波动光学PPT课件

.,1,1、图中画出一向右传播的简谐波在t时刻的波形图，BC为波密介质的反射面，波由P点反射，则反射波在t时刻的波形图为,.,2,2、一沿x轴负方向传播的平面简谐波在t=2s时的波形曲线如图所示，则原点O的振动方程为,.,3,3、在固定端x=0处反射的反射波表达式是设反射波无能量损失，那么入射波的表达式_；形成的驻波的表达式是y=_,.,4,.,5,4,.,6,5驻波方程,.,7,光学是物理学中最早发展起来的学科之一。关于光的本性，在十七世纪末，惠更斯建立了光的波动说；到十九世纪，以许多新的实验事实为依据，扬，菲涅尔等才真正确定了光的波动论。麦克斯韦的电磁理论及赫兹的实验，确立了光是电磁波。波的一般性质和电磁波的性质都适合于光。,第十四章波动光学,.,8,.,9,.,10,光学美,.,11,.,12,.,13,.,14,.,15,第一节单色光双缝干涉光程光程差,.,16,在光波中，产生感光作用和生理作用的是电场强度，因此我们常将称为光矢量，的振动称为光振动。在以后的讨论中，将以振动为主。,光振动与光矢量,.,17,.,18,028,演示,光的双缝干涉,.,19,加强点和减弱点满足的条件,二波在点引起的振动方程分别为,.,20,点的合振动的振幅由下式决定,.,21,.,22,明，暗条纹的分布规律,幕,根据波的干涉理论，当,.,23,.,24,.,25,会计算某级的彩带的宽度。,.,26,三光程光程差,.,27,二波的波动方程,.,28,.,29,例141若双缝干涉实验在折射率为的水中进行，讨论干涉条纹分布。,.,30,例142如图所示。,光程差,光程差,处点移过的明纹数为七条。,.,31,题,.,32,例144求单色平面波在幕中央光程差和位相差。,.,33,若在上缝处加一块透明介质,.,34,.,35,例：如图所示，波长为的平面单色光斜入射到双缝上，若把厚度为d，折射率分别为n1和n2的透明薄膜覆盖在双缝上。求点P处的光程差和相位差，形成明纹的条件。,.,36,例：在双缝实验中，波长为的平面波单色光垂直入射到双缝上，在幕上呈现明暗相间的干涉条纹，当使平面光斜入射到双缝上时，发现幕上的原来的第5级明纹处被零级明纹占据，求光斜入射时的入射角（用双缝间距a和波长表示）。,.,37,第二节薄膜干涉,.,38,油膜,.,39,从劈尖的上下二表面上反射的二光来自同一光，二者频率相同，振动方向相同，在相遇点处有固定的位相差，故为相干光。二光在劈尖的上表面附近相遇，形成干涉条纹。,沿着入射光的方向看去，看到明，暗相间的干涉直条纹在上表面附近形成。,.,40,.,41,单色光波长，劈尖角，薄膜折射率和相邻明暗纹间距的关系式,则,.,42,解：,.,43,例：波长为680nm的单色光垂直照射到长为12cm的两块玻璃片上，两玻璃片的一边接触，另一边被厚0.048mm的薄纸片隔开，求：（1）第五级明纹所对应的空气厚度（2）在玻璃片的长度内共呈现的明纹条数（3）当把薄纸片轻轻的向劈尖角方向移动时，会观察到何种现象,.,44,例：白光垂直照射在空气中厚度为0.4m的油膜上，油膜的折射率为1.50，试求在可见光范围内（=400-760nm），哪些波长的光在反射中增强？哪些波长的光在透射中增强？,.,45,讨论光程差的变化引起干涉条纹的移动。以劈尖为例。,.,46,三牛顿环,实验装置,空气劈尖,劈尖的上下表面的反射光形成干涉。,.,47,暗环,明暗环的分布规律,膜厚,平凸透镜的曲率半径,几何条件,代入光程差公得式,.,48,.,49,.,50,.,51,.,52,.,53,光的干涉现象,.,54,.,55,相干光,镀层膜,.,56,2应用,.,57,测量微小角度的变化，据,为呈现条条纹的总宽度。,所以,为劈上表面转过角时干涉条纹数的变化。