第九章波动光学.11.ppt

一.光学的分类,几何光学：直线传播,物理光学：光的本质,光学,1光学的基本概念,波动光学,量子光学,二.光是电磁波,1.可见光：可见光七彩颜色的波长和频率范围,2.光速：光速为电磁波的速度,真空中,介质中,3.光的传播,实验表明：能引起人眼视觉和底片感光作用的是E，E称为光矢量。E的变化称为光振动。,三.光源及相干光,1.光源：能发光的物体。,光源的种类,光源（温度）,热光源：,冷光源：,热辐射,利用化学能、电能,光源（发光机理）,自发辐射,受激辐射,普通光光源：,激光光源：,2.相干光,相干条件：二同一恒定,获得相干光的方法,1.分波阵面法,2.分振幅法,相干光的产生,四.光程及相干叠加,1.光程：就是光在媒质中通过的路程,光在某一介质中所经历的几何路程x和该介质的折射率n的乘积nx定义为光程。,2.光程差：两光程之差,相位差与光程差,3.相干叠加,相位差与光程差,2分波阵面法干涉,一杨氏干涉,1实验光路,2、实验现象,3、理论计算,光程差,(1)明暗相间的条纹对称分布于中心O点两侧；x=0处,k=0级明纹,4、干涉条纹特点,(2)相邻明条纹和相邻暗条纹等间距，与干涉级k无关；,例题在杨氏实验中，双缝间距为0.45mm，使用波长为540nm的光观测。(1)要使光屏上条纹间距为1.2mm，光屏应距离双缝多远？(2)若用折射率为1.5、厚度为9.0m的薄玻璃片遮盖住狭缝S2，光屏上的干涉条纹将发生什么变化?,解：(1),(2)在S2未被玻璃片遮盖时，中央明条纹的中心应处于x=0的地方。遮盖厚度为h的玻璃片后，参与叠加的两个光的光程差为,对中央明纹，,中央明纹的位置为,即干涉条纹整体向下平移了10mm。,二洛埃镜实验,（洛埃镜实验结果与杨氏双缝干涉相似）,3分振幅法干涉,分振幅法基本思想：,薄膜干涉: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,1.劈尖干涉,明纹,暗纹,一等厚干涉,2）相邻明纹（暗纹）间的厚度差,3）条纹间距（明纹或暗纹）,4）干涉条纹的移动,每一条纹对应劈尖内的一个厚度，当此厚度位置改变时，对应的条纹随之移动.,劈尖干涉的应用,3）检验光学元件表面的平整度,4）测细丝的直径,(厚度线性增长条纹等间距，厚度非线性增长条纹不等间距),为了测量一根细的金属丝直径D，按图办法形成空气劈尖，用单色光照射形成等厚干涉条纹，用读数显微镜测出干涉明条纹的间距，就可以算出D。已知单色光波长为589.3nm，测量结果是：金属丝与劈尖顶点距离L=28.880mm，第1条明条纹到第31条明条纹的距离为4.295mm,解,由题知,直径,例,求金属丝直径D,牛顿环实验装置,2、牛顿环,光程差,暗纹,半波损失需具体问题具体分析,例用氦氖激光器发出的波长为633nm的单色光做牛顿环实验，测得第个k暗环的半径为5.63mm,第k+5暗环的半径为7.96mm，求平凸透镜的曲率半径R.,解,二.等倾干涉,两条光线的光程差,考虑到有半波损失,(1)等倾干涉条纹为一系列同心圆环;内疏外密;内圆纹的级次比外圆纹的级次高,条纹特点,(2)膜厚变化时,条纹发生移动。当薄膜厚度增大时，圆纹从中心冒出，并向外扩张，条纹变密,(3)使用面光源条纹更清楚明亮,(4)透射光图样与反射光图样互补,利用薄膜上、下表面反射光的光程差符合相互减弱的干涉条件来减少反射，从而使透射增强。,增透膜：,称光学厚度,波长550nm黄绿光对人眼和照像底片最敏感。要使照像机对此波长反射小，可在照像机镜头上镀一层氟化镁MgF2薄膜，已知氟化镁的折射率n=1.38，玻璃的折射率n=1.55,解,两条反射光干涉减弱条件,增透膜的最小厚度,例,求氟化镁薄膜的最小厚度,增透膜光学厚度ne等于入射光波长的四分之一,例题,空气中有一水平肥皂膜，设折射率为n=1.33，厚度为e=3.2010-7m，如果用白光垂直照射，该膜的正面呈什么颜色，在背面呈什么颜色？