大学物理：第13章 波动光学基础1

1、1波动光学几何光学几何光学波动光学波动光学量子光学量子光学以光的直线传播规律为依据以光的直线传播规律为依据研究光的电磁性质和传播规律研究光的电磁性质和传播规律以光的量子理论为基础，研究以光的量子理论为基础，研究 光与物质相互作用的规律光与物质相互作用的规律（干涉、衍射、偏振）（干涉、衍射、偏振）（黑体辐射、光电效应、康普顿效应等）（黑体辐射、光电效应、康普顿效应等）2kEHOxyz/EHk光波（电磁波）是交变的电磁场在空间的传播。光波（电磁波）是交变的电磁场在空间的传播。电磁波是横波，光波也是一种横波。电磁波是横波，光波也是一种横波。麦克斯韦电磁理论两大预言麦克斯韦电磁理论两大预言电磁波的存在

2、电磁波的存在光是电磁波（光的波动学说）光是电磁波（光的波动学说）波动光学3描写光波（电磁波）的几个基本物理量描写光波（电磁波）的几个基本物理量波源：波源：加速运动的电荷或者电荷系都是发射电磁波的源加速运动的电荷或者电荷系都是发射电磁波的源波速：波速：1u810012.9979 10 m sc （真空中）（真空中）频率：频率：电磁波的频率范围很宽电磁波的频率范围很宽813 10 ms 射线射线射线射线紫外紫外可见光可见光红外红外无线电波无线电波（ 频率从高到低，波长从低到高）频率从高到低，波长从低到高）可见光是一种波长很短的电磁波可见光是一种波长很短的电磁波波动光学4可见光七彩颜色的波长和频率范

3、围可见光七彩颜色的波长和频率范围141410841093.141410051084.141410451005.141410161045.141410461016.141410661046.141410571066.波动光学5振幅：振幅：光波传播的是交变的电磁场，它的特征是以光波传播的是交变的电磁场，它的特征是以 、 为标志，而对人眼或光学仪器起作用的是为标志，而对人眼或光学仪器起作用的是 ,所所 以光的振动矢量是以光的振动矢量是 ，简称光矢量简称光矢量 。 EEEHE光波的振幅：光波的振幅：简谐光波的振源方程：简谐光波的振源方程：平面简谐光波方程：平面简谐光波方程：E0( )cos()E tE

4、t0( , )cos()rE r tEtc0cos(2)rEt 不同波长的光对人眼的灵敏度不同，人的不同波长的光对人眼的灵敏度不同，人的 视觉对黄绿光最敏感，对应的视觉对黄绿光最敏感，对应的 。550nm波动光学波动光学6一、一、 光源光源 任何发光的物体都称为光源任何发光的物体都称为光源 (1) (1) 热辐射热辐射 (2) (2) 电致发光电致发光 (3) (3) 光致发光光致发光 (4) (4) 化学发光化学发光 能级跃迁能级跃迁波列波列L = L = c c自自发发辐辐射射(5) (5) 同步辐射同步辐射 (6) (6) 激光激光 受受激激辐辐射射自发辐射自发辐射E E2 2E E1

5、1h/EE121. 发光机理发光机理波列：一段有限长，频率、初相位，波列：一段有限长，频率、初相位， 振向确定，振幅不变的简谐波振向确定，振幅不变的简谐波7非相干非相干( (不同原子发的光不同原子发的光) )非相干非相干( (同一原子先后发的光同一原子先后发的光) ). . .2. 普通光原发光特点：普通光原发光特点：间歇性间歇性 独立性独立性二、二、 光的单色性光的单色性 单色光：具有同一波长（频率）的光单色光：具有同一波长（频率）的光（光学的理想化模型）（光学的理想化模型） 同一种原子组成的光源发出的同一种原子组成的光源发出的光波频率、波长有一定的宽度。光波频率、波长有一定的宽度。 0 o

6、II0I0 /2 谱线宽度谱线宽度 越小，谱线的单色性越好越小，谱线的单色性越好实际光单色光衡量谱线单色性好坏的物理量衡量谱线单色性好坏的物理量波动光学8三、三、 光波的叠加光波的叠加110111cos(2)rEEt220222cos(2)rEEtP12r1r21. 非相干叠加非相干叠加12III cos 22121IIIII(1) 相长干涉（亮）相长干涉（亮） 2,k2121max2IIIIII2. 相干叠加相干叠加., ,k321012122 ()rr (2) 相消干涉（暗）相消干涉（暗） )12(,k 2121min2IIIIII., ,k3210相干条件相干条件: 同频率、相差恒定、同

7、频率、相差恒定、 光矢量振动方向平行光矢量振动方向平行（叠加区域亮度均匀）（叠加区域亮度均匀）波动光学9引入可见度：引入可见度：maxminmaxminIIIImin01I ，暗纹全暗， 12120,III（度量条纹清晰度）（度量条纹清晰度）2121222(21)krrk minmax0II，条纹模糊不清当两束相干光满足：当两束相干光满足：光强极大光强极大光强极小光强极小干涉条件简化为：干涉条件简化为：2122(21)2kkrrk 04II0I 波程差：波程差：波动光学10四、四、 如何获得相干光如何获得相干光1. 分波阵面法分波阵面法 从点光源发出的同一波从点光源发出的同一波列的同一波面上，

