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第十一章第十一章第十一章第十一章 光学光学光学光学 光在通信领域的应用光在通信领域的应用光在通信领域的应用光在通信领域的应用 引言引言引言引言 2 烽火台烽火台烽火台烽火台光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信 光在天文领域的应用光在天文领域的应用光在天文领域的应用光在天文领域的应用 引言引言引言引言 3 光在工程领域的应用光在工程领域的应用光在工程领域的应用光在工程领域的应用 引言引言引言引言 4 X ray 衍射仪衍射仪衍射仪衍射仪高阶光学非接触式的高阶光学非接触式的高阶光学非接触式的高阶光学非接触式的3D扫描扫描扫描扫描 光在计算机领域的应用光在计算机领域的应用光在计算机领域的应用光在计算机领域的应用 引言引言引言引言 5 目录目录目录目录 11 1 光的本质光的本质光的本质光的本质 11 2 光的相干特性光的相干特性光的相干特性光的相干特性 11 3 光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性 6 11 3 光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性 11 4 光的偏振特性光的偏振特性光的偏振特性光的偏振特性 光的本质是什么光的本质是什么光的本质是什么光的本质是什么 光的传播特性是什么样的光的传播特性是什么样的光的传播特性是什么样的光的传播特性是什么样的 光与物质作用过程中有哪些性质光与物质作用过程中有哪些性质光与物质作用过程中有哪些性质光与物质作用过程中有哪些性质 光学的研究内容光学的研究内容光学的研究内容光学的研究内容 11 1 光的本质光的本质光的本质光的本质 7 光的本质光的本质光的本质光的本质 古希腊古希腊古希腊古希腊毕达哥拉斯毕达哥拉斯毕达哥拉斯毕达哥拉斯学派学派学派学派粒子粒子粒子粒子 亚里士多德亚里士多德亚里士多德亚里士多德学派学派学派学派波动波动波动波动 牛顿支持的微粒说牛顿支持的微粒说牛顿支持的微粒说牛顿支持的微粒说 惠更斯支持的波动说惠更斯支持的波动说惠更斯支持的波动说惠更斯支持的波动说 1801年年年年杨氏双缝实验杨氏双缝实验杨氏双缝实验杨氏双缝实验波动说的有力证明波动说的有力证明波动说的有力证明波动说的有力证明 1864年年年年麦克斯韦电磁场理论麦克斯韦电磁场理论麦克斯韦电磁场理论麦克斯韦电磁场理论光是电磁波光是电磁波光是电磁波光是电磁波 19世纪末世纪末世纪末世纪末20世纪初世纪初世纪初世纪初黑体辐射黑体辐射黑体辐射黑体辐射 光电效应光电效应光电效应光电效应 康普康普康普康普 顿效应顿效应顿效应顿效应证实了光的量子性证实了光的量子性证实了光的量子性证实了光的量子性 光是一种电磁波光是一种电磁波光是一种电磁波光是一种电磁波 是物质是物质是物质是物质 即有波动性又有粒子性即有波动性又有粒子性即有波动性又有粒子性即有波动性又有粒子性 11 1 光的本质光的本质光的本质光的本质 8 光是一种电磁波光是一种电磁波光是一种电磁波光是一种电磁波 是物质是物质是物质是物质 即有波动性又有粒子性即有波动性又有粒子性即有波动性又有粒子性即有波动性又有粒子性 波粒二象性波粒二象性波粒二象性波粒二象性 光的本质为光具有波粒二象性光的本质为光具有波粒二象性光的本质为光具有波粒二象性光的本质为光具有波粒二象性 光在传播过程中光在传播过程中光在传播过程中光在传播过程中 波动性比较显著波动性比较显著波动性比较显著波动性比较显著 这就是人们这就是人们这就是人们这就是人们 能观察到光的折射能观察到光的折射能观察到光的折射能观察到光的折射 反射反射反射反射 干涉干涉干涉干涉 衍射等现象的衍射等现象的衍射等现象的衍射等现象的 原因原因原因原因 11 1 光的本质光的本质光的本质光的本质 9 当光与物质相互作用时当光与物质相互作用时当光与物质相互作用时当光与物质相互作用时 粒子性比较显著粒子性比较显著粒子性比较显著粒子性比较显著 这就这就这就这就 是人们能够利用光电效应进行太阳能发电等的原是人们能够利用光电效应进行太阳能发电等的原是人们能够利用光电效应进行太阳能发电等的原是人们能够利用光电效应进行太阳能发电等的原 因因因因 光成了波动和粒子的矛盾统一体光成了波动和粒子的矛盾统一体光成了波动和粒子的矛盾统一体光成了波动和粒子的矛盾统一体 是一种具有波是一种具有波是一种具有波是一种具有波 粒二象性的电磁波粒二象性的电磁波粒二象性的电磁波粒二象性的电磁波 11 1 光的本质光的本质光的本质光的本质 11 2 光的相干特性光的相干特性光的相干特性光的相干特性 11 3 光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性 10 11 3 光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性 11 4 光的偏振特性光的偏振特性光的偏振特性光的偏振特性 11 2 光的相干特性光的相干特性光的相干特性光的相干特性 蝴蝶蝴蝶蝴蝶蝴蝶 泡沫等丰富的泡沫等丰富的泡沫等丰富的泡沫等丰富的 色彩源于蝴蝶或泡沫色彩源于蝴蝶或泡沫色彩源于蝴蝶或泡沫色彩源于蝴蝶或泡沫 本身吗本身吗本身吗本身吗 除了其本身的颜色外除了其本身的颜色外除了其本身的颜色外除了其本身的颜色外 光波的干涉光波的干涉光波的干涉光波的干涉是另一个是另一个是另一个是另一个 原因原因原因原因 11 原因原因原因原因 一一一一 