光学第三次2012.ppt

第13章波动光学基础,光的干涉,光的衍射,13.1光是电磁波13.2光源光波的叠加13.3获得相干光的方法杨氏双缝实验,13.4光程与光程差13.5薄膜等厚干涉,13.6惠更斯-菲涅耳原理13.7单缝的夫琅禾费衍射13.8衍射光栅及光栅光谱,13.9线偏振光自然光13.10偏振片的起偏和检偏马吕斯定律13.11反射和折射产生的偏振布儒斯特定律13.12双折射现象,13.6惠更斯-菲涅耳原理,13.6.1光的衍射现象,剃须刀边缘衍射,13.6惠更斯-菲涅耳原理chsling,13.6.2惠更斯菲涅尔原理,13.6惠更斯-菲涅耳原理chsling,菲涅耳（17881827）,法国土木工程兼物理学家，被称为“物理光学的缔造者”。,衍射：惠更斯-菲涅尔原理；波带片、圆孔衍射、菲涅尔透镜。,偏振：肯定光是横波；发现圆偏振光和椭圆偏振光，解释了马吕斯现象，建立了晶体光学的基础。,内容：从同一波前上各点发出的次波是相干波，经过传播在空间某点相遇时的叠加是相干叠加。,数学表达式：,P点的合振动：,F是比例系数，为倾斜因子.,13.6惠更斯-菲涅耳原理chsling,13.6.3菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射,13.6惠更斯-菲涅耳原理chsling,透镜不引起附加的光程差,13.6惠更斯-菲涅耳原理chsling,13.7单缝的夫琅禾费衍射,（衍射角：向上为正，向下为负.）,13.7.1菲涅耳半波带法,13.7单缝的夫琅禾费衍射chsling,单缝夫琅禾费衍射条纹的明暗条件为：,中央明纹中心,干涉相消（暗纹）,干涉加强（明纹）,（介于明暗之间）,13.7单缝的夫琅禾费衍射chsling,13.7.3单缝衍射条纹的特点,1.明、暗条纹位置：,2.中央明纹及其他明纹宽度：,13.7单缝的夫琅禾费衍射chsling,中央明纹角宽度：,说明：波长越长，缝宽越小,条纹宽度越宽；波动光学退化到几何光学；观察屏上不出现暗纹；,2.衍射条纹强度分布,13.7单缝的夫琅禾费衍射chsling,中央亮纹集中绝大部分的能量；随着衍射角的增大，明条纹的强度减少。,4.衍射图样：,单色光：中央明纹，两侧明暗相间条纹；,白光：中央白光亮纹，两侧紫光在内红光在外的彩色条纹。,答:(1)中央明纹角宽度：,其他明纹宽度：,13.7单缝的夫琅禾费衍射chsling,(2)单缝宽度a变宽时，条纹变得密集；变窄时，条纹变得稀疏；,（3）入射光的波长变长时，条纹宽度变大，条纹分布稀疏；反之条纹变得密集；,（5）透镜不动，缝上下移动，对衍射条纹无影响；,单缝上移，零级明纹仍在透镜光轴上.,（6）透镜向下移动，主光轴的位置向下移动，干涉条纹随之向下移动。,单缝宽度变化，中央明纹宽度如何变化？,13.7单缝的夫琅禾费衍射chsling,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?,13.7单缝的夫琅禾费衍射chsling,入射光非垂直入射：,（中央明纹向下移动）,（中央明纹向上移动）,13.7单缝的夫琅禾费衍射chsling,例单缝衍射缝宽a0.60mm，透镜焦距f0.40m，有屏放于透镜焦平面处。以单色光照射狭缝，则在屏上离点O为x1.4mm的点P看到衍射明条纹，求：（1）入射光波长；（2）点P对应条纹级数；（3）从P看，狭缝处的波振面可分割作半波带的数目。,解：（1）由则：,13.7单缝的夫琅禾费衍射chsling,(2)或,(3)由,时,时,13.7单缝的夫琅禾费衍射chsling,：艾里斑直径,13.7.4圆孔衍射,（以圆孔代替夫琅禾费衍射中的狭缝）,13.7单缝的夫琅禾费衍射chsling,光学仪器的分辨率,瑞利判据：当一个圆斑像中心刚好落在另一圆斑像的第一级暗环上，两个像刚刚能分辨（两物点刚好能被人眼或光学仪器所分辨的临界情形）。