,题,题,.,58,干涉特点综述：可用八个字来表示“一分为二，合二而一”。实际上，利用普通光源获得相干光的基本原理是，把由光源上同一点发的光设法分成两部分，然后，使这两部分通过不同的光程再相遇而进行同方向，同频率的光振动的叠加。由于这两部分光实际上同一发光原子的同一次发光，所以，它们是满足相干条件的相干光。,.,59,麦克尔逊（18521931）,迈克尔逊主要从事光学和光谱学方面的研究，他发明了一种用以测定微小长度、折射率和光波波长的干涉仪（迈克尔逊干涉仪），在研究光谱线方面起着重要的作用。1887年他与美国物理学家E.W.莫雷合作，进行了著名的迈克尔逊-莫雷实验。由于创制了精密的光学仪器和利用这些仪器所完成的光谱学和基本度量学研究，迈克尔逊于1907年获诺贝尔物理学奖金。,.,60,例：波长为680nm的单色光垂直照射到长为12cm的两块玻璃片上，两玻璃片的一边接触，另一边被厚0.048mm的薄纸片隔开，求：（1）第五级明纹所对应的空气厚度（2）在玻璃片的长度内共呈现的明纹条数（3）当把薄纸片轻轻的向劈尖角方向移动时，会观察到何种现象,.,61,例：白光垂直照射在空气中厚度为0.4m的油膜上，油膜的折射率为1.50，试求在可见光范围内（=400-760nm），哪些波长的光在反射中增强？哪些波长的光在透射中增强？,.,62,.,63,第三节光的相干性,一问题的提出,二时间的相干性,*解释：相干长度对干涉的影响。,.,64,.,65,二空间的相干性,光源的线度对干涉的影响,各处光强相同，干涉条纹消失,经证明，产生干涉的条件为,.,66,吴健雄:19121997。最主要的贡献是，1957年用衰变实验证明了在弱相互作用中的宇称不守恒。,.,67,.,68,.,69,.,70,原子弹爆炸后的广岛,.,71,1、在真空中波长为的单色光，在折射率为n的透明介质中从A沿某路径传播到B，若A、B两点相位差为3，则此路径AB的光程为(A)1.5(B)1.5/n(C)1.5n(D)3,2、在双缝干涉实验中，为使屏上的干涉条纹间距变大，可以采取的办法是(A)使屏靠近双缝(B)使两缝的间距变小(C)把两个缝的宽度稍微调窄(D)改用波长较小的单色光源,.,72,3、在双缝干涉实验中，屏幕E上的P点处是明条纹若将缝S2盖住，并在S1S2连线的垂直平分面处放一高折射率介质反射面M，如图所示，则此时(A)P点处仍为明条纹(B)P点处为暗条纹(C)不能确定P点处是明条纹还是暗条纹(D)无干涉条纹,.,73,4、在迈克耳孙干涉仪的一条光路中，放入一折射率为n，厚度为d的透明薄片，放入后，这条光路的光程改变了(A)2(n-1)d(B)2nd(C)2(n-1)d+/2(D)nd(E)(n-1)d,.,74,例：白光垂直照射在空气中厚度为0.4m的油膜上，油膜的折射率为1.50，试求在可见光范围内（=400-760nm），哪些波长的光在反射中增强？哪些波长的光在透射中增强？,.,75,.,76,一光的衍射现象,光通过狭缝时，改变方向，为光的衍射现象,.,77,二惠更斯-菲涅耳原理,.,78,17881827,AugustinJeanFresnel法国土木工程师，物理学家，波动光学的奠基人之一。主要成就大多集中在光学的衍射和偏振方面,菲涅耳,.,79,JosephvonFraunhofer,17871826,德国物理学家，对光学和光谱学作出了重要贡献。1814年他用自己改进的分光系统，发现并研究了太阳光谱中的暗线（现称为夫琅禾费谱线）,科学家夫琅禾费,.,80,.,81,3实验结果的理论解释-菲涅尔半波带法,衍射条纹的半波带解释,来自不同的子波源但传播方向相同的光经透镜汇聚在幕（焦平面）上的某区域处，它们相干涉的结果，因不同处合振动的振幅不同而使幕上不同点呈现不同的亮度。