第十二章-光的波动性..ppt

1,微粒说与波动说之争,牛顿的微粒说：光是由光源发出的微粒流。,惠更斯的波动说：光是一种波动。,光的本性,2,1801年，英国物理学家托马斯杨（T.Young，1773-1829）首先利用双缝实验观察到了光的干涉条纹，从实验上证实了光的波动性。,1865年，英国物理学家麦克斯韦从他的电磁场理论预言了电磁波的存在，并认为光就是一种电磁波。,3,电磁波谱,可见光的波长范围：400nm760nm，相应频率为7.50*1014Hz3.95*1014Hz,4,肥皂泡或光碟表面上的彩色花纹，都是光的波动特性所引发的一种现象。,波动光学：以光的波动特性为基础，研究光的传播及其规律的学科。,5,第十二章光的波动性,本章主要讨论光的干涉、衍射、偏振等现象，阐明其波动性质和基本规律。,6,振动方向相同频率相同相位差恒定,相干条件,光的相干性,第一节光的干涉,一、相干光源,7,原子发光是断续的，每次发光形成一长度有限的波列,各原子各次发光相互独立，各波列互不相干.,1）普通光源的发光机制,8,相干光源,两个独立的光源发出的光或同一光源的不同部分发出的光都不是相干光,同一原子同一次发出的光在空间相遇时是相干光,9,2）相干光的产生,只有把光源的同一点发出的光分成两束，这两束光才是相干光，再通过一定途径让它们相遇,同一光源获得相干波分割波阵面法和分割振幅法。来自同一光源的两束相干波，相当于来自两个频率相同、振动方向相同、初相位相同或相位差保持恒定的光源，这样的光源称为相干光源，相干光源发出的光称为相干光。,10,波面分割法,振幅分割法,利用光在两种介质分界面上的反射光和透射光作为相干光,从同一波阵面上取出两部分作为相干光源,11,二、杨氏双缝实验,12,13,14,二、杨氏双缝实验路程差：P点光强极大，亮条纹。P点光强极小，暗条纹。,15,讨论：,条纹对应的k称为干涉级数,对应于k=0的明纹称为中央亮条纹,对应于k=1,k=2,称为第一级,第二级，明（暗）纹,16,17,白光照射,中央明纹为白色，其它各级为彩色，内紫外红(Why?),18,（2）,解（1）,19,在对杨氏双缝实验中我们发现，光干涉的结果取决于两束光在空气中所经过的几何路程之差，但是，许多光干涉问题并不简单，会涉及到两束光在不同介质的传播，为了解决这一类问题，我们引入光程的概念。光在不同介质中的波长不同设有一频率为的单色光，它在真空中的波长为,传播速度为c。当它在折射率为n的介质中传播时,传播速度为u=c/n,波长=u/=c/n.这说明,一定频率的光在折射率为n的介质中传播时，其波长为真空中波长的1/n。,三、光程,20,故当光在折射率为n的介质中传播的几何路程为L，则他所包含的完整波的个数为传播速度为L/,而光在真空中传播时，包含同样完整波个数所占的几何路程为：,光程之差称为光程差。决定光波相位变化的，不是几何路程和几何路程差，而是光程和光程差!,由此可知，光在介质中传播了路程L,就相当于光在相同时间内在真空中传播了路程nL.所以，我们定义折射率n和几何路程L的乘积nL称为光程。,光传播途中任意两点相位差,22,当=2k，干涉相长，光强极大,当,干涉相消，光强极小,23,透镜的等光程性,AF和CF在空气中传播距离长，在透镜中传播的距离短,BF则相反,AF、CF和BF的光程相等，它们会聚在F点，形成亮点,透镜不会引起附加的光程差,24,例题：已知：S2缝上覆盖的介质厚度为h，折射率为n，设入射光的波长为.求中央明纹位置。,2、,中央亮纹：,1、,25,半波损失,光密介质：折射率较大的介质,光疏介质：折射率较小的介质,实验表明：当光从光疏介质入射到光密介质界面反射时，反射光较入射光有的相位突变，或者说产生半波损失。,四、薄膜干涉,利用透明薄膜上、下两个表面对入射光的反射和折射，可在反射方向(或透射方向)获得相干光束,一、薄膜干涉,在一均匀透明介质n1中放入上下表面平行,厚度为d的均匀介质n2(n1)，用扩展光源照射薄膜，其反射和透射光如图所示,薄膜干涉,光线b与光线a的光程差为：,由折射定律和几何关系可得出：,干涉条件,当i=0一定时，(即垂直入射),干涉条件,不论入射光的入射角如何,附加光程差的确定,满足n1n3(或n1n2n2n3(或n1n2n3)不存在额外程差,对同样的入射光来说，当反射方向干涉加强时，在透射方向就干涉减弱。