,13.7单缝的夫琅禾费衍射chsling,13.7单缝的夫琅禾费衍射chsling,说明：1.两衍射图样重叠部分中心处的光强约为单个衍射图样的中央最大光强为80；与波长成正比，与透光孔径D成反比;分辨率与波长成反比，与孔径D成正比。,13.7单缝的夫琅禾费衍射chsling,Keck光学望远镜,练习题：在迎面驶来的汽车上，两盏前灯相距120cm，设夜间人眼瞳孔直径为5.0mm，入射光波为550nm。人在离汽车多远的地方，眼睛恰能分辨这两盏灯？,结果：S=8940m,13.7单缝的夫琅禾费衍射chsling,解（1）,（2）,13.7单缝的夫琅禾费衍射chsling,单缝衍射条纹,双缝干涉条纹,干涉与衍射的区别：,13.7单缝的夫琅禾费衍射chsling,1.原理：干涉是两束光或有限光束的相干叠加；衍射是从同一波振面上各点发出的无数个子波的相干叠加；衍射本质上也是干涉；,2.光强：干涉中不同级次的光强是一样的；衍射条纹不同级次的光强不同，级次越高光强越弱；,3.图样：双缝干涉条纹为等间距，单缝衍射中央明条纹宽度是其他各级条纹宽度的两倍；,4.条件：单缝衍射明、暗条纹的条件与干涉恰好相反。,13.7单缝的夫琅禾费衍射chsling,13.8衍射光栅及光栅光谱,衍射光栅：利用多缝衍射原理使光发生色散的元件。,光栅结构：透明屏板上刻有许多平行等间距的刻痕（刻痕为不透光部分，其它为透光部分）,13.8衍射光栅及光栅光谱chsling,外形尺寸47X63（mm）；500line/mm,光栅常数：,相邻两缝间的光程差：,13.8.1光栅衍射条纹的形成,光栅的衍射条纹是衍射和干涉的总效果。,光栅常数,光栅方程(明纹必要条件）：,13.8衍射光栅及光栅光谱chsling,光栅衍射条纹的特点：,2.明纹衍射角：明纹角宽度：,3.明纹位置：,4.明纹间距：,由于，所以主极大数目有限制：,13.8衍射光栅及光栅光谱chsling,20条缝,1条缝,5条缝,5.光强由单缝衍射决定。光栅中狭缝条数越多，各级明条纹分得愈开，明纹越亮.,亮纹的光强,13.8衍射光栅及光栅光谱chsling,13.8.2暗纹条件（振幅矢量合成方法）,任一点p的光振动是各缝光振动的叠加,相邻两缝的相位差：,暗纹条件：,N为狭缝的数目，m为不等于N的整数倍的整数。,图示,暗纹图示,13.8衍射光栅及光栅光谱chsling,说明：N条缝干涉,相邻两主极大间有N-1个暗条纹，N-2个次极大（光强很小，观察不到）。,13.8.3谱线的缺级,光栅明纹条件：,单缝衍射暗纹条件：,当，发生缺级。,13.8衍射光栅及光栅光谱chsling,光栅方程：,暗纹条件：,谱线缺级：,13.8衍射光栅及光栅光谱chsling,干涉,衍射,综合,例如,N=5的光栅衍射图样的光强分布图,暗条纹：N-14；次极大：N-23;缺级：k=3,6,13.8衍射光栅及光栅光谱chsling,13.8.4衍射光谱,单色光：中央明纹、两侧明暗相间的条纹；,白光：中央白色亮纹、两侧由紫到红的彩色条纹。,13.8衍射光栅及光栅光谱chsling,例1用白光垂直照射在每厘米有6500条刻痕的平面光栅上，求第三级光谱的张角.,解,第三级光谱所能出现的最大波长,绿光,紫光,第三级光谱的张角,13.8衍射光栅及光栅光谱chsling,例2一束波长为480nm的单色平行光，照射在每毫米内有600条刻痕的平面透射光栅上。求：（1）光线垂直入射时，最多能看到第几级光谱？（2）光线以30o角入射时，最多能看到第几级光谱？,解:(1),(2),当=-90o时,当=90o时,13.8衍射光栅及光栅光谱chsling,13.8衍射光栅及光栅光谱chsling,一惠更斯菲涅尔原理,从同一波前上各点发出的次波是相干波，经过传播在空间某点相遇时的叠加是相干叠加。,二单缝的夫琅禾费衍射(半波带法）,中央明纹中心,干涉相消（暗纹）,干涉加强（明纹）,（介于明暗之间）,衍射条纹的明暗条件为：,单缝衍射条纹的