光学基础知识

1、2.1 光的基本属性光的基本属性2.2 反射、全反射、折射反射、全反射、折射2.3 光的偏振光的偏振2.4 光的干涉光的干涉2.5 光的衍射光的衍射2.6 光谱学基础知识光谱学基础知识2.7 光电参数光电参数2 2 光学基础知识光学基础知识back 2.1光的基本属性微粒说根据光的直线传播性质,牛顿与1704年在光学一书中提出光是微粒流的理论.他认为这些微粒从光源飞出来,在真空或均匀物质内由于惯性而做匀速直线运动,并以此解释了光的反射定律和折射定律从十七世纪开始,就发现有与光的直线传播不完全符合的事实如：格里玛第、胡克等观察到衍射现象 2.1 光的基本属性波动说惠更斯1678年论光一书中提出光

2、是在“以太”中传播的波，提出光波动的次波原理,成功地解释了折射、反射定律,还解释了方解石的双折射定律.但是没有提到波长、相位这些概念1815年,菲涅耳用杨氏干涉原理补充了惠更斯原理,称为惠更斯-菲涅耳原理 1808年,马吕斯发现光在两种介质表面上反射时的偏振现象.杨氏在1817年提出了光是一种横波的假设.菲涅耳进一步完善了这个观点并导出了菲涅耳公式波动说理论既解释了光的直线传播,也解释了光的干涉、衍射现象,同时又解释了光的偏振现象. 2.1 光的基本属性 光的电磁理论的主要困难是不能解释光和物质相互作用的某些现象.例如炽热黑体辐射中能量按波长分布的问题.特别是1887年赫兹发现的光电效应光电效

3、应 2.1 光的基本属性波粒二象性1900年普朗克提出了辐射的量子理论(1)能量是不连续的(2)能量的大小等于hv的整数倍 1905年爱因斯坦提出了光量子理论(光子理论),圆满解释了光电效应.光的波动性：光的干涉、衍射和偏振等光的粒子性：光的反射、折射、光电效应等光同时具有波粒二象性back光的波粒二象性光的波粒二象性hE hp 描述光的描述光的 粒子性粒子性 描述光的描述光的 波动性波动性hchcEppcEE,00 光子光子 20222EcpE 相对论能量和动量关系相对论能量和动量关系（2 2）粒子性：粒子性： （和物质相互作用时）（和物质相互作用时）hE （1 1）波动性：光的干涉和衍射（

4、传播时）波动性：光的干涉和衍射（传播时）2.2 2.2 反射、全反射、折射反射、全反射、折射2.2.光的折射光的折射 当光射到两种介质的交界面上时，有一部分光会产生反射，如当光射到两种介质的交界面上时，有一部分光会产生反射，如果光线进入到的第二种介质的是不透明的，那么另一部分光会被果光线进入到的第二种介质的是不透明的，那么另一部分光会被吸收，但是如果光线进入到的第二种介质的是透明的，比如从空吸收，但是如果光线进入到的第二种介质的是透明的，比如从空气中射入水中或者玻璃中，另一部分光就要进入水中或者玻璃中气中射入水中或者玻璃中，另一部分光就要进入水中或者玻璃中传播传播, , 光从一种介质斜射入另一

5、种介质时，传播方向一般会发生光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向一般会发生变化，这种现象叫光的折射。变化，这种现象叫光的折射。 1. 光的反射光的反射 光在均匀介质中是沿直线传播的。光在均匀介质中是沿直线传播的。 光在两种物质分界面上改变传播方向又返回原来物质中的现光在两种物质分界面上改变传播方向又返回原来物质中的现象，叫做光的反射。象，叫做光的反射。 3.3.光的全反射光的全反射1.光的反射 （1)1)反射现象反射现象图15光的反射现象示意图 光在两种物质分界面上改光在两种物质分界面上改变传播方向又返回原来物变传播方向又返回原来物质中的现象，叫做光的反质中的现象，叫做光的反射。射。1.光

6、的反射 （2 2）光的反射定律）光的反射定律 图图16 光的反射定律示意图光的反射定律示意图 反射光线与入射光反射光线与入射光线、法线在同一平面上；线、法线在同一平面上；反射光线和入射光线分反射光线和入射光线分居在法线的两侧；反射居在法线的两侧；反射角角出出等于入射角等于入射角入入。如图如图1 16 6所示为光的反所示为光的反射定律所示示意图。射定律所示示意图。可归纳为可归纳为 “三线共面，三线共面，两线分居，两角相等两线分居，两角相等”。 入入出出 1.光的反射 (3)(3)两种反射现象两种反射现象 漫反射漫反射 反射面是粗糙平面反射面是粗糙平面或曲面，平行光经界面反射后或曲面，平行光经界面

