眼应用光学 第二章.ppt

第二章物理光学相关基础,微粒说-认为光是从光源发出的一种物质微粒，在均匀介质中以一定的速度传播。代表人物：牛顿（英国）,能解释-光的直进现象、光的反射；不能解释-同时发生反射和折射、几束光相遇而互不干扰。,波动说-认为光是在空间传播的某种波。代表人物：惠更斯（荷兰）,能解释-同时发生反射和折射、几束光相遇而互不干扰；不能解释-光的直进现象。,第一节光的波粒二象性,光的本性：,光到底是什么？17世纪形成了两种学说：,第一节光的波粒二象性,由于早期的波动说不能用数学作严格的表达和分析，和牛顿在物理界的威望，微粒说一直占上风。,*19世纪初，在实验中观察到光的干涉和衍射现象，不能用微粒说解释，因而证明了波动说的正确性。,19世纪60年代性，麦克斯韦预言电磁波存在，光也是一种电磁波，赫兹实验证实这种学说。波动说得到了公认。,*1887年，德国科学家赫兹发现了新现象-光电效应，用波动说无法解释，证明了光具有粒子性。,*现在人们认识到：光既具有波动性，又具有粒子性。这就是光的波粒二象性。,第二节光的干涉,一、光的相干性,1、光的干涉现象：几列波相遇时能保持各自的运动状态而不互相干扰，这是波的一个基本特点频率或波长相同、相差恒定的两列波叠加，使某些区域的振动加强，某些区域的振动减弱，并且振动加强和振动减弱的区域互相间隔，形成稳定的干涉图样，这种现象叫做波的干涉。,2、产生相干光的条件：,振动方向相同,相位差恒定,频率相同,光程差小于波列长度,第二节光的干涉,一、光的相干性,分波前干涉法,分振幅干涉法,利用折射/反射把同一束光一分为二再使其相遇,取同一波面的不同部分作为子光源,3、产生相干光的方法：,采用激光光源,激光光源的频率相位振动方向及传播方向都相同，是目前最好的相干光源,第二节光的干涉,二、光程和光程差,光程和光程差,例：两种介质，折射率分别为n和n,两个光源发出的光到达P点所经过的光程分别为：,它们的光程差为：,由此引起的相位差就是：,1、装置特点：（1）双缝很近0.1mm（2）双缝S1、S2与单缝S的距离相等,2、滤色片作用：获得单色光单缝的作用：是获得线光源双缝的作用：相当于两个振动情况完全相同的光源，双孔的作用是获得相干光源,实验介绍：,普通光源,第二节光的干涉,三、杨氏干涉实验,单色光双缝干涉图样条纹的特点：（1）明暗相间（2）条纹等宽等距（3）条纹亮度相同（4）两缝S1、S2中垂线与屏幕相交位置是亮条纹-中央亮纹,第二节光的干涉,三、杨氏干涉实验,光强极小,相消干涉.,(明纹中心位置),光强极大,相长干涉.,(暗纹中心位置),光程差:,利用薄膜上、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.光程差,两条反射光线的光程差,第二节光的干涉,四、薄膜干涉,又根据折射定律：,第二节光的干涉,四、薄膜干涉,光从光疏介质射向光密介质表面的反射光。其相位发生大小为的变化，即相当于多走（或少走）了半个波长的距离，这个现象称为半波损失。,半波损失：,考虑半波损失,可有,光线垂直入射,反射光2,入射光,反射光1,第二节光的干涉,四、薄膜干涉,第二节光的干涉,五、等厚干涉,当平行光垂直照射到厚度不均的薄膜上时，前后表面反射光的光程差仅与薄膜的厚度有关，厚度相同的地方，光程差相同，干涉条纹的级数也相同，这种干涉现象称为等厚干涉。,等厚干涉的典型例子是牛顿环，其装置如右图所示。,光程差:,明纹中心,暗纹中心,第二节光的干涉,五、等厚干涉,测透镜球面的半径R已知,测m、rk+m、rk，可得R,(3)测波长已知R，测出m、rk+m、rk，可得,(3)检测透镜的曲率半径误差及其表面平整度.,(1)若接触良好,在中心O处，两相干光光程为/2,所以为一暗斑。,讨论,(2)从环心越向外，圆环的分布越密集。,第三节光的衍射,光的直线传播,S,S,光的直线传播,第三节光的衍射,光绕过障碍物的边缘，偏离直线传播而进入几何阴影区，并在屏上出现光强不均匀分布的现象称为光的衍射现象。,直线传播,衍射,衍射,第三节光的衍射,惠更斯原理,1、波面：,波传播过程中，位相相同的空间点所构成的曲面，即等相面，称为波阵面，简称波面。