物理光学部分总结.ppt

工程光学,物理光学部分 总结,主 讲：徐梦洁 联系电话邮箱地址：xumj,第十一章 光的电磁性质,小结： 1. 电磁波及其性质 1）波动方程的表达式 2）波动方程的物理意义 2. 光在电介质分界面上的反射和折射 1) 电磁场连续条件 2) 菲涅耳公式 3) 全反射 3. 光波的叠加 1) 波的叠加原理 2）驻波和拍,第十一章 光的电磁性质,例题11.1 选择题： 设折射率为n2的介质层放在折射率为n1和n3的两种介质之间，通过上下界面的光线1、2存在半波损失的情况是： n1n2n3 n1n2n3 2) 能够产生光学拍现象的两个叠加光波应该是： 频率相同、振动方向相同、传播方向相同、振幅相等的光波 频率相同、振动方向相反、传播方向相同、振幅相等的光波 频率接近、振动方向相同、传播方向相同、振幅相等的光波 频率相同、振动方向相同、传播方向相反、振幅相等的光波,第十一章 光的电磁性质,例题11.1 选择题： 3）一束光入射到两种透明介质的分界面上，有可能发生的现象是： 一部分光反射回原介质，同时另一部分光进入第二种介质中 只有反射光，没有折射光 只有折射光，没有反射光 既没有折射光，也没有反射光 答案为： 注：为全反射现象，为布儒斯特角入射。,第十一章 光的电磁性质,例题11.2 填空题： 1）驻波产生的条件是： 频率相同、振动方向相同、传播方向相反。 2）平面波 在传播方向上的单位矢量是：,例题11.3 一平面简谐电磁波在真空中沿z轴正向传播，其频率为61014Hz，电场振幅为42.42V/m。如果该电磁波的振动面与xz平面成45，试写出E和B的表达式。 解：电场振幅在x和y方向的上的分量为 因此电场的表达式为,第十一章 光的电磁性质,又 因此磁场的表达式为 注意：1. 单位 2. 方向和符号,第十一章 光的电磁性质,例题11.4 真空中沿z方向传播的两个单色光波为 若 ， ， ，试求合成波在z=0,1m和1.5m各处的强度随时间变化的关系。若两波频差 ，试求合成波振幅变化和强度变化的空间周期。,第十一章 光的电磁性质,解：（1） 当 ， 时,第十一章 光的电磁性质,当z=0时， 当z=1时， 当z=1.5时， (2) 当 ， 时 得,第十一章 光的电磁性质,第十二章 光的干涉和干涉系统,小结： 1. 杨氏双缝干涉 1）干涉条件 2）干涉条纹性质（明暗条纹） 3）光源临界宽度、相干时间、相干长度 2. 平板的双光束干涉 干涉条纹性质（明暗条纹） 3. 典型双光束干涉系统 4. 平行平板的多光束干涉*,例题12.1 选择题 1）下面说法中正确的是 在面光源照明的光场中，各点（次波源）都是完全不相干的。 在点光源照明的光场中，各点（次波源）都是完全相干的。 在理想的单色点光源照明的光场中，各点（次波源）都是完全相干的。 以纵向相干长度为轴，横向的相干面积为底作一柱体，其体积被称为相干体积。在相干体积内，任意两点（次波源）都有较高程度的相干性。,第十二章 光的干涉和干涉系统,注：时间相干性和空间相干性都要考虑。光源扩展只对空间相干性有影响，对时间相干性并无影响，因此错误。点光源照明的光场有最高的空间相干性，但纵向波线上的两点的相干性还会受到单色性（时间相干性）的限制，故错误。点光源照明的光场具有最高的空间相干性，同时理想单色光的波列无限长，具有最高的时间相干性，故正确。在相干体积内，横向波面上的任意两点在相干孔径角内，纵向波面上的任意两点都在相干长度以内，故相干体积内的任意两点都有较高程度的相干性，故正确。,第十二章 光的干涉和干涉系统,例题12.1 选择题 2）平行平板的双光束干涉形成圆条纹时 属于等厚干涉 其干涉条纹为等间隔同心圆环 随干涉孔径角的增大而增大 平板越厚，条纹越越密 3）将一个金属细丝至于两块玻璃平板之间，垂直向下观察可见干涉条纹。当在A点施加一个均匀增加的力F 条纹间隔逐渐增大 条纹数量逐渐减少 条纹向级次高的方向逐渐移出 条纹向级次低的方向移动,第十二章 光的干涉和干涉系统,例题12.2 填空题 1）形成干涉现象的基本条件是： 频率相同、振动方向相同、位相差恒定 2）获得相干光的方法有分波前法和分振幅法，杨氏双缝干涉属于 ，平行平板等倾干涉属于 。 