光的干涉现象光的干涉现象光的干涉现象光的干涉现象 11 2 光的相干特性光的相干特性光的相干特性光的相干特性 12 满足一定条件的两列光波在空间相遇也会产生干涉满足一定条件的两列光波在空间相遇也会产生干涉满足一定条件的两列光波在空间相遇也会产生干涉满足一定条件的两列光波在空间相遇也会产生干涉 现象现象现象现象 形成稳定的干涉图样形成稳定的干涉图样形成稳定的干涉图样形成稳定的干涉图样 干涉图样的特征是有干涉图样的特征是有干涉图样的特征是有干涉图样的特征是有 的地方始终明亮的地方始终明亮的地方始终明亮的地方始终明亮 而有的地方却始终黑暗而有的地方却始终黑暗而有的地方却始终黑暗而有的地方却始终黑暗 二二二二 相干光相干光相干光相干光 频率相同频率相同频率相同频率相同 光振动方向相同光振动方向相同光振动方向相同光振动方向相同 相位相同或有恒相位相同或有恒相位相同或有恒相位相同或有恒 定的相位差定的相位差定的相位差定的相位差 光强差不能太大光强差不能太大光强差不能太大光强差不能太大 1 相干条件相干条件相干条件相干条件 2 相干光相干光相干光相干光 11 2 光的相干特性光的相干特性光的相干特性光的相干特性 13 满足相干条件的光满足相干条件的光满足相干条件的光满足相干条件的光 普通光源发出的都是非相干光普通光源发出的都是非相干光普通光源发出的都是非相干光普通光源发出的都是非相干光 断续性断续性断续性断续性 随机性随机性随机性随机性无固定相位差无固定相位差无固定相位差无固定相位差 独立性独立性独立性独立性同一原子不同时刻发出的光是独立的同一原子不同时刻发出的光是独立的同一原子不同时刻发出的光是独立的同一原子不同时刻发出的光是独立的 s10 10 108 t 1 分波面法分波面法分波面法分波面法 三三三三 获得相干光的方法获得相干光的方法获得相干光的方法获得相干光的方法 s 在光源发出的光的某一在光源发出的光的某一在光源发出的光的某一在光源发出的光的某一 波面上波面上波面上波面上 取两个子波源取两个子波源取两个子波源取两个子波源 它们发出的光是相干关它们发出的光是相干关它们发出的光是相干关它们发出的光是相干关 11 2 光的相干特性光的相干特性光的相干特性光的相干特性 14 光源光源光源光源 1 s 2 s 它们发出的光是相干关它们发出的光是相干关它们发出的光是相干关它们发出的光是相干关 可以产生干涉现象可以产生干涉现象可以产生干涉现象可以产生干涉现象 2 分振幅法分振幅法分振幅法分振幅法 一束光经过反射一束光经过反射一束光经过反射一束光经过反射 折射折射折射折射 后后后后 形成的两束光线产形成的两束光线产形成的两束光线产形成的两束光线产 生干涉的方法生干涉的方法生干涉的方法生干涉的方法 11 2 光的相干特性光的相干特性光的相干特性光的相干特性 15 如薄膜干涉如薄膜干涉如薄膜干涉如薄膜干涉 等厚干涉等厚干涉等厚干涉等厚干涉 四四四四 光程光程光程光程 nc u1 u c 真空中的波长真空中的波长真空中的波长真空中的波长 介质的折射率介质的折射率介质的折射率介质的折射率n 介质中的波长介质中的波长介质中的波长介质中的波长 折射率折射率折射率折射率 11 2 光的相干特性光的相干特性光的相干特性光的相干特性 16 介质的折射率介质的折射率介质的折射率介质的折射率n 相位差相位差相位差相位差 2 2 12 r T tr T t 1 s P 1 r 2 s 2 rn 2 12 rr 2 12 rnr 物理意义物理意义物理意义物理意义 光程就是光在介质中通光程就是光在介质中通光程就是光在介质中通光程就是光在介质中通 过的几何路程过的几何路程过的几何路程过的几何路程 按波数相等折合到真空按波数相等折合到真空按波数相等折合到真空按波数相等折合到真空 中的路程中的路程中的路程中的路程 nrr 1 光程光程光程光程 介质折射率与光的几何路程之积介质折射率与光的几何路程之积介质折射率与光的几何路程之积介质折射率与光的几何路程之积 nrL 11 2 光的相干特性光的相干特性光的相干特性光的相干特性 17 中的路程中的路程中的路程中的路程 相位与光程的关系相位与光程的关系相位与光程的关系相位与光程的关系 L 2 2 光程差光程差光程差光程差 两光程之差两光程之差两光程之差两光程之差 12 rnrL 光程差光程差光程差光程差 2 L 相位差相位差相位差相位差 1 s P 1 r 2 s 2 rn 11 2 光的相干特性光的相干特性光的相干特性光的相干特性 18 L 2 1 0 kkL L 2 1 0 2 kk 干涉相长干涉相长干涉相长干涉相长 干涉相消干涉相消干涉相消干涉相消 L 2 1 0 2 12 kkL L 2 1 0 12 kk 3 激光激光激光激光 11 2 光的相干特性光的相干特性光的相干特性光的相干特性 19 梅曼梅曼梅曼梅曼 T H Maiman 11 2 光的相干特性光的相干特性光的相干特性光的相干特性 五五五五 杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉 20 杨氏双缝干涉实验视频杨氏双缝干涉实验视频杨氏双缝干涉实验视频杨氏双缝干涉实验视频 红色红色红色红色 绿色绿色绿色绿色 11 2 光的相干特性光的相干特性光的相干特性光的相干特性 21 强度是如何分布的强度是如何分布的强度是如何分布的强度是如何分布的 产生的原因是什么产生的原因是什么产生的原因是什么产生的原因是什么 不同颜色光的干涉图样有什么不同不同颜色光的干涉图样有什么不同不同颜色光的干涉图样有什么不同不同颜色光的干涉图样有什么不同 紫色紫色紫色紫色 五五五五 杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉 O P Sd S1 S2 r1 r2 x 11 2 光的相干特性光的相干特性光的相干特性光的相干特性 22 dd tansindx S2 d sin 12 drrL 光程差光程差光程差光程差 d x d O P Sd S1 S2 r1 r2 x d 11 2 光的相干特性光的相干特性光的相干特性光的相干特性 23 d 1 明纹特征明纹特征明纹特征明纹特征 0 1 2 k d d kx x为明纹中心位置为明纹中心位置为明纹中心位置为明纹中心位置 号分别表示干涉条号分别表示干涉条号分别表示干涉条号分别表示干涉条 纹在点两侧纹在点两侧纹在点两侧纹在点两侧 k为级次为级次为级次为级次 2 暗纹特征暗纹特征暗纹特征暗纹特征 x为暗纹中心位置为暗纹中心位置为暗纹中心位置为暗纹中心位置 号分别表示干涉条号分别表示干涉条号分别表示干涉条号分别表示干涉条 纹在点两侧纹在点两侧纹在点两侧纹在点两侧 k为级次为级次为级次为级次 2 1 0 2 12 k d d kx 11 2 光的相干特性光的相干特性光的相干特性光的相干特性 24 1 k d d x 3 条纹间距条纹间距条纹间距条纹间距 相邻明纹中心或相邻暗纹中心的距离称为相邻明纹中心或相邻暗纹中心的距离称为相邻明纹中心或相邻暗纹中心的距离称为相邻明纹中心或相邻暗纹中心的距离称为条条条条 纹间距纹间距纹间距纹间距 1 若用白光作为入射光若用白光作为入射光若用白光作为入射光若用白光作为入射光 双缝干涉双缝干涉双缝干涉双缝干涉 的屏上将观察到怎样的干涉图样的屏上将观察到怎样的干涉图样的屏上将观察到怎样的干涉图样的屏上将观察到怎样的干涉图样 特征是什特征是什特征是什特征是什 么么么么 2 如果装置结构如果装置结构如果装置结构如果装置结构 d d 和波长和波长和波长和波长 发生变化发生变化发生变化发生变化 时条纹将如何变化时条纹将如何变化时条纹将如何变化时条纹将如何变化 思考题思考题思考题思考题1 11 2 光的相干特性光的相干特性光的相干特性光的相干特性 25 时条纹将如何变化时条纹将如何变化时条纹将如何变化时条纹将如何变化 例题例题例题例题1 在杨氏双缝干涉实验中在杨氏双缝干涉实验中在杨氏双缝干涉实验中在杨氏双缝干涉实验中 用波长用波长用波长用波长 589 3 nm的的的的 纳灯作光源纳灯作光源纳灯作光源纳灯作光源 双缝间距双缝间距双缝间距双缝间距d 1 mm屏幕距双缝的距离屏幕距双缝的距离屏幕距双缝的距离屏幕距双缝的距离 d 100 mm 若使用的胶片的分辨率为若使用的胶片的分辨率为若使用的胶片的分辨率为若使用的胶片的分辨率为R 150 lp mm 问是否能够记录下此条纹问是否能够记录下此条纹问是否能够记录下此条纹问是否能够记录下此条纹 如果不能如果不能如果不能如果不能 应该采取什么应该采取什么应该采取什么应该采取什么 措施才能在胶片上记录到干涉条纹图措施才能在胶片上记录到干涉条纹图措施才能在胶片上记录到干涉条纹图措施才能在胶片上记录到干涉条纹图 11 2 光的相干特性光的相干特性光的相干特性光的相干特性 26 mm 10893 5 3 d d x 解解解解d 100 mm d 10 mm 条纹间距为条纹间距为条纹间距为条纹间距为 胶片可记录的最小条纹间距为胶片可记录的最小条纹间距为胶片可记录的最小条纹间距为胶片可记录的最小条纹间距为 mm 10667 6 1 3 R x xx 1 2 3 L n1 i D P 1 光程差光程差光程差光程差 11 2 光的相干特性光的相干特性光的相干特性光的相干特性 30 ADCD 1 2 sin sin n ni d n1 n2 n3 AC BE ADnBCABn L 12 dBCAB cos iACAD sin 2 L P 11 2 光的相干特性光的相干特性光的相干特性光的相干特性 31 id sin tan 2 d 1 2 3 n1 n2 n3 i A D C BE innd dnn d L 22 1 2 2 2 2 1 2 2 sin2 cos2sin1 cos 2 2 半波损失半波损失半波损失半波损失 光从光疏介质光从光疏介质光从光疏介质光从光疏介质到光密介质到光密介质到光密介质到光密介质的界面发生反射时的界面发生反射时的界面发生反射时的界面发生反射时 11 2 光的相干特性光的相干特性光的相干特性光的相干特性 32 光从光疏介质光从光疏介质光从光疏介质光从光疏介质n1到光密介质到光密介质到光密介质到光密介质n2的界面发生反射时的界面发生反射时的界面发生反射时的界面发生反射时 即即即即n2 n1 反射光将存在半波损失反射光将存在半波损失反射光将存在半波损失反射光将存在半波损失 即反射光即反射光即反射光即反射光 与入射光会产生与入射光会产生与入射光会产生与入射光会产生 2的光程差的光程差的光程差的光程差 反之反之反之反之 则没有则没有则没有则没有 若若若若n3n1上表面存在半波损失上表面存在半波损失上表面存在半波损失上表面存在半波损失 下表面无半波下表面无半波下表面无半波下表面无半波 损失损失损失损失 则光程差为则光程差为则光程差为则光程差为 2 sin2 22 1 2 2 inndL inndL 222 sin2 透射光的光程差透射光的光程差透射光的光程差透射光的光程差 根据具体根据具体根据具体根据具体 情况而定情况而定情况而定情况而定 2 sin2 22 1 2 2 inndL d 决定的光程差而形成决定的光程差而形成决定的光程差而形成决定的光程差而形成 的干涉图叫的干涉图叫的干涉图叫的干涉图叫等厚干涉等厚干涉等厚干涉等厚干涉 