,波面为球面的波动称为球面波，如点光源发出球面波；波面为平面的波动称为平面波，如平行光束；波面为柱面的波动称为柱面波，如狭缝光源发出柱面波；,一般情况下，波面与传播方向垂直。,2、惠更斯原理,表述：任何时刻，波面上的每一个点都可作为新的次波源而发出球面次波，在以后的任一时刻，所有次波波面的包络就形成整个波动在该时刻的新波面。,说明：、亦称为次波假设；,、若某时刻波面已知，可由此原理求出以后任一时刻的新波面。如下页图。,第三节光的衍射,平面波,球面波,所以波在媒介中传播到的各点，都可看成新的子波源，衍射就是光通过细小裂隙或小孔时，子波向各方向传播及各子波在观察点干涉叠加的结果。,一、衍射的分类：,第三节光的衍射,菲涅耳衍射,光源障碍物接收屏距离均为有限远。,夫琅和费衍射,光源障碍物接收屏距离有一个或均为无限远。（物理上的无穷远：平行光束）,第三节光的衍射,二、单缝衍射,1、装置：如右图示,置于透镜L1焦平面上的缝（或灯丝）光源S（光均匀照射）所发光束通过L1后成为平行光束，照射到狭缝AB（宽为b，很窄）上，透过狭缝的光束经透镜L2后会聚在置于L2焦平面上的光屏F上，形成衍射花样。,2、衍射图样特征,花样为一组平行于狭缝的明暗相间的直线状条纹；,中央条纹特别明亮，两侧对称地排列着强度较小的亮条纹；,两相邻亮条纹间有一条暗条纹；,中央条纹的宽度是其它亮条纹宽度的两倍，强度较小的亮条纹是等宽的。,第三节光的衍射,A,B,f,单缝两端点A和B发出两条光线到达P点的光程差：,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,第三节光的衍射,3、明纹和暗纹公式,PO点的干涉相互加强，出现明纹。该处光强最大。,1）中央明纹,第三节光的衍射,将单缝上的波阵面划分为若干面积相等的部分，若每部分最边缘的两条光线到屏上的光程差，这样的波带称半波带。,AB面可以分成多少个半波带由下式确定:,式中:m为半波带数目。,两个相邻的半波带上对应点发出的子波会聚于P点时，其光程差恰好为/2，因此干涉相消。,第三节光的衍射,AB面分成奇数个半波带，出现亮纹,2）亮纹公式,第三节光的衍射,AB面分成偶数个半波带，出现暗纹,3）暗纹公式,第三节光的衍射,4、结论：,正、负号表示衍射条纹对称分布于中央明纹的两侧。,当=0时，=0，屏幕中心O为中央明纹的中心位置，对于其他任意衍射角，不能刚好等于半波长的整数倍，所以衍射图样在屏幕上光强介于最明与最暗之间。,第三节光的衍射,k为衍射级数，k等于1时，两个第一级暗条纹中心间的距离即为中央明纹的宽度，因为较小，中央明纹的半角宽度为：,由,得：,第三节光的衍射,中央明纹的线宽度为,屏幕上各级暗条纹中心与中央明纹中心的距离为：,第三节光的衍射,1、波长一定时，缝宽越小，条纹宽度越宽，衍射越明显。,1、缝宽越小，条纹宽度越宽，衍射越明显。,中央明纹区域称为爱里斑,三、圆孔衍射,第三节光的衍射,三、圆孔衍射,第三节光的衍射,艾里斑半径d对透镜光心的张角称为爱里斑的半角宽度:,艾里斑的半径为：,可见，D越大或越小，r越小，衍射现象越不明显,点光源经过光学仪器的小圆孔后，由于衍射的影响，所成的象不是一个点而是一个明暗相间的圆形光斑。若两物点距离很近，对应的两个爱里斑可能部分重叠而不易分辨,光学仪器的分辨率,三、圆孔衍射,第三节光的衍射,如果一个点光源的衍射图象的中央最亮处刚好与另一个点光源的衍射图象第一个最暗处相重合，认为这两个点光源恰好能为这一光学仪器所分辨。,三、圆孔衍射,第三节光的衍射,在恰能分辨时，两个点光源在透镜前所张的角度，称为最小分辨角0，等于爱里斑的半角宽度。,三、圆孔衍射,第三节光的衍射,三、圆孔衍射,第三节光的衍射,瑞利判据：当，一个发光物点的艾里斑的中心恰好与另一个发光物点衍射图样的第一个暗条纹重合，亦即两艾里斑中心距离为艾里斑的半径时，这两个发光物点刚好能被分辨。,（D为光学仪器的透光孔径）,分辨率：最小分辨角的倒数称为光学仪器的分辨率,四、光栅衍射,第三节光的衍射,狭义理解为大量等宽等间距的平行狭缝(或反射面)构成的光学元件。,广义理解为能起到等宽而又等间隔地分割波阵面作用的装置。,a是透光（或反光）部分的宽度；,d=a+b光栅常数,b是不透光（或不反光）部分的宽度。,