第十八章-波动光学.ppt

傅科测出光在水中的速度小于空气中速度决定性判据,1719世纪,牛顿的微粒说,惠更斯的波动说,光是从光源发出的微粒流,光是介质（以太）中的机械波,开始占统治地位,19世纪初,波动说,杨氏双缝实验显示干涉现象,惠更斯-菲涅耳原理能解释光直线传播和衍射现象,1850年,波动说,获得更多的支持,18-0关于光的本性的认识发展简史,解释与实物作用过程（光的吸收与发射）中发生的现象,解释传播过程（反射、折射、干涉、衍射和偏振）中发生的现象,本章主要介绍光的波动性，光的粒子性在近代物理中介绍,赫兹实验证实了光是电磁波的预言,19世纪60年代,麦克斯韦电磁波理论,光电效应、康普顿效应等不能用波动说解释,20世纪初,波动理论遭遇困难,光具有波粒二象性,表现为粒子,表现为波动,第一部分光的干涉,18-5迈克耳孙干涉仪,18-4由分振幅法产生的光的干涉,18-3光程和光程差薄透镜的一个性质,18-2由分波阵面法产生的光的干涉,18-1光源光的相干性,教学基本要求,1.理解获得相干光的方法。,3.能分析、确定杨氏双缝干涉条纹及薄膜等厚干涉条纹的位置。,4.理解迈克耳孙干涉仪的工作原理。,2.掌握光程的概念以及光程差和相位差的关系。,一.光源发射光波的物体,1.热辐射,加热维持物体的温度，辐射就能持续进行下去，称为热辐射。,光波就是电磁波，任何物体都辐射电磁波。,白炽灯,太阳,181光源光的相干性,电致发光,2.发光需依靠一些激发过程获得能量维持辐射,光致发光,化学发光,半导体发光二极管,闪电,荧光玩具,节能灯,萤火虫,霓虹灯,3.同步辐射光源,在同步辐射加速器中速度接近光速作环形运动的电子迅速损失能量产生的辐射,特点：方向性好、亮度高，还具有连续性、优异的准直性和易脉冲化等特性,应用：为晶体结构研究，生物大分子和生物蛋白的结构研究提供了高性能的光源,北京的正负电子对撞机可提供同步辐射光,1.普通光源（非激光光源）的发光机理,原子发出的每一列光波是一段有限长的、振动方向一定、振幅不变或缓慢变化的正弦波。,二.光的相干性,每一波列持续时间约为,普通光源发出的光是由构成光源的大量原子或分子运动状态改变时发出的。,波列长度的数量级为L=0.1m,因波列持续时间过短，两波列的干涉现象无法觉察。,不同原子发的光,同一原子先后发的光,同一原子先后发出的波列振动方向和频率不一定相同，相位间无固定关系。,不同原子发出的波列振动方向和频率也不一定相同，相位间无固定关系。,两列波为相干波的条件：频率相同，振动方向相同，在相遇点有恒定的相位差。,结论：两个独立光源发出的光波或同一光源两部分发出的光波在相遇区观察不到干涉现象。,2.相干光的获得方法,为实现光的干涉，可以从同一波列分离出两个波列再令其重叠发生干涉。,为得到明显的干涉现象，还必须满足：,在相遇点两列光波的光程（几何路程与介质折射率的乘积）不能相差太大,在相遇点两列光波的振幅不能相差太大,光程差r1n1-r2n2,相干长度一波列长,应尽量接近,路程r1,路程r2,介质折射率n2,介质折射率n1,通常产生相干光源的两种方法：,分波阵面法,分振幅法,利用并排的孔或缝或利用反射和折射将入射光的波阵面分成两部分。,利用两种透明介质的分界面对入射光的反射和透射，将入射光的振幅分成两部分。,3.目前最好的相干光源激光光源,激光的波列长度比普通光源长得多，例如氦氖激光器产生的激光相干长度可达几千米，再加上良好的单色性和方向性等，能产生易于观察和测量的干涉现象。,一个正在辐射激光的激光器,激光产生的全息图像,一.杨氏双缝实验,接收屏上形成的干涉图样,狭缝视为缝光源,光源,双缝,接收屏,缝光源S产生柱面波，双缝S1和S2与S等距，位于同一波阵面上，相位相同，成为相干光源，发出的子波在相遇区发生干涉。,18-2由分波阵面法产生的光的干涉,因Dd，S1、S2发出的光波到P点的波程差为,=dsindtan,OP=x，,r1-r2=S2B,1.单色光入射时屏上明暗相间干涉条纹位置的计算,垂直于缝长的平面内同相面,波程差计算,若,即,初相相同的两相干波叠加后加强与减弱的条件为,合振幅最大,合振幅最小,出现明条纹,若,即,出现暗条纹,明条纹级次,暗条纹级次,2.杨氏双缝干涉的特点,单色光干涉，相邻明条纹（或暗条纹）的间距为,干涉条纹等距离分布,白光干涉，只有中央明条纹是白色，其它条纹发生重叠，形成彩色条纹,明条纹间距,明条纹间距,中央明纹,干涉条纹间距与单色光波长成正比,二.菲涅耳双镜实验,S1和S2相当于两个相干光源,相邻明条纹（或暗条纹）的间距为,屏上出现明暗条纹的条件与杨氏实验结果的类似,镜面,例题18-1菲涅耳双镜=10-3rad，单色线光源S与两镜交线平行，r=0.5m，=500nm，L=2m。(1)求屏上两相邻明条纹的间距；(2)若=10-2rad，问条纹间距将怎样改变？,解（1）cos1，sin=10-3,（2）当=10-2rad时，有,变大时，条纹间距将变小，要获得较大的条纹间距，必须很小。,三.劳埃德镜实验,平面镜MM下表面涂黑，光仅从上表面反射,S和S相当于两个相干光源,实验结果表明：,反射光的相位改变了，称为半波损失,干涉条纹与杨氏实验结果的类似,光从光疏介质（折射率较小）向光密介质（折射率大）表面入射时，如果入射角接近（掠入射）或为（正入射），则反射光的相位改变，即出现半波损失。,理论和实验证明：,n2,n1,正入射,n2n1,掠入射,法线,例题18-2劳埃德镜实验中，线光源S1到镜面的垂距为1mm，D为1.5m，MM=D/2，MO为D/4。（1）求干涉区域上下两边到屏中心距离OA和OB；（2）若=600nm，求相邻明条纹间距，并问屏上能观察到几条明条纹？,解（1）由三角形相似，有,OA=3mm，OB=0.333mm,得,（2）与杨氏实验相比，得相邻明纹间距为,由于有半波损失，光程差应为,明纹位置x应满足,第一级明纹位置x1=0.225mmd，故上式可略去高阶小量d2，可得,明环,暗环,明环,暗环,或,设薄膜折射率为n，则在有半波损失时的光程差,特点：如果反射有半波损失，则中心处为暗斑，否则为明纹；条纹的级次是中间小，边缘高；条纹的间距是中间大，边缘小。,入射光经半反膜后分成两束，G1、G2是平行放置的平板玻璃，其中G2是补偿板。M1、M2是两个全反镜，一般