,.,82,（1）中央明纹的形成机理,讨论传播方向不变的一组光：,原因：等光程性。由狭缝处的不同子波源发出的光波，到主焦点处的几何路程不同，但光程相同。,.,83,（2）其它明，暗纹的形成机理,.,84,不难看出，由发出的光与由发出的光在点处的光程差为，而由发出的光与由发出的光在点的光程差为，二者在相消；而由点下方某点发出的光与由点下方的对称点发出的光在点的光程差为，二者在处相消。结果，AD内的子波源与DB内的对应子波源发出的光在点相消，因而，为暗纹。,.,85,被称为菲涅尔半波带。,考虑更倾斜的一组衍射光线。.,.,86,按以上的物理思想，相邻的半波带在幕上的相遇点必相消，结果，还剩下一个半波带，在点形成了明纹。,.,87,明纹（奇数个菲涅尔半波带）,.,88,结论：不难想象，对于某一方向的衍射光线，若单缝处的波面恰被分成偶数个菲涅尔半波带，此方向上的的衍射形成暗纹；对另一方向的衍射光线，若单缝处的波面恰被分成奇数个菲涅尔半波带，相邻半波带相互抵消，还余下一半波带，故为明纹形成。,.,89,.,90,四夫琅禾费单缝衍射的光强分布,.,91,书中119-121页的详细讨论不考虑，不要求。,.,92,.,93,例1410用波长为的单色平行光垂直入射于宽度为的单缝上，透镜焦距为，求第三级暗纹在屏幕上的位置。,.,94,五波动光学与几何光学关系,由单缝衍射讲起：,当缝宽较小时，K变化1，则衍射角有较大的变化，即衍射明现，光的波动性表现显著；若，则各级明纹衍射角很小，且均集中在中央明纹附近，难以分辩，形成连续的亮区，即表现为几何光学现象，故几何光学是波动光学在时的极限。,.,95,.,96,.,97,2、波长为的单色光平行垂直入射到一狭缝上，若第一级暗纹的位置对应的衍射角为30度，则缝宽的大小为（）,3、波长为的单色光平行垂直入射到单缝上，若第一级明纹的位置对应的衍射角为30度，则缝宽的大小为（）,.,98,4、在单缝夫琅禾费衍射实验中波长为的单色光平行垂直入射到单缝上，对应于衍射角为30度的方向上，若单缝处波面可分为3个半波带，则缝宽度a等于,5、在单缝夫琅禾费衍射实验中，波长为的单色光平行垂直入射到缝宽为4的单缝上，对应于衍射角为30度的方向，单缝处波面可分成半波带的数目为（）,6、在如图所示单缝夫琅禾费衍射实验装置中，将单缝宽度a稍稍变宽，同时使单缝沿y轴正方向作微小位移，则屏幕E上中央明纹将（）,（A）变窄，同时向上移,（B）变窄，同时向下移,（C）变窄，不移动,（D）变宽，同时向上移,（E）变宽，不移动,.,99,7、如图所示，设波长为的平面波沿与单缝平面法线成角的方向入射，单缝AB的宽度为a，观察夫琅禾费衍射。试求出各级暗纹的衍射角。,8、月球距地面约386000km，设月光波长可按550nm计算，问：月球表面距离多远的两点才能被地面上直径为500cm的天文望远镜所分辩？,.,100,.,101,七光学仪器的分辩本领,光学仪器如照相机，幻灯机，以及人的眼睛等都可简化视为一带透镜的圆孔，按光的衍射理论，存在衍射现象。下面简单地讨论一下衍射对光学仪器成像的影响。,.,102,张角大时能分辩,.,103,由式可知，越小，则仪器的分辩本领越高。提高仪器的分辩本领一是增加仪器的孔径，二是使物体上来的光的波长短。,.,104,光学仪器的分辩本领,.,105,1990年发射的哈勃太空望远镜,直径为2.4m,角分变率约为,在615km的高空运行，它可以观测到130亿光年远的太空；发现了500亿个星系。,普通光学显微镜，若，最小分辩距离为，最大放大倍数为2000。