,增透膜和增反膜,增透膜-利用薄膜上、下表面反射光的光程差符合相消干涉条件来减少反射，从而使透射增强。,增反膜-利用薄膜上、下表面反射光的光程差满足相长干涉，因此反射光因干涉而加强。,在光学器件上镀膜，使某种的反射光或透射光因干涉而减弱或加强，以提高光学器件的透射率或反射率。,31,例题：图示：,玻璃,光在膜的上下表面反射时：两个反射光都有半波损失,反射光干涉相消时有,MgF2,32,膜的最小厚度（k=1)为,此时透射光增强,33,解反射光相长干涉即干涉加强的条件,=2n2d=k,k=1时，1=21.22300=732(nm)红光；k=2时，2=1.22300=366(nm)，不可见光,(1)哪些波长的可见光在反射光中产生相长干涉？,34,(2)哪些波长的可见光在透射光中产生相长干涉？,解透射光的相长干涉条件即反射光干涉相消,k=0，1=4n2d=41.22300=1464(nm)不可见光k=1，2=1/3=488nm青色光k=2，3=1/5=293nm不可见光,35,解(1),例题2一油轮漏出的油(折射率n1=1.20)污染了某海域,在海水(n2=1.30)表面形成一层薄薄的油污.,(1)如果太阳正位于海域上空,一直升飞机的驾驶员从机上向下观察,他所正对的油层厚度为460nm,则他将观察到油层呈什么颜色?,(2)如果一潜水员潜入该区域水下,又将看到油层呈什么颜色?,绿色,36,(2)透射光干涉增强,红光,紫光,37,一类是光源和观察屏（或二者之一）与障碍物之间的距离是有限的，这一类衍射称为菲涅耳衍射；另一类是光源和观察屏与障碍物之间的距离都是无限远的，这一类衍射称为夫琅禾费衍射。,第二节光的衍射DiffractionofLight,光波绕过障碍物传播的现象称为光的衍射。衍射后形成的明暗相间的图样称为衍射图样。干涉和衍射现象都是波动所固有的特性。,衍射现象分为两类：,38,衍射现象出现要符合一定条件：,衍射的分类,菲涅耳衍射系统,夫琅禾费衍射系统,光源障碍物接收屏距离为有限远。,光源障碍物接收屏距离为无限远。,衍射系统由光源、衍射屏、接收屏组成。,用菲涅耳半波带法解释单缝衍射现象,一单缝夫琅禾费衍射,A,B,f,将衍射光束分成一组一组的平行光，每组平行光的衍射角（与原入射方向的夹角）相同,衍射角不同，最大光程差也不同，P点位置不同，光的强度分布取决于最大光程差,最大光程差,菲涅耳半波带法,相邻平面间的距离是入射单色光的半波长,任何两个相邻波带上对应点所发出的光线到达BC平面的光程差均为半波长（即位相差为），在P点会聚时将一一抵消。,A,A,A,B,C,a,x,f,1,2,.,.,.,.,.,P,AB面分成奇数个半波带，出现亮纹,.,.,.,A,A,A,B,C,a,x,f,1,2,2,.,.,.,.,.,A,3,P,.,.,.,AB面分成偶数个半波带，出现暗纹,结论：分成偶数半波带为暗纹。分成奇数半波带为明纹。,正、负号表示衍射条纹对称分布于中央明纹的两侧,对于任意衍射角，单缝不能分成整数个半波带，在屏幕上光强介于最明与最暗之间。,讨论,1.光强分布,当角增加时，半波带数增加，k增加，抵消部分多，条纹强度下降。,当增加时,为什么光强的极大值迅速衰减？,我们由公式可以看出缝越窄（a越小），衍射角越大，条纹分散的越开，衍射现象越明显；反之，条纹向中央靠拢。,当缝宽比波长大很多时，形成单一的明条纹，这就是透镜所形成线光源的象。显示了光的直线传播的性质。,48,狭缝的宽度：a不透光部分的宽度：b光栅常数：d=a+b数量级为10-510-6m光栅缝数：N,透射光栅,二、衍射光栅gratingdiffraction,由大量等宽等间距的平行狭缝所组成的光学元件。,1、定义：,49,光栅衍射是单缝衍射和多缝干涉的共同结果。,2、光栅衍射条纹的形成,光栅缝与缝之间形成的多缝干涉图样。,光栅每个缝形成各自的单缝衍射图样。,50,相邻两缝间的光程差：,：透光部分的宽度,：不透光部分的宽度,光栅方程,51,1条缝,3条缝,5条缝,光栅中狭缝条数越多，明纹越亮.,白光投射在光栅上，在屏上除零级主极大明条纹由各种波长混合仍为白光外，其两侧将形成由紫到红对称排列的彩色光带，即光栅光谱。