11 2 光的相干特性光的相干特性光的相干特性光的相干特性 33 inndL 22 1 2 2 sin2 注意注意注意注意 透射光和反透射光和反透射光和反透射光和反 射光干涉具有互射光干涉具有互射光干涉具有互射光干涉具有互 补补补补 性性性性 符合能量守恒定律符合能量守恒定律符合能量守恒定律符合能量守恒定律 i决定的光程差而形成决定的光程差而形成决定的光程差而形成决定的光程差而形成 的干涉图叫的干涉图叫的干涉图叫的干涉图叫等倾干涉等倾干涉等倾干涉等倾干涉 2 sin2 22 1 2 2 inndL 光程差相同的点所对应的干涉图强度也相同光程差相同的点所对应的干涉图强度也相同光程差相同的点所对应的干涉图强度也相同光程差相同的点所对应的干涉图强度也相同 11 2 光的相干特性光的相干特性光的相干特性光的相干特性 34 光程差相同的点所对应的干涉图强度也相同光程差相同的点所对应的干涉图强度也相同光程差相同的点所对应的干涉图强度也相同光程差相同的点所对应的干涉图强度也相同 所有光程差相同的点构成同一级次的干涉条所有光程差相同的点构成同一级次的干涉条所有光程差相同的点构成同一级次的干涉条所有光程差相同的点构成同一级次的干涉条 纹纹纹纹 两种典型的等厚干涉两种典型的等厚干涉两种典型的等厚干涉两种典型的等厚干涉 劈劈劈劈 尖尖尖尖 牛顿环牛顿环牛顿环牛顿环 11 2 光的相干特性光的相干特性光的相干特性光的相干特性 35 劈劈劈劈 尖尖尖尖牛顿环牛顿环牛顿环牛顿环 G l 七七七七 等厚干涉等厚干涉等厚干涉等厚干涉 1 劈劈劈劈尖尖尖尖 垂直入射垂直入射垂直入射垂直入射 入射角为入射角为入射角为入射角为 0 则光程差为则光程差为则光程差为则光程差为 11 2 光的相干特性光的相干特性光的相干特性光的相干特性 36 2 2 ndL G1 G2 dn d 劈尖干涉条件为劈尖干涉条件为劈尖干涉条件为劈尖干涉条件为 暗纹 明纹 2 1 0 2 12 3 2 1 2 2 2 2 L L kk kk ndL 11 2 光的相干特性光的相干特性光的相干特性光的相干特性 37 2 劈尖干涉图样具有以下特点劈尖干涉图样具有以下特点劈尖干涉图样具有以下特点劈尖干涉图样具有以下特点 在劈棱处在劈棱处在劈棱处在劈棱处d 0 对应光程差为对应光程差为对应光程差为对应光程差为 形成暗纹形成暗纹形成暗纹形成暗纹 相邻明纹或暗纹对应的薄膜厚度差均为相邻明纹或暗纹对应的薄膜厚度差均为相邻明纹或暗纹对应的薄膜厚度差均为相邻明纹或暗纹对应的薄膜厚度差均为 条纹间距为条纹间距为条纹间距为条纹间距为 2 n d 2 n l 2 增透膜和增反膜增透膜和增反膜增透膜和增反膜增透膜和增反膜 利用薄膜干涉可以提高光学器件的透光率利用薄膜干涉可以提高光学器件的透光率利用薄膜干涉可以提高光学器件的透光率利用薄膜干涉可以提高光学器件的透光率 反射率反射率反射率反射率 例题例题例题例题2 为使对照相底片和视觉最敏感的黄绿光透射为使对照相底片和视觉最敏感的黄绿光透射为使对照相底片和视觉最敏感的黄绿光透射为使对照相底片和视觉最敏感的黄绿光透射 率增强率增强率增强率增强 常在照相机和光学仪器的透镜表面镀一层常在照相机和光学仪器的透镜表面镀一层常在照相机和光学仪器的透镜表面镀一层常在照相机和光学仪器的透镜表面镀一层 氟化镁薄膜氟化镁薄膜氟化镁薄膜氟化镁薄膜 减少反射光减少反射光减少反射光减少反射光 从而增加透射光强度从而增加透射光强度从而增加透射光强度从而增加透射光强度 这种薄膜称为这种薄膜称为这种薄膜称为这种薄膜称为增透膜增透膜增透膜增透膜 氟化镁的折射率氟化镁的折射率氟化镁的折射率氟化镁的折射率 381 11 2 光的相干特性光的相干特性光的相干特性光的相干特性 38 这种薄膜称为这种薄膜称为这种薄膜称为这种薄膜称为增透膜增透膜增透膜增透膜 氟化镁的折射率氟化镁的折射率氟化镁的折射率氟化镁的折射率 玻璃折射率玻璃折射率玻璃折射率玻璃折射率 请问请问请问请问 当光线垂直入射时当光线垂直入射时当光线垂直入射时当光线垂直入射时 要要要要 达到增加透射光的目的达到增加透射光的目的达到增加透射光的目的达到增加透射光的目的 氟化镁增透膜的厚度至少氟化镁增透膜的厚度至少氟化镁增透膜的厚度至少氟化镁增透膜的厚度至少 应为多少应为多少应为多少应为多少 38 1 2 n 50 1 1 n 空气n1 1 0 MgF2n2 1 38 玻璃n3 1 5 a b e 解解解解 由于由于由于由于 321 nnn n1 1 在在在在O处厚度处厚度处厚度处厚度 为为为为0 应为明纹应为明纹应为明纹应为明纹 则则则则OM之间共有之间共有之间共有之间共有 N 6 5个条纹间隔个条纹间隔个条纹间隔个条纹间隔 根据劈尖干根据劈尖干根据劈尖干根据劈尖干 涉可知涉可知涉可知涉可知 一个条纹间隔对应膜厚一个条纹间隔对应膜厚一个条纹间隔对应膜厚一个条纹间隔对应膜厚 为为为为 2n1 故膜厚为故膜厚为故膜厚为故膜厚为 n Nd 2 311 10893 5 56 7 故膜厚为故膜厚为故膜厚为故膜厚为 11 2 光的相干特性光的相干特性光的相干特性光的相干特性 42 m31 1 46 12 10893 5 5 6 m O M SiO2 Si M 7 6 5 4 3 2 1 白光薄膜干涉白光薄膜干涉白光薄膜干涉白光薄膜干涉研究发现研究发现研究发现研究发现 昆虫昆虫昆虫昆虫 翅膀与孔雀羽毛之所以呈现出五彩斑斓的颜翅膀与孔雀羽毛之所以呈现出五彩斑斓的颜翅膀与孔雀羽毛之所以呈现出五彩斑斓的颜翅膀与孔雀羽毛之所以呈现出五彩斑斓的颜 色色色色 昆虫翅膀与孔雀羽毛在自然状态下形成昆虫翅膀与孔雀羽毛在自然状态下形成昆虫翅膀与孔雀羽毛在自然状态下形成昆虫翅膀与孔雀羽毛在自然状态下形成 