第十章 波动光学(2011).ppt

第十章波动光学 光的双缝干涉光程与光程差光的单峰衍射光栅衍射光的偏振 DNAX射线衍射图 光是人类以及各种生物生活中不可或缺的要素 光学 几何光学物理光学 波动光学量子光学 光与物质相互作用 可见光的范围 10 1光的干涉 主要内容1 相干光2 光的干涉 高中版 3 光的干涉 大学版 4 条纹间距5 光程及光程差 光的干涉 interferenceoflight 两束相干光叠加时时 在叠加区域形成稳定 不均匀的光强分布的现象 说明了光具有波动性 彩色的肥皂泡 思考 1 什么是相干光 2 两个完全一样的钠灯在空间能不能产生光的干涉 物质发光的基本单元 分子 原子等从具有较高能量的激发态向具有较低能量的状态 基态或低激发态 跃迁时 发射的一个电磁波波列 一 光的相干性 普通光源的发光机理 原子的发光跃迁 跃迁过程的持续时间约为10 8s 普通光源发光特点原子发光是断续的 各原子或同一原子各次发出的波列 其频率和振动方向是各自独立的 即使频率相同 相位也是随机的没有任何规律 来自两个光源或同一光源的两部分的光 不满足相干条件 叠加时不产生干涉现象 光束与波列 相干光 coherentlight 两频率相同 振动方向相同 相位差恒定 相干光的获得方法 分割振幅法 分割波阵面法 将光源上同一原子同一次发的光分成两部分 再使它们叠加 光的相干性与波列 双缝干涉 预备知识高中 0 中央亮纹 双缝 S1 S2 屏幕 r1 r2 第一亮纹 双缝 S1 S2 屏幕 r1 r2 双缝 S1 S2 屏幕 r1 r2 Q1 第一暗纹 双缝 S1 S2 屏幕 S1 S2 P1 取P点上方的点Q1 与两个狭缝S1 S2路程差 r1 r2 2 其中一条光传来的是波峰 另一条传来的就是波谷 其中一条光传来的是波谷 另一条传来的一定是波峰 Q1点激起的振动总是波峰与波谷相遇 振幅最小 Q1点总是振动减弱的地方 故应出现暗纹 2 2 P中央亮纹 r1 r2 双缝 S1 S2 屏幕 r1 r2 r1 r2 亮纹 光程差 k k 0 1 2 等 暗纹 光程差 2k 1 2 k 1 2 3 等 结论 r1 r2 思考 条纹的位置x是多少 相邻亮纹的距离是多大 二 杨氏双缝干涉实验 大学 2 干涉条纹 1 相干光源 S1和S2 在同一波振面上 同相 光程差 暗条纹 明暗交错 对称分布 明条纹 亮纹 k 暗纹 2k 1 2 r1 r2 同学们自己求解 相邻两条明纹间的距离是多少 相邻两明纹 或暗纹 间距 白光入射时 中央亮纹是白色的 其他各级明条纹为从紫色到红色错开排列 关于中点对称的彩色条纹 实验装置一定 条纹间距与波长有关 波长一定 条纹间距随狭缝宽度而变 光在不同介质中传播时 频率不变而波长改变 光在介质中传播距离r时的相位变化为 光程 opticalpath nr 意义 把光在介质中通过的几何路程按相位变化相同折合到真空中的路程 可以统一用真空中的波长 来计算 三 光程与光程差 相位差 通过薄透镜的近轴光线具有等光程性 两束相干光的相位差 位相差 光程差 提问 双缝干涉中 有没有考虑光经过单缝时的衍射效应 如果考虑衍射效应 条纹是否有所不同 新课 一单缝衍射演示 指缝衍射 惠更斯 菲涅耳原理波所到达的任意点都可以看做新的振动中心 它们发出球面子波 空间任意点P的光振动是所有这些子波在该点的相干叠加 S t时刻的波面dS 波面S上的子波面 衍射的分类 菲涅耳衍射 光源和接收屏距离障碍物为有限远 夫琅禾费衍射 光源和接收屏距离障碍物为无限远 实验装置 二单缝衍射的分析 菲涅尔半波带法 衍射角 出射线方向与入射线方向的夹角 1 对沿入射方向传播的各子波聚焦于O无光程差 因此相互加强 所以O处出现亮纹 中央明纹 2 衍射角为 用菲涅尔半波带法 单峰被分为2个半波带 即将缝两等分 菲涅尔半波带法 3 若 设想将缝三等分 