分波前法、分振幅法 3）相干长度越长，说明光源的时间相干性 越好,第十二章 光的干涉和干涉系统,第十二章 光的干涉和干涉系统,例题12.2 填空题 5）两平板玻璃一端相接，据此20cm处夹一直径0.05mm的细丝，当用波长为589nm的光波垂直照射时，相邻暗纹的间距为,第十二章 光的干涉和干涉系统,第十二章 光的干涉和干涉系统,例题12.3 在杨氏干涉实验中，在原来的光源S的正上方再开一个光源狭缝S。 (1)若 ，求单独打开S或S及同时打开S和S时，屏上的光强分布。 (2)若 ，同时打开S和S时，屏上的光强分布。 解：（1）单开S时，光强分布为 其中： 单开S时，光强分布为 其中： 整理得到：,第十二章 光的干涉和干涉系统,解：（1）同时打开S和S时，非相干叠加得 （2）若 ，单开S时，其光强分布为 其中， 整理得： 非相干叠加得： 两组干涉条纹的亮纹、暗纹重合，亮纹强度增加。,第十二章 光的干涉和干涉系统,例题12.4 在等倾干涉实验中，若照明光波的波长 平板的厚度 ，折射率 ，其下表面镀高折射率介质 ，问： （1）在反射光方向观察到的圆条纹中心是暗还是亮？ （2）由中心向外计算，第10个亮纹的半径是多少？观察望远镜物镜的焦距为20cm？ （3）第十个亮纹处的条纹间距是多少？ 解：（1）因为平板下表面镀高折射率膜，所以光程差 当 时，中心处光程差,第十二章 光的干涉和干涉系统,解 所以应为亮纹，级次为104 （2）中心斑与从中心向外数第1亮纹之间的干涉级次差q的范围是 。当中心是亮斑时， ，当中心是暗斑时， 其他情况为一个小数。 （3） 所以,第十三章 光的衍射,小结： 1. 衍射的组成和分类 1）衍射系统的组成 2）菲涅耳衍射与夫琅禾费衍射的区别与联系 2. 典型孔径的夫琅禾费衍射 1）矩形孔径 强度分布（主极大、次极大、极小值） 2）单缝 强度分布（明纹、暗纹） 3）圆孔 爱丽斑 3. 光学系统的衍射和分辨本领 1）瑞利判据 2）望远镜、照相物镜、显微镜的分辨本领 4. 多缝的夫琅禾费衍射 强度分布 5. 衍射光栅 光栅方程,第十三章 光的衍射,例题13.1 选择题： 若要使单缝夫琅禾费衍射条纹的间隔增大，可采取下列人一种方法： 增大照明光源的波长。 增大单缝宽度 增大准直透镜焦距。 增大衍射屏后会聚透镜的焦距 2) 在圆孔的夫琅禾费衍射中 衍射图样是间隔不等的同心圆环。 光能量集中在中央亮斑处。 中央亮斑的大小只与衍射圆孔的带下有关。 中央亮斑的衍射级次最高。,第十三章 光的衍射,例题13.1 选择题： 3）相同半径的一个圆盘和一个圆孔的夫琅禾费衍射图样 强度分布完全相反。 强度分布完全相同。 除衍射图样中心处处，强度分布相同。 除衍射图样中心处处，强度分布完全相反。 4）某元素的特征光谱中含有波长分别为450nm和750nm的光谱线，在光栅光谱中，这两种波长的谱线有重叠现象，重叠出的谱线的级数是： 2,3,4,5 2,5,8,11 2,4,6,8 3,6,9,12,第十三章 光的衍射,例题13.2 填空题： 1）已知物镜直径为D，眼睛瞳孔的直径为d，为了充分利用望远镜的分辨率，其放大了应为： D/d 2）在夫琅禾费单缝衍射实验中，以钠黄光589nm垂直入射，若缝宽为0.1mm，则第一级极小出现在 弧度的方向上。,第十三章 光的衍射,例题13.2 填空题： 1）已知物镜直径为D，眼睛瞳孔的直径为d，为了充分利用望远镜的分辨率，其放大了应为： D/d 2）在夫琅禾费单缝衍射实验中，以钠黄光589nm垂直入射，若缝宽为0.1mm，则第一级极小出现在 弧度的方向上。,第十三章 光的衍射,例题13.3 在双缝夫琅禾费实验中，所用的光波波长 ，透镜焦距 ，观察到两相邻亮条纹间的距离 ，并且第4级亮纹缺级。试求： （1）双缝的缝距和缝宽 （2）第1,2,3级亮纹的相对强度。 解：（1）因为 ， 所以 上式两边微分，且取 ，得 所以,第十三章 光的衍射,解： 因为 ，由第四级亮纹缺级得 （2）当m=1时，第一级亮纹对应 当m=2时，第二级亮纹对应 当m=3时，第三级亮纹对应 代入公式 得到 第一级亮纹相对强度：,第十三章 光的衍射,解： 第二级亮纹相对强度： 第三级亮纹相对强度,第十三章 光的衍射,例题13.4 一个光栅每毫米刻线500条，长度为30mm，求： （1）该光栅二级光谱在500nm附近角色散本领和自由光谱范围（2）在二级光谱的500nm附近能够分辨的最小波长差为多少？ 解：（1）光栅常数 二级光谱角位置满足 所以 代