了一层厚度不均的薄膜了一层厚度不均的薄膜了一层厚度不均的薄膜了一层厚度不均的薄膜 1 请用薄膜干涉请用薄膜干涉请用薄膜干涉请用薄膜干涉 思考题思考题思考题思考题2 11 2 光的相干特性光的相干特性光的相干特性光的相干特性 43 了一层厚度不均的薄膜了一层厚度不均的薄膜了一层厚度不均的薄膜了一层厚度不均的薄膜 1 请用薄膜干涉请用薄膜干涉请用薄膜干涉请用薄膜干涉 的原理的原理的原理的原理 解释昆虫翅膀与孔雀羽毛在阳光下解释昆虫翅膀与孔雀羽毛在阳光下解释昆虫翅膀与孔雀羽毛在阳光下解释昆虫翅膀与孔雀羽毛在阳光下 呈现出各种色彩的原因呈现出各种色彩的原因呈现出各种色彩的原因呈现出各种色彩的原因 2 为什么为什么为什么为什么在昆虫在昆虫在昆虫在昆虫 翅膀与孔雀羽毛上翅膀与孔雀羽毛上翅膀与孔雀羽毛上翅膀与孔雀羽毛上 观察到的各种颜色的分观察到的各种颜色的分观察到的各种颜色的分观察到的各种颜色的分 布不均匀布不均匀布不均匀布不均匀 2 2 2 2 牛顿环牛顿环牛顿环牛顿环 由一块平板玻璃和一平凸透镜组成由一块平板玻璃和一平凸透镜组成由一块平板玻璃和一平凸透镜组成由一块平板玻璃和一平凸透镜组成 R O 11 2 光的相干特性光的相干特性光的相干特性光的相干特性 44 2 2 ndL 光程差光程差光程差光程差 d R r 干涉图样干涉图样干涉图样干涉图样 牛顿环干涉条件牛顿环干涉条件牛顿环干涉条件牛顿环干涉条件 暗纹 明纹 2 1 0 2 12 3 2 1 2 2 2 2 L L kk kk ndL 11 2 光的相干特性光的相干特性光的相干特性光的相干特性 45 2 牛顿环干涉图样特点牛顿环干涉图样特点牛顿环干涉图样特点牛顿环干涉图样特点 在透镜中心处在透镜中心处在透镜中心处在透镜中心处d 0 形成暗纹形成暗纹形成暗纹形成暗纹 牛顿环半径牛顿环半径牛顿环半径牛顿环半径 2222 2 ddRdRRr 0 2 ddRQ RLdRr 2 2 暗纹 明纹 21 21 2 1 L L knkR knRk r 11 2 光的相干特性光的相干特性光的相干特性光的相干特性 46 d R r O 顿环分布不均匀顿环分布不均匀顿环分布不均匀顿环分布不均匀 间距不间距不间距不间距不 相等相等相等相等 且半径越大且半径越大且半径越大且半径越大 牛顿牛顿牛顿牛顿 环越密环越密环越密环越密 标准验规标准验规标准验规标准验规 标准验规标准验规标准验规标准验规 如何区分如下两种情况如何区分如下两种情况如何区分如下两种情况如何区分如下两种情况 11 2 光的相干特性光的相干特性光的相干特性光的相干特性 思考题思考题思考题思考题3 47 待测透镜待测透镜待测透镜待测透镜 暗纹暗纹暗纹暗纹 暗纹暗纹暗纹暗纹 待测透镜待测透镜待测透镜待测透镜 11 2 光的相干特性光的相干特性光的相干特性光的相干特性 八八八八 迈克耳逊干涉仪迈克耳逊干涉仪迈克耳逊干涉仪迈克耳逊干涉仪 48 八八八八 迈克耳逊干涉仪迈克耳逊干涉仪迈克耳逊干涉仪迈克耳逊干涉仪 光源光源光源光源S G1 M 2M1 2 光程差光程差光程差光程差dL2 当当当当M1不垂直于不垂直于不垂直于不垂直于M2时时时时 可形成劈尖干涉可形成劈尖干涉可形成劈尖干涉可形成劈尖干涉 11 2 光的相干特性光的相干特性光的相干特性光的相干特性 49 21 MM M2 d 迈克耳逊干涉仪原理图迈克耳逊干涉仪原理图迈克耳逊干涉仪原理图迈克耳逊干涉仪原理图 P 1 G2 可形成劈尖干涉可形成劈尖干涉可形成劈尖干涉可形成劈尖干涉 M1M 2 九九九九 迈克尔孙干涉仪特性迈克尔孙干涉仪特性迈克尔孙干涉仪特性迈克尔孙干涉仪特性 两相干光束在空间完全分开两相干光束在空间完全分开两相干光束在空间完全分开两相干光束在空间完全分开 并可用移动反射镜或在光并可用移动反射镜或在光并可用移动反射镜或在光并可用移动反射镜或在光 路中加入介质的方法改变两光束的光程差路中加入介质的方法改变两光束的光程差路中加入介质的方法改变两光束的光程差路中加入介质的方法改变两光束的光程差 实现干涉计实现干涉计实现干涉计实现干涉计 量量量量 11 2 光的相干特性光的相干特性光的相干特性光的相干特性 50 2 Nd 若若若若M2移动移动移动移动 观察到干涉条纹也发生移动观察到干涉条纹也发生移动观察到干涉条纹也发生移动观察到干涉条纹也发生移动位置发生变位置发生变位置发生变位置发生变 化化化化 移动距离移动距离移动距离移动距离 d与条纹移动数目与条纹移动数目与条纹移动数目与条纹移动数目N之间满足之间满足之间满足之间满足 干涉条纹的移动干涉条纹的移动干涉条纹的移动干涉条纹的移动 当当当当与与与与之间之间之间之间 距离变大时距离变大时距离变大时距离变大时 圆形干涉圆形干涉圆形干涉圆形干涉 条纹从中心一个个长出条纹从中心一个个长出条纹从中心一个个长出条纹从中心一个个长出 2 M 1 M 11 2 光的相干特性光的相干特性光的相干特性光的相干特性 51 条纹从中心一个个长出条纹从中心一个个长出条纹从中心一个个长出条纹从中心一个个长出 并向外扩张并向外扩张并向外扩张并向外扩张 干涉条纹干涉条纹干涉条纹干涉条纹 变密变密变密变密 距离变小时距离变小时距离变小时距离变小时 圆圆圆圆 形干涉条纹一个个向中形干涉条纹一个个向中形干涉条纹一个个向中形干涉条纹一个个向中 心缩进心缩进心缩进心缩进 干涉条纹变稀干涉条纹变稀干涉条纹变稀干涉条纹变稀 11 1 光的本质光的本质光的本质光的本质 11 2 光的相干特性光的相干特性光的相干特性光的相干特性 11 3 