波。波长在1埃左右。要观察其波的特征，如干涉或绕射，需要缝宽与波长相近方可。因此，用晶体来完成，晶格常数与波长相近。,1912年，劳厄首先指出，X光可以在晶体上衍射并完成了仑琴射线的晶体衍射实验。,布喇格父子最早得出X射线在晶体上的衍射公式，并做出了解释。,科学

10、家 仑琴,科学家 M.劳厄,1879-1960,发现X射线在晶体内的衍射获1914年诺贝尔奖。,（德）,原子晶格,镜面反射相互加强,似斜入射光栅的衍射光线,用 射线测定的DNA双螺旋结构,全息照象的记录过程是物光和参考光在底片上干涉的结果。,一 自然光 偏振光,第六节 自然光 偏振光,1 自然光（Natural light）的特征,自然光的内部结构,2 偏振光（Polarized Light）的特征,二 偏振光的获得（方法之一）,由偏振片获得偏振光的图示法,结论：当光强为 自然光入射到偏振片上时，透射光是完全偏振光。由偏振片透射的光强仅是入射光强的一半；绕光线转动偏振片，透射的光强不变。绕光线

11、转动偏振片，透射的光的振动方向也变化，保持与偏振化方向平行。,1869年由法国物理学家马吕斯提出； 当完全线偏振光入射到偏振片时，光的振动方向和偏振化方向的夹角不同，出射的偏振光的光强不同。,第七节 马吕斯定律,如何的计算,例 1416 三个偏振片叠加在一起，第一个与第三个片的偏振化方向垂直，它们与第二个片的夹角为 ，一束自然光垂直入射在第一个片上，求 1 第二片的出射光强与第一片上的入射光强之比， 2 第三片的出射光强与第一片上的入射光强之比。,例 14 16 一部分偏振光（由自然光与偏振光组成）入射到一偏振片上，如图。当偏振片的出射光由对应最大亮度位置转过 时，光束亮度减小一半，求入射的部

12、分偏振光中自然光与偏振光的强度之比。,题,布儒斯特定律,用玻璃堆获的偏振光,第九节 双折射,该方向上二者 的速度相同,该方向上二者 的速度相同,在光轴的方向上， 光和 光的速度相同，故折射率相同。而在与光轴的垂直方向上，二者速度相差最大，在该方向上的 的折射率为其主折射率。,三 用惠更斯原理解释双折射（以方解石为例）,1 晶体的光轴垂直晶面，平面波垂直入射,不产生双折射,2 晶体的光轴平行晶面，平面波垂直入射,传播方向不变，但传播速度不同。,3 晶体的光轴斜交晶面，平面波斜入射,产生双折射。,4 晶体的光轴斜交晶面，平面波垂直入射,产生双折射。,四 尼可耳棱镜(1828年首制),为一起偏或检偏

13、光学器件，原理如下：,解释全反射,解：对第一个棱镜中的O光对第二个棱镜为其e光；而e光为O光。对O光向e光的转化，因 ，相当于光由光密介质向光疏介质折射。则棱镜二中的e光有大的折射角；,而另一束光是由相当于光由光疏介质向光密介质折射。则棱镜二中的O光有小的折射角。,O和e光的方向相同 但速度不同。,第十节 偏振光的干涉,原理示意图：关键是如何从线偏振光中获取频率相同，振动方向相同，有固定相差的相干光。,分析图,二者同方向 同频率,光弹性效应：非晶体透明物质，如玻璃，赛路珞塑料，环氧树脂等当存在内应力时，成为各向异性晶体，当偏振光照射时，形成干涉条纹。下图为在白光的偏光下观察到的干涉条纹。通过对条纹的分析，了解内部应力的分布，称为光弹法。,第十一节 圆或椭圆偏光 四分之一波片 二分之一波片,一 圆或椭圆偏光 四分之一波片,使线偏光变成圆或椭圆偏光时的晶片厚度,* 如何区分自然光，完全线偏振光和椭圆偏光 。,二 二分之一波片 线偏光,设想一与光线 垂直的一平面,线偏振光，振动的方向改变了。,光弹性效应：非晶体透明物质，如玻璃，赛路珞朔料，环氧树脂等当存在内应力时，成为各向异性晶体，当偏振光