,.,106,.,107,2、波长为的单色光平行垂直入射到一狭缝上，若第一级暗纹的位置对应的衍射角为30度，则缝宽的大小为（）,3、波长为的单色光平行垂直入射到单缝上，若第一级明纹的位置对应的衍射角为30度，则缝宽的大小为（）,.,108,4、在单缝夫琅禾费衍射实验中波长为的单色光平行垂直入射到单缝上，对应于衍射角为30度的方向上，若单缝处波面可分为3个半波带，则缝宽度a等于,5、在单缝夫琅禾费衍射实验中，波长为的单色光平行垂直入射到缝宽为4的单缝上，对应于衍射角为30度的方向，单缝处波面可分成半波带的数目为（）,6、在如图所示单缝夫琅禾费衍射实验装置中，将单缝宽度a稍稍变宽，同时使单缝沿y轴正方向作微小位移，则屏幕E上中央明纹将（）,（A）变窄，同时向上移,（B）变窄，同时向下移,（C）变窄，不移动,（D）变宽，同时向上移,（E）变宽，不移动,.,109,7、如图所示，设波长为的平面波沿与单缝平面法线成角的方向入射，单缝AB的宽度为a，观察夫琅禾费衍射。试求出各级暗纹的衍射角。,8、月球距地面约386000km，设月光波长可按550nm计算，问：月球表面距离多远的两点才能被地面上直径为500cm的天文望远镜所分辩？,.,110,第四节衍射光栅,问题的提出：由单缝衍射的不足之处讲起。,一光栅结构,大量等宽等间距的平行狭缝所组成的光学器件。,*第一个制做光栅的是美国人雷登奥斯（1785），他透过一块丝手帕看到了非常飘亮的灯光而受的启发。但在光栅的原理和制做上贡献最大的是夫琅禾费，当初用金属丝排列而成。,.,111,二光栅公式,.,112,.,113,三分析与讨论,1缺级,事实上，光栅的各个单缝均存在衍射，因而，光栅缝间的干涉是在各缝衍射的基础上进行的。若在某一衍射方向上，按光栅公式应为明纹，而该方向上又恰为单缝衍射的暗纹。则此明纹不存在，称为光栅缺级。,.,114,.,115,.,116,4主极大和次极大,.,117,入射能量集中在若干条明纹上，为宽的暗区隔开，故条纹明亮细锐。,.,118,光栅光谱,次最大,返回,缺级,.,119,.,120,光栅,级中的某一波长的光与级中的某一波长光在同一衍射方向上。重级,.,121,.,122,在光栅中，每一缝处为一波阵面，存在许多子波源，因而有单缝衍射的物理过程；同时，有缝间的干涉过程。确切的说，即在幕上的一点处，有由缝处自身的许多子波引起的光矢量的叠加，来自同一个缝的各子波光波在幕上一点形成一个合光振动，其振幅与衍射角有关。同时，各缝的合光矢量再叠加，即为光的干涉，故光栅的图样是缝自身的衍射与缝间的干涉总效果。为简化问题起见，把缝处的各子波源视为了一个理想的波源，向场区内的各个方向辐射振幅（光强）相同的平面波。,.,123,四斜入射,.,124,明纹,最高级,同侧,异侧,.,125,.,126,*光栅的应用,.,127,.,128,.,129,5实际工作中，常用反射式光栅,.,130,例1413用每毫米有300条刻痕的衍射光栅来检验仅含有红和蓝的两种单色成分的光谱，已知红谱线的波长在0.63-0.76之间，蓝谱线波长在0.43-0.49之间。当光垂直入射时，发现在角度处，红蓝两谱线同时出现。,1如果还有的话，在什么角度下还会出现这种复合谱线？2在什么角度下只有红谱线出现？,.,131,题,.,132,1、波长为500nm的单色光垂直入射到光栅常数为0.001mm的平面衍射光栅上，第一级衍射主极大所对应的衍射角为（）,2、波长为550nm的单色光垂直入射到光栅常数为0.002mm的平面衍射光栅上，可观察到光谱线的最大级次为（）,3、用波长为的单色平行光垂直入射到一光栅上，其光栅常数为3m，缝宽为1m，则在单缝衍射的中央明纹的宽度内主极大的个数为（）,.,133,4、一衍射光栅对垂直入射的某一确定的波长，在屏幕上只能出现零级和一级主极大，欲使屏幕上出现更高级次的主极大，应该（）,A、换一个光栅常数