,解：光在肥皂膜上表面反射时有半波损失，由反射光加强的条件得:,绿色,可见光范围如下：（真空，单位为nm）,由反射光减弱的条件得:,紫色,可见光范围如下：（真空，单位为nm）,单色光源,反射镜,反射镜,4迈克耳孙干涉仪,光程差,反射镜,反射镜,单色光源,迈克尔孙干涉仪的主要特性,两相干光束在空间完全分开，并可用移动反射镜或在光路中加入介质片的方法改变两光束的光程差.,移动反射镜,干涉条纹的移动,当与之间距离变大时，圆条纹一个一个地从圆心“冒”出来,并向外扩张,干涉条纹变密;距离变小时，圆形干涉条纹一个个向中心“缩”进去,干涉条纹变稀.,插入介质片后光程差,光程差变化,介质片厚度,光程差,5光的衍射,1.光的衍射现象,一、光的衍射现象及分类,衍射现象是否明显取决于障碍物线度与波长的对比，波长越大，障碍物越小，衍射越明显。,衍射:光在传播过程中绕过障碍物的边缘而偏离直线传播的现象,特例,衍射现象,针尖,狭缝,2.光的衍射分类(按光源-障碍物-观察屏相对距离区分）,(远场衍射),(2)夫琅禾费衍射,(近场衍射),(1)菲涅耳衍射,光源、屏与缝相距无限远,光源、屏与缝相距有限远,3.惠更斯菲涅尔原理,：波阵面上面元(子波波源),子波在点引起的振动振幅并与有关.,：时刻波阵面,*,同一波前上的各点发出的都是相干子波。,各子波在空间某点的相干叠加，就决定了该点波的强度。,原理内容：,（衍射角：向上为正，向下为负.）,菲涅尔半波带法,二、夫琅禾费单缝衍射,干涉相消（暗纹）,干涉加强（明纹）,（介于明暗之间）,（个半波带）,中央明纹中心,1.衍射暗纹、明纹条件,2.单缝衍射明纹角宽度和线宽度,衍射屏,透镜,观测屏,中央明纹角宽度,线宽度,角宽度（明纹角宽度）,相邻两暗纹中心对应的衍射角之差,线宽度（明纹线宽度）,观察屏上相邻两暗纹中心的间距,第k级明纹角宽度,请写出线宽度,1.圆孔衍射,：艾里斑直径,三、夫琅禾费圆孔衍射,2.光学仪器的分辨本领,畧偏临界,眼睛的最小分辨角为,设人离车的距离为S时，恰能分辨这两盏灯。,取,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。,例,人在离汽车多远的地方，眼睛恰能分辨这两盏灯？,求,解,d=120cm,S,由题意有,观察者,四、衍射光栅,1.光栅,反射光栅,透射光栅,透光宽度,不透光宽度,2.光栅常数d,大量等宽等间距的平行狭缝(或反射面)构成的光学元件,光栅宽度为l，每毫米缝数为m，则总缝数,只考虑单缝衍射强度分布,只考虑双缝干涉强度分布,双缝光栅强度分布,3.光栅衍射的基本特点,屏上的强度为单缝衍射和缝间干涉的共同结果。,结论：,几种缝的光栅衍射(光栅中狭缝条数越多，明纹越亮.),光栅方程,缺级现象,缺级现象,2,4,3,5,0,l,l,l,l,l,l,l,l,l,2,3,l,4,5,光栅例二,例题13-9用氦-氖激光器发出的632.8nm的激光照射在一个衍射光栅上，实验测得衍射图样中央最大值和第二十级最大值之间的衍射角为1510。问该光栅1cm内的缝数为多少?,解：根据光栅方程知,所以，该光栅1cm内的缝数为,5光的偏振,自然光：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.,一、偏振片与马吕斯定律,1.自然光偏振光,偏振光（线偏振光）,部分偏振光：某一方向的光振动比与之垂直方向上的光振动占优势的光为部分偏振光.,光振动只沿某一固定方向的光.,2.偏振片,当自然光照射在偏振片上时，它只让某一特定方向的光通过.,检偏,3.马吕斯定律,马吕斯定律强度为的偏振光通过检偏振器后,出射光的强度为,二、晶体的双折射现象,（不遵守折射定律）,三、介质界面反