即分为三个半波带 其中两个相邻半波带在Q处合成相消 乘下一个带的合成加强 一级次最大 思考 自己总结衍射规律 干涉相消 暗纹 干涉加强 明纹 介于明暗之间 个半波带 中央明纹中心 结论 三单缝衍射的光强分布及条纹宽度 一 光强分布曲线 暗纹 明纹 二 条纹在屏幕上的位置 三 中央明文 两个第一级暗纹之间为中央明纹中央明纹半角宽 中央明纹线宽度 其他明纹线宽度 中央明纹线宽度 如果用白光做光源 中央为白色明条纹 其两侧各级都为彩色条纹 单缝宽度变化 中央明纹宽度如何变化 四 讨论影响中央条纹的因素 越大 越大 衍射效应越明显 入射波长变化 衍射效应如何变化 讨论 1 如果单缝上下移动条纹的位置会不会变 单缝上移 零级明纹仍在透镜光轴上 引出下节课要讲的内容 光栅衍射 2 如果把单缝衍射改为平行的多缝 光栅 条纹是如何的 本节主要内容 光栅方程光栅衍射的实质缺级 光栅光谱 大量等宽等间距平行狭缝 或反射面 构成的光学元件 如右图所示 衍射光栅 透射光栅 反射光栅 闪耀光栅 通常在1cm内刻有成千上万条透光狭缝 光栅形成的条纹明亮 清晰 可以用光栅测量波长或进行光谱分析 比较光栅衍射及单缝衍射 光栅衍射 单缝衍射 一 光栅常数 透光缝宽度a 不透光缝宽度b 光栅常数 光栅常数与光栅单位长度的缝数 的关系 一 干涉作用 只考虑干涉 不考虑衍射 a b 相当于双缝间距 光栅方程 光栅衍射产生明纹的条件 a b sinq k k 0 1 2 3 k是条纹级数 k 0时对应的是中央明纹 其它为第一级 第二级明纹 每一条缝都产生衍射现象 这些衍射条纹完全相同 二 衍射作用 但是 光通过每条缝时都会产生衍射现象 即单缝衍射 那情况将如何呢 1在符合光栅方程的衍射角 上 出现明纹 b图 当满足光栅方程的q角恰恰也满足单缝衍射暗纹条件时 出现缺级 c图 当光栅明纹处恰满足单缝衍射暗纹条件 该处光强为0 这样就使本来应出现干涉亮线的位置 却变成了强度为零的暗点了 这种现象称为缺级现象 四 缺级现象 缺级条件 光栅衍射加强条件 单缝衍射减弱条件 两式相比 缺级条件 谱线中的第 8 4 4 8级条纹缺级 缺级级数为 当时 取 2时 得光栅谱线的最高级数 五 光栅谱最高级数 六 光栅光谱 根据 a b sinq k 当 a b 一定时 对于第k级衍射条纹 k一定 入射光波长 越大 衍射角q越大 若用白光照射 除中间为白色外 其它各级条纹颜色按波长排列 紫色在内 红色在外 形成光栅光谱 重点 光栅方程 a b sin k k 0 1 2 3 光是特定频率范围内的电磁波 电磁波中起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 8 3光的偏振 一 自然光与偏振光 自然光 naturallight 由于原子发光的间歇性与随机性 对于普通光源所发的光 光矢量分布各向均匀 自然光 各光矢量之间没有固定的相位差 不能合成为一个光振动 可用两个相互垂直的光矢量表示自然光 线偏振光 linepolarizedlight 光矢量方向和光的传播方向构成的平面称为振动面 线偏振光的光矢量只沿一个固定方向振动 部分偏振光 partiallypolarizedlight 介于线偏振光与自然光之间的情形 可看成线偏振光与自然光的混合 起偏 从自然光获得偏振光 起偏器 polarizer 起偏的光学器件 起偏的原理 利用某种光学的不对称性 1 物质的二向色性 2 散射 3 反射和折射 4 双折射 二 偏振光的获得与检验 检偏 检验一束光是否为偏振光 偏振片 polaroid 只允许某一特定方向的光振动通过 这一方向称偏振化方向 偏振片的应用作为许多光学仪器中的起偏和检偏装置 作为照相机的滤光镜 可以滤掉不必要的反射光 制成偏光眼镜 可观看立体电影 马吕斯定律 马吕斯 EtienneLouisMalus 1775