较小的光栅,B、换一个光栅常数较大的光栅,C、将光栅向靠近屏幕的方向移动,D、将光栅向远离屏幕的方向移动,5、一束平行单色光垂直入射到光栅上，当光栅常数为下列那种情况时，等级次的主极大均不出现（）,A,B,C,D,6、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，重叠处750nm的谱线的级次将是（）,A,B,C,D,.,134,.,135,（2）求透光缝的宽度是多少,第4级主极大缺级,此为单缝衍射第1级暗纹与第4级主极大重合时的情形,此为单缝衍射第2级暗纹与第4级主极大重合时的情形，但根据题意，第2级主极大是存在的，所以此种情况不存在。,此为单缝衍射第3级暗纹与第4级主极大重合时的情形,.,136,.,137,例：波长为500nm的单色平行光斜入射到光栅常数为2.10m的光栅上，入射角，若光栅的透光缝宽为0.70m，问能观察到哪几级主极大谱线，它们的衍射角各是多少？,.,138,有,带入数据有,得,据题意知,所以，3，6，缺级，实际观察到得主极大为,.,139,第五节X射线的晶体衍射,X射线是波长很短的电磁波。波长在1埃左右。要观察其波的特征，如干涉或绕射。缝宽与波长相比拟方可。因此，用晶体来完成，晶格常数与波长相近。,1912年，劳厄首先指出，X光可以在晶体上衍射并完成了仑琴射线的晶体衍射实验。,布喇格父子最早得出X射线在晶体上的衍射公式，并做出了解释。,.,140,科学家M.劳厄,1879-1960,发现X射线在晶体内的衍射获1914年诺贝尔奖。,（德）,.,141,科学家仑琴,.,142,.,143,原子晶格,镜面反射相互加强,似斜入射光栅的衍射光线,.,144,用射线测定的DNA双螺旋结构,.,145,.,146,.,147,全息照象的记录过程是物光和参考光在底片上干涉的结果。,.,148,一自然光偏振光,第六节自然光偏振光,.,149,.,150,1自然光（Naturallight）的特征,自然光的内部结构,.,151,2偏振光（PolarizedLight）的特征,.,152,二偏振光的获得（方法之一）,.,153,.,154,由偏振片获得偏振光的图示法,结论：当光强为自然光入射到偏振片上时，透射光是完全偏振光。由偏振片透射的光强仅是入射光强的一半；绕光线转动偏振片，透射的光强不变。绕光线转动偏振片，透射的光的振动方向也变化，保持与偏振化方向平行。,.,155,.,156,1、如图所示，波长为单色平行光垂直入射到折射率为n2、厚度为e的透明介质薄膜上，薄膜上下两边透明介质的折射率分别为n1和n2，已知，则从薄膜上下表面反射的两束光的光程差为（）,2、在双缝干涉实验中，屏幕E上的P点处是明条纹。若将缝S2关闭，并在S1S2的垂直平分线上放一反射镜M，如图所示，则此时（）,A、屏幕E上的干涉条纹没有任何变化,B、P处仍为明条纹,C、P处为暗条纹,D、干涉条纹消失,E、不能判断P点是明条纹还是暗条纹,.,157,3、一束波长为的单色光垂直入射到置于空气中的透明薄膜上，薄膜的折射率为n，要使反射光得到增强，则薄膜的最小厚度为（）,A,B,C,D,.,158,布儒斯特定律,.,159,.,160,用玻璃堆获的偏振光,.,161,氦氖激光管的布儒斯特窗,.,162,2、一束平行的自然光以60的入射角由空气入射到平板玻璃表面上，反射光为完全偏振光，则知（）,（A）折射光的折射角为30，玻璃的折射率为1.73（B）折射光的折射角为60，玻璃的折射率为1.73（C）折射光的折射角为30，玻璃的折射率为1.50（D）折射光的折射角为60，玻璃的折射率为1.50,.,163,.,164,第八节双折射,.,165,该方向上二者的速度相同,该方向上二者的速度相同,.,166,在光轴的方向上，光和光的速度相同，故折射率相同。