光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性 52 11 3 光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性 11 4 光的偏振特性光的偏振特性光的偏振特性光的偏振特性 11 3 光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性 Cannon公司研发的一款新型的长焦镜头在常规透公司研发的一款新型的长焦镜头在常规透公司研发的一款新型的长焦镜头在常规透公司研发的一款新型的长焦镜头在常规透 镜中加入多层衍射光学元件镜中加入多层衍射光学元件镜中加入多层衍射光学元件镜中加入多层衍射光学元件 具有更小的体积具有更小的体积具有更小的体积具有更小的体积 更更更更 轻的重量轻的重量轻的重量轻的重量 同时在画面质量上也有很大的提升同时在画面质量上也有很大的提升同时在画面质量上也有很大的提升同时在画面质量上也有很大的提升 53 法国法国法国法国Inel公司的公司的公司的公司的X ray 衍射仪衍射仪衍射仪衍射仪 EQUINOX6000 可以对多种材料可以对多种材料可以对多种材料可以对多种材料 晶体的多种晶体的多种晶体的多种晶体的多种 特性进行测量特性进行测量特性进行测量特性进行测量 11 3 光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性 54 这些照片与普通照片有这些照片与普通照片有这些照片与普通照片有这些照片与普通照片有 说明不同说明不同说明不同说明不同 11 3 光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性 55 怎么照出来的怎么照出来的怎么照出来的怎么照出来的 菲涅尔波带片菲涅尔波带片菲涅尔波带片菲涅尔波带片 就就就就 是用它代替镜头照是用它代替镜头照是用它代替镜头照是用它代替镜头照 出来的出来的出来的出来的 11 3 光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性 56 它是怎么工它是怎么工它是怎么工它是怎么工 作的作的作的作的 P H S 一一一一 光的衍射现象光的衍射现象光的衍射现象光的衍射现象 11 3 光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性 57 G S 泊松亮斑泊松亮斑泊松亮斑泊松亮斑 二二二二 菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射 夫朗禾费夫朗禾费夫朗禾费夫朗禾费衍射衍射衍射衍射 缝缝缝缝 菲涅尔衍射菲涅尔衍射菲涅尔衍射菲涅尔衍射 缝缝缝缝 P S 衍射的分类衍射的分类衍射的分类衍射的分类 11 3 光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性 58 光源光源光源光源 屏与缝相距无限远屏与缝相距无限远屏与缝相距无限远屏与缝相距无限远 缝缝缝缝 P S 光源光源光源光源 屏与缝相距有限远屏与缝相距有限远屏与缝相距有限远屏与缝相距有限远 缝缝缝缝 S 二二二二 菲涅尔衍射和夫朗禾费衍射菲涅尔衍射和夫朗禾费衍射菲涅尔衍射和夫朗禾费衍射菲涅尔衍射和夫朗禾费衍射 11 3 光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性 59 菲涅尔衍射区菲涅尔衍射区菲涅尔衍射区菲涅尔衍射区 几何成像区几何成像区几何成像区几何成像区 夫朗禾费夫朗禾费夫朗禾费夫朗禾费衍射区衍射区衍射区衍射区 三三三三 惠更斯惠更斯惠更斯惠更斯 菲涅尔原理菲涅尔原理菲涅尔原理菲涅尔原理 n v P S r dS 11 3 光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性 60 惠更斯惠更斯惠更斯惠更斯 菲涅尔原理菲涅尔原理菲涅尔原理菲涅尔原理 子光源发出的光波在子光源发出的光波在子光源发出的光波在子光源发出的光波在P点的相干点的相干点的相干点的相干 叠加即为该点的强度叠加即为该点的强度叠加即为该点的强度叠加即为该点的强度 子波在子波在子波在子波在点引起的振动振幅点引起的振动振幅点引起的振动振幅点引起的振动振幅并与并与并与并与有关有关有关有关 r s P ds r T t r K CE 2cos S 四四四四 单缝衍射单缝衍射单缝衍射单缝衍射 S 11 3 光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性 61 透透透透 镜镜镜镜 透透透透 镜镜镜镜 单单单单 缝缝缝缝 光光光光 屏屏屏屏 夫朗禾费单缝衍射夫朗禾费单缝衍射夫朗禾费单缝衍射夫朗禾费单缝衍射 o P R A B Q 五五五五 菲涅尔半波带法菲涅尔半波带法菲涅尔半波带法菲涅尔半波带法 b 缝长缝长缝长缝长 A B C L 11 3 光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性 62 B 2 2sin kb 2 12 sin kb L 3 2 1 k C 2 b A B o Q A B R LP 2 0sin 0 b 六六六六 单缝衍射衍射图样的特点单缝衍射衍射图样的特点单缝衍射衍射图样的特点单缝衍射衍射图样的特点 1 中央明纹中央明纹中央明纹中央明纹 f l 2 0 中央明纹宽度中央明纹宽度中央明纹宽度中央明纹宽度 11 3 光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性 