8、取出两列的同一波面上，取出两个次波源，这两个次波源个次波源，这两个次波源为相干光源。为相干光源。 S12SS2. 分振幅法分振幅法 将光束中的每个波列将光束中的每个波列都分成两列，二分波列为都分成两列，二分波列为相干光。相干光。薄膜薄膜12波动光学111. 实验装置实验装置 ( ( 线源线源 分波面分波面 相遇相遇) )一、一、 杨氏实验杨氏实验1s2s明条纹位置明条纹位置明条纹位置明条纹位置明条纹位置明条纹位置S2. 现象现象与缝平行、等宽、等间距、明暗相间、与缝平行、等宽、等间距、明暗相间、对称分布的干涉条纹对称分布的干涉条纹首次证明了光的波动性首次证明了光的波动性波动光学123. 理论分

9、析理论分析确定相干光束确定相干光束计算波程差计算波程差根据相长根据相长 相消条件确定坐标相消条件确定坐标步骤步骤xo ox21sintanxrrdddDS21SS观察屏观察屏P PDddDmDmmdrrr2121rrrsind两光线波程差两光线波程差波动光学13xdD0 1 2kk(, , ,)亮纹亮纹210 1 22kk()(, , ,)暗纹暗纹22Dxkd 明 tgsindd o oxS21SS观察屏观察屏P PDd21rrrsind两光线波程差两光线波程差(21)2Dxkd 暗012k (,)注：注： 干涉级干涉级k中央明纹，中央明纹，0k 0k 一级暗纹，一级暗纹， 其后依次为第其后依

10、次为第 级暗纹级暗纹1k 其后依为第其后依为第 级明纹级明纹k明纹：明纹：暗纹：暗纹：波动光学14(1) 屏上相邻明条纹中心或相邻暗条纹中心间距为屏上相邻明条纹中心或相邻暗条纹中心间距为dDx一系列等间距的明暗相间条纹一系列等间距的明暗相间条纹Ik012- -1- -24I0 x0 x1x2x- -2x- -1光强分布光强分布讨论讨论(2) 已知已知 d , D 及及x,可测可测 (3) x 正比正比 , D ; 反比反比 d结论：以中央明纹为中心，两侧条纹明暗相间，等宽度，等间距，等亮度结论：以中央明纹为中心，两侧条纹明暗相间，等宽度，等间距，等亮度(4) 不同频率的光入射，不同频率的光入射

11、， 不同不同xx，红光照射红光照射；干涉条纹稀疏；干涉条纹稀疏绿光照射绿光照射；干涉条纹密集；干涉条纹密集 也称为分辨也称为分辨距离，最小的分距离，最小的分辨距离与人眼的辨距离与人眼的分辨本领有关。分辨本领有关。x历史上第一次测波长的方法历史上第一次测波长的方法波动光学15白光入射的杨氏双缝干涉照片白光入射的杨氏双缝干涉照片红光入射的杨氏双缝干涉照片红光入射的杨氏双缝干涉照片白光照射：白光照射：xD D不不同同, ,x x不不同同， k kd d 同一级光谱，由于波长不同，条纹位置不同，所以白同一级光谱，由于波长不同，条纹位置不同，所以白光入射时，中央明纹是白色，两侧是内紫外红的条纹排列光入射

12、时，中央明纹是白色，两侧是内紫外红的条纹排列波动光学16洛洛 埃埃 镜镜 的的 干干 涉涉212(21)2krrk二、洛埃镜二、洛埃镜处理办法：处理办法：思考：为什思考：为什么光程差公么光程差公式中出现了式中出现了/2光的半波损失光的半波损失 相当于入射波与反射波之间相当于入射波与反射波之间附加了一个半波长的波程差附加了一个半波长的波程差1SEE?M?2S0,1,2.k 明明0,1,2.k 暗暗（掠入射）（掠入射）波动光学17(1) 明纹间距分别为明纹间距分别为mm350011089356004.dDxmm0350101089356004.dDx(2) (2) 双缝间距双缝间距 d d 为为mm4506501089356004.xDd双缝干涉实验中，用钠光灯作单色光源，其波长为双缝干涉实验中，用钠光灯作单色光源，其波长为589.3 nm，屏与双缝的距离屏与双缝的距离 D=600 mm解：解： 例：例：求：求： (1) d =1.0 mm 和和 d =10 mm，两种情况相邻明条纹间距分，两种情况相邻明条纹间距分别为多大？别为多大？(2) 若相邻条纹的最小分辨距离为若相邻条纹的最小分辨距离为 0.065 mm，能分清干涉条纹的双缝间距能分清干涉条纹的双缝间距 d 最大是多少？最大是多少？(2)波动光学18用白光作光源观察杨氏双缝干涉。设缝间距为用白光作光源观察杨氏双缝干涉