而在与光轴的垂直方向上，二者速度相差最大，在该方向上的的折射率为其主折射率。,.,167,三用惠更斯原理解释双折射（以方解石为例）,1晶体的光轴垂直晶面，平面波垂直入射,不产生双折射,2晶体的光轴平行晶面，平面波垂直入射,传播方向不变，但传播速度不同。,.,168,3晶体的光轴斜交晶面，平面波斜入射,产生双折射。,4晶体的光轴斜交晶面，平面波垂直入射,产生双折射。,.,169,四尼科耳棱镜(1829年首制),为一起偏或检偏光学器件，原理如下：,解释全反射,.,170,尼科耳棱镜的起偏与检偏,.,171,解：对第一个棱镜中的O光对第二个棱镜为其e光；而e光为O光。对O光向e光的转化，因，相当于光由光密介质向光疏介质折射。则棱镜二中的e光有大的折射角；,而另一束光是由相当于光由光疏介质向光密介质折射。则棱镜二中的O光有小的折射角。,O和e光的方向相同但速度不同。,.,172,渥拉斯顿棱镜,.,173,.,174,1869年由法国物理学家马吕斯提出；当完全线偏振光入射到偏振片时，光的振动方向和偏振化方向的夹角不同，出射的偏振光的光强不同。,第九节马吕斯定律,如何的计算,.,175,例1416三个偏振片叠加在一起，第一个与第三个片的偏振化方向垂直，它们与第二个片的夹角为，一束自然光垂直入射在第一个片上，求1第二片的出射光强与第一片上的入射光强之比，2第三片的出射光强与第一片上的入射光强之比。,.,176,例1416一部分偏振光（由自然光与偏振光组成）入射到一偏振片上，如图。当偏振片的出射光由对应最大亮度位置转过时，光束亮度减小一半，求入射的部分偏振光中自然光与偏振光的强度之比。,题,.,177,.,178,1晶体的光轴垂直晶面，平面波垂直入射,不产生双折射,2晶体的光轴平行晶面，平面波垂直入射,传播方向不变，但传播速度不同。,.,179,3晶体的光轴斜交晶面，平面波斜入射,产生双折射。,4晶体的光轴斜交晶面，平面波垂直入射,产生双折射。,.,180,四尼科耳棱镜(1829年首制),为一起偏或检偏光学器件，原理如下：,解释全反射,.,181,解：对第一个棱镜中的O光对第二个棱镜为其e光；而e光为O光。对O光向e光的转化，因，相当于光由光密介质向光疏介质折射。则棱镜二中的e光有大的折射角；,而另一束光是由相当于光由光疏介质向光密介质折射。则棱镜二中的O光有小的折射角。,O和e光的方向相同但速度不同。,.,182,1869年由法国物理学家马吕斯提出；当完全线偏振光入射到偏振片时，光的振动方向和偏振化方向的夹角不同，出射的偏振光的光强不同。,第九节马吕斯定律,如何的计算,.,183,例1416三个偏振片叠加在一起，第一个与第三个片的偏振化方向垂直，它们与第二个片的夹角为，一束自然光垂直入射在第一个片上，求1第二片的出射光强与第一片上的入射光强之比，2第三片的出射光强与第一片上的入射光强之比。,.,184,例1416一部分偏振光（由自然光与偏振光组成）入射到一偏振片上，如图。当偏振片的出射光由对应最大亮度位置转过时，光束亮度减小一半，求入射的部分偏振光中自然光与偏振光的强度之比。,题,.,185,第十节偏振光的干涉,原理示意图：关键是如何从线偏振光中获取频率相同，振动方向相同，有固定相差的相干光。,分析图,二者同方向同频率,.,186,.,187,.,188,光弹性效应：非晶体透明物质，如玻璃，赛路珞朔料，环氧树脂等当存在内应力时，成为各向异性晶体，当偏振光照射时，形成干涉条纹。下图为在白光的偏光下观察到的干涉条纹。通过对条纹的分析，了解内部应力的分布，称为光弹法。,光弹性效应装置,非晶材料,和垂直，非晶材料加力的方向为光轴。,白光自然光,幕,材料的厚度使不同波长,