63 kkb 2 2sin干涉相消干涉相消干涉相消干涉相消 暗纹暗纹暗纹暗纹 2k个半波带个半波带个半波带个半波带 a 0 2 暗纹暗纹暗纹暗纹 2 0 l a f x 暗纹宽度暗纹宽度暗纹宽度暗纹宽度 2 12 sin kb干涉加强干涉加强干涉加强干涉加强 明纹明纹明纹明纹 2k 1个半波带个半波带个半波带个半波带 3 明纹明纹明纹明纹 2 0 l a f x 暗纹宽度暗纹宽度暗纹宽度暗纹宽度 11 3 光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性 64 4 条纹条纹条纹条纹位置位置位置位置 明纹 暗纹 2 1 0 2 12 3 2 1 L L k a f k kf a k x 1 当白光入射单缝上时当白光入射单缝上时当白光入射单缝上时当白光入射单缝上时 会会会会 形成怎样的衍射图样形成怎样的衍射图样形成怎样的衍射图样形成怎样的衍射图样 2 如何才能使衍如何才能使衍如何才能使衍如何才能使衍 射最明显射最明显射最明显射最明显 只看到中央明纹只看到中央明纹只看到中央明纹只看到中央明纹 思考题思考题思考题思考题4 11 3 光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性 65 七七七七 圆孔衍射圆孔衍射圆孔衍射圆孔衍射 dD 11 3 光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性 66 Df d 22 1 2 艾里斑直径艾里斑直径艾里斑直径艾里斑直径 d f 八八八八 光学系统分辨率光学系统分辨率光学系统分辨率光学系统分辨率 III d IIIIII 11 3 光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性 67 瑞利判据瑞利判据瑞利判据瑞利判据 对于两个强度相等的不相干的点光源对于两个强度相等的不相干的点光源对于两个强度相等的不相干的点光源对于两个强度相等的不相干的点光源 其中一个衍射图样的其中一个衍射图样的其中一个衍射图样的其中一个衍射图样的主极大主极大主极大主极大刚好和另一衍射图样的刚好和另一衍射图样的刚好和另一衍射图样的刚好和另一衍射图样的 第一极小第一极小第一极小第一极小相相相相重合重合重合重合时两个点光源恰好可分辨时两个点光源恰好可分辨时两个点光源恰好可分辨时两个点光源恰好可分辨 S1S2S1S2S1S2 D 22 1 min 最小分辨角最小分辨角最小分辨角最小分辨角 在恰能分辨的情况下在恰能分辨的情况下在恰能分辨的情况下在恰能分辨的情况下 定义像点定义像点定义像点定义像点S1S1S1S1和和和和S2S2S2S2对透镜对透镜对透镜对透镜 中心的张角称为最小分辨角中心的张角称为最小分辨角中心的张角称为最小分辨角中心的张角称为最小分辨角 光学系统分辨率光学系统分辨率光学系统分辨率光学系统分辨率 11 3 光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性 68 光学仪器分辨率光学仪器分辨率光学仪器分辨率光学仪器分辨率 22 1 1 min D R 1 D S1 S2 例题例题例题例题4 哈勃望远镜的分辨率哈勃望远镜的分辨率哈勃望远镜的分辨率哈勃望远镜的分辨率 1990年年年年 自自自自 哈勃望远镜发射升空以来哈勃望远镜发射升空以来哈勃望远镜发射升空以来哈勃望远镜发射升空以来 它为天文研究它为天文研究它为天文研究它为天文研究 提供了大量的数据与资料提供了大量的数据与资料提供了大量的数据与资料提供了大量的数据与资料 望远镜的分辨望远镜的分辨望远镜的分辨望远镜的分辨 率一般用其最小分辨角表示率一般用其最小分辨角表示率一般用其最小分辨角表示率一般用其最小分辨角表示 哈勃望远镜哈勃望远镜哈勃望远镜哈勃望远镜 的主镜孔径的主镜孔径的主镜孔径的主镜孔径2 4m 试求在试求在试求在试求在1um波长下波长下波长下波长下 哈哈哈哈 勃望远镜的分辨率是多少勃望远镜的分辨率是多少勃望远镜的分辨率是多少勃望远镜的分辨率是多少 11 3 光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性 69 勃望远镜的分辨率是多少勃望远镜的分辨率是多少勃望远镜的分辨率是多少勃望远镜的分辨率是多少 解解解解 10 0 360030 57 40 2 101 22 1 22 1 6 D 哈勃望远镜的分辨率为哈勃望远镜的分辨率为哈勃望远镜的分辨率为哈勃望远镜的分辨率为0 10 10 10 1秒秒秒秒 九九九九 光栅光栅光栅光栅 光栅是一种由密集光栅是一种由密集光栅是一种由密集光栅是一种由密集 等间距的平行单缝构成的光学器件等间距的平行单缝构成的光学器件等间距的平行单缝构成的光学器件等间距的平行单缝构成的光学器件 11 3 光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性 70 反射光栅反射光栅反射光栅反射光栅 闪耀光栅闪耀光栅闪耀光栅闪耀光栅 衍射光栅衍射光栅衍射光栅衍射光栅 透射光栅透射光栅透射光栅透射光栅 光栅的制备光栅的制备光栅的制备光栅的制备 机制光栅机制光栅机制光栅机制光栅刻痕数刻痕数刻痕数刻痕数几十条几十条几十条几十条 mm 几千条几千条几千条几千条 mm 电子束制电子束制电子束制电子束制几万条几万条几万条几万条 mm 全息光栅全息光栅全息光栅全息光栅激光产生的干涉条纹在干板上曝光激光产生的干涉条纹在干板上曝光激光产生的干涉条纹在干板上曝光激光产生的干涉条纹在干板上曝光 