（不同波长的同级明纹以不同的衍射角出现）,三、光栅光谱gratingspectrum,53,3、缺极现象missingorder,多缝干涉明纹,单缝衍射暗纹,k级光强极大的位置（明纹）正好是k级衍射极小位置（暗纹），k级明纹不会出现。这个现象称为缺极,例如：d=3a，缺级的级数为3，6，9,54,例：波长为589.3nm的钠黄光垂直入射在一光栅上，测得第二级谱线（亮条纹）的衍射角为288，用另外一未知波长的单色光入射时，它的第一级谱线的衍射角为1330。(1)求未知波长(2)未知波长的谱线最多能观察到第几级？（几条亮纹）,1、光栅方程,2、,例、波长为600nm的单色光垂直入射在一光栅上，第二级明纹出现在sin2=0.2处，第4级为第一个缺级。求(1)光栅上相邻两缝的距离是多少？(2)狭缝可能的最小宽度是多少？(3)按上述选定的a、b值，实际上能观察到的全部明纹数是多少？,解:(1),在-900sin900范围内可观察到的明纹级数为k=0,1,2,3,5,6,7,9,共15条明纹,57,光波是一种电磁波，电磁波是横波，其电场强度矢量E和磁场强度矢量H的振动方向都垂直于波的传播方向，并且它们之间也相互垂直。在光波的E矢量和H矢量中，能引起感光作用和生理作用的主要是E矢量，所以把E矢量称为光矢量，把E矢量的振动称为光振动，并以它的振动方向代表光的振动方向。,第三节光的偏振PolarizationofLight,58,振动面：光矢量的振动方向与光传播方向构成的平面。,光的偏振态:光矢量在与光传播方向垂直的平面内的振动状态。,59,偏振态：光矢量保持在特定振动方向上的振动状态,偏振的定义Polarization光振动的方向相对于传播方向的不对称性即光的偏振性,光的分类：自然光、线偏振光、部分偏振光,一、自然光和偏振光,60,迎着光看，光振动的方向:,1、自然光naturallight,一般光源发出的光中，包含着各个方向的光矢量在所有可能的方向上的振幅都相等（轴对称）这样的光叫自然光(无偏振，如太阳光，灯光及烛光等).,E在垂直于光传播方向的平面上取各方向的概率相等,61,自然光可分解为任意两个方向互相垂直、振幅相等、相位差随机的光振动。并各具有一半的振动能量.,自然光的表示方法,62,a)线偏振光（完全偏振光、平面偏振光、偏振光）Polarizationlight,光波的光矢量E方向始终不变，只沿一个固定方向振动。,2、偏振光Polarizationlight,线偏振光的表示法,63,b)部分偏振光partialpolarizationlight,光波中虽包含各种方向的振动，但在某特定方向上的振动占优势,部分偏振光介于自然光和线偏振光之间,平行板面的光振动较强,垂直板面的光振动较强,64,二、偏振光的产生和检验,偏振片：吸收某方向光振动，而只让与其透振方向的光振动能通过的装置.,透振方向：能通过光振动的方向。,起偏：使自然光（或非偏振光）变成线偏振光的过程。,检偏：利用偏振片检验光线的偏振化程度,65,起偏,检偏,光的起偏和检偏,从起偏器透出的线偏振光的光强是入射自然光的光强的1/2。,检偏原理：将待检查的入射光垂直入射偏振片，缓慢转动偏振片，观察光强的变化，确定光的偏振性。,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化,两偏振片的偏振化方向相互垂直光强为零,.,.,.,.,.,检偏器,自然光通过旋转的检偏器，光强不变,自然光,.,.,.,.,.,检偏器,自然光,自然光通过旋转的检偏器，光强不变,.,.,.,.,.,检偏器,自然光,自然光通过旋转的检偏器，光强不变,.,.,.,.,.,检偏器,自然光,自然光通过旋转的检偏器，光强不变,.,.,.,.,.,检偏器,自然光,自然光通过旋转的检偏器，光强不变,.,.,.,.,.,检偏器,自然光,自然光通过旋转的检偏器，光强不变,.,.,.,.,.,检偏器,自然光,自然光通过旋转的检偏器，光强不变,.,.,.,.,.,检偏器,自然光,自然光通过旋转的检偏器，光强不变,马吕斯定律Maluslaw,-线偏振光的振动方向与检偏