11 3 光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性 71 全息光栅全息光栅全息光栅全息光栅激光产生的干涉条纹在干板上曝光激光产生的干涉条纹在干板上曝光激光产生的干涉条纹在干板上曝光激光产生的干涉条纹在干板上曝光 光栅及其放大图光栅及其放大图光栅及其放大图光栅及其放大图 衍射图样衍射图样衍射图样衍射图样光屏光屏光屏光屏透镜透镜透镜透镜光栅光栅光栅光栅 十十十十 光栅衍射光栅衍射光栅衍射光栅衍射 光栅常数光栅常数光栅常数光栅常数 a b 光栅的衍射条纹是衍射和干涉的总效果光栅的衍射条纹是衍射和干涉的总效果光栅的衍射条纹是衍射和干涉的总效果光栅的衍射条纹是衍射和干涉的总效果 11 3 光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性 72 a b 衍射图样衍射图样衍射图样衍射图样光屏光屏光屏光屏透镜透镜透镜透镜光栅光栅光栅光栅 十十十十 光栅衍射光栅衍射光栅衍射光栅衍射 任意相邻两个狭缝衍射光线的任意相邻两个狭缝衍射光线的任意相邻两个狭缝衍射光线的任意相邻两个狭缝衍射光线的 光程差都相同光程差都相同光程差都相同光程差都相同 为为为为 sinsin dbaL 11 3 光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性 73 a b明纹位置明纹位置明纹位置明纹位置 LL 2 1 0sin kkd 上式称为上式称为上式称为上式称为光栅方程光栅方程光栅方程光栅方程 光栅衍射条纹强度分布的特点光栅衍射条纹强度分布的特点光栅衍射条纹强度分布的特点光栅衍射条纹强度分布的特点 与单缝衍射条纹相比与单缝衍射条纹相比与单缝衍射条纹相比与单缝衍射条纹相比 光栅衍射条纹中出现一系光栅衍射条纹中出现一系光栅衍射条纹中出现一系光栅衍射条纹中出现一系 列新的强度最大值和最小值列新的强度最大值和最小值列新的强度最大值和最小值列新的强度最大值和最小值 其中那些强度较大的其中那些强度较大的其中那些强度较大的其中那些强度较大的 亮纹叫主最亮纹叫主最亮纹叫主最亮纹叫主最 极极极极 大大大大 较弱的叫次最较弱的叫次最较弱的叫次最较弱的叫次最 极极极极 大大大大 主最大的位置与缝数主最大的位置与缝数主最大的位置与缝数主最大的位置与缝数N无关无关无关无关 但其宽度随但其宽度随但其宽度随但其宽度随N的增的增的增的增 加而减小加而减小加而减小加而减小 其强度正比于其强度正比于其强度正比于其强度正比于N2 11 3 光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性 74 加而减小加而减小加而减小加而减小 其强度正比于其强度正比于其强度正比于其强度正比于N2 相邻主最大间有相邻主最大间有相邻主最大间有相邻主最大间有N 1条暗纹和条暗纹和条暗纹和条暗纹和N 2条次最大条次最大条次最大条次最大 强度分布中保留了单缝衍射因子强度分布中保留了单缝衍射因子强度分布中保留了单缝衍射因子强度分布中保留了单缝衍射因子 那就是光栅衍那就是光栅衍那就是光栅衍那就是光栅衍 射条纹的光强分布曲线的包络与单缝衍射强度曲线射条纹的光强分布曲线的包络与单缝衍射强度曲线射条纹的光强分布曲线的包络与单缝衍射强度曲线射条纹的光强分布曲线的包络与单缝衍射强度曲线 形式一样形式一样形式一样形式一样 光栅中狭缝条数越多光栅中狭缝条数越多光栅中狭缝条数越多光栅中狭缝条数越多 明纹越细越亮明纹越细越亮明纹越细越亮明纹越细越亮 11 3 光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性 75 1 条条条条 缝缝缝缝 20 条条条条 缝缝缝缝3 条条条条 缝缝缝缝 5 条条条条 缝缝缝缝 白光白光白光白光入射时入射时入射时入射时 波长不同波长不同波长不同波长不同 衍射角不同衍射角不同衍射角不同衍射角不同 按波长分开形按波长分开形按波长分开形按波长分开形 成成成成光谱光谱光谱光谱 十一十一十一十一 衍射光谱衍射光谱衍射光谱衍射光谱 11 3 光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性光的衍射特性 76 I 入射光为入射光为入射光为入射光为白光白光白光白光时时时时 不同不同不同不同 不同不同不同不同 按波按波按波按波 长分开形成长分开形成长分开形成长分开形成光谱光谱光谱光谱 k 5 衍射光谱衍射光谱衍射光谱衍射光谱 2 1 0k ksin ba L sin 0 I 一级光谱一级光谱一级光谱一级光谱 二级光谱二级光谱二级光谱二级光谱 三级光谱三级光谱三级光谱三级光谱 ba 一级光谱一级光谱一级光谱一级光谱 二级光谱二级光谱二级光谱二级光谱 三级光谱三级光谱三级光谱三级光谱 bb sin 0 I 例如例如例如例如二级光谱重叠部分光谱范围二级光谱重叠部分光谱范围二级光谱重叠部分光谱范围二级光谱重叠部分光谱范围 nm760 400 2sin ba 二级光谱重叠部分二级光谱重叠部分二级光谱重叠部分二级光谱重叠部分 nm760 600 紫 3sin ba nm600 2 3 紫 二级光谱二级光谱二级光谱二级光谱bb 连续光谱连续光谱连续光谱连续光谱 炽热物体光谱炽热物体光谱炽热物体光谱炽热物体光谱 线状光谱线状光谱线状光谱线状光谱 钠盐钠盐钠盐钠盐 分立明线分立明线分立明线分立明线 带状光谱带状光谱带状光谱带状光谱 分子光谱分子光谱分子光谱分子光谱 衍射光谱分类衍射光谱分类衍射光谱分类衍射光谱分类 1