7、反射后向各个不同的方向反射出去，向各个不同的方向反射出去，即在各个不同的方向都能接收即在各个不同的方向都能接收到反射光到反射光 （a a）镜面反射示意图）镜面反射示意图 （b b）漫反射示意图）漫反射示意图镜面反射镜面反射 反射面是光反射面是光滑平面（如镜子），平行滑平面（如镜子），平行光线经界面反射后沿某一光线经界面反射后沿某一方向平行射出方向平行射出, ,只能在某一只能在某一方向接收到反射光线。方向接收到反射光线。1.光的反射 （4 4）反射现象的应用）反射现象的应用 潜望镜潜望镜潜望镜是利潜望镜是利用相互用相互平行平行且与水平方且与水平方向成向成4545角角的两块平面的两块平面镜两次反射

8、镜两次反射成像来观察成像来观察物体的物体的 (a)潜望镜反射原理 (b) 潜水艇上的潜望图18 潜望镜原理2光的折射 （1) 1) 折射现象折射现象 图图19 硬币放入水中的折射现象硬币放入水中的折射现象 图图110 水中的鱼的折射现象水中的鱼的折射现象硬币的实际位置比从硬币的实际位置比从水面上看上去的深水面上看上去的深 渔民叉鱼时，要向看到的鱼渔民叉鱼时，要向看到的鱼的前下方叉，方可捕到鱼。的前下方叉，方可捕到鱼。 2光的折射 （2)2)折射定律折射定律 图图114 光的折射定律光的折射定律设入射介质的折射率为设入射介质的折射率为n n1 1，折射面介质的折射率为折射面介质的折射率为n n2

9、 2，入射角入射角为为1，折射角为，折射角为2，则则 sinsin1 1：sinsin2 2n1 1：n2 2 折射光位于入射光与折射光位于入射光与界面法线所界面法线所决定的平面内决定的平面内2光的折射 （3 3）光折射三种情况）光折射三种情况 空气水水空气水空气光从空气斜射入水中光从空气斜射入水中 光从水斜射入空气中光从水斜射入空气中 从空气垂直射入水中从空气垂直射入水中 2光的折射 （4 4）折射的应用折射的应用 水中观察空中敌机一架潜水艇中的军事一架潜水艇中的军事人员侦察到潜水艇上人员侦察到潜水艇上空有飞机飞行，军事空有飞机飞行，军事人员看到的飞机位置人员看到的飞机位置要比实际飞机的位置

10、要比实际飞机的位置要高一些要高一些。图115 水中观察空中敌机2光的折射 （4 4）折射的应用折射的应用 透镜成像透镜成像 （a a）透镜成像图）透镜成像图 （b b）折射式望远镜）折射式望远镜 （b b）折射成像的照相机）折射成像的照相机图图1 116 16 透镜折射成像应用透镜折射成像应用(2) 入射角大于临界角 3 全反射c1(1) 光从光密介质向光疏介质入射n1n2，入射光的能量全部被界面反射回光密介质c12sinnnc2.32.3光的偏振光的偏振3 3偏振光的应用偏振光的应用(1) (1) 在摄影机光学镜头前加上偏振镜消除反光在摄影机光学镜头前加上偏振镜消除反光(2) (2) 偏振镜

11、能够调节天空亮度的影响，加用偏振镜以后，蓝天变得很暗，突出了蓝偏振镜能够调节天空亮度的影响，加用偏振镜以后，蓝天变得很暗，突出了蓝天中的白云。天中的白云。(3) (3) 使用偏振镜看立体电影使用偏振镜看立体电影 1. 光的偏振现象光的偏振现象 这种振动方向与传播方向垂直的波我们称之为横波。横波有一个特性，就是它这种振动方向与传播方向垂直的波我们称之为横波。横波有一个特性，就是它的振动是有极性的。如果一束光线都在同一方向上振动，我们就称它们是偏振光的振动是有极性的。如果一束光线都在同一方向上振动，我们就称它们是偏振光 2. 光的偏振性分类光的偏振性分类 光的按偏振性分为自然光、部分偏振光光的按偏

12、振性分为自然光、部分偏振光 、完全偏振光、完全偏振光 光波中的电振动光波中的电振动矢量矢量E E和磁振动矢量和磁振动矢量H H都与光的传播速度都与光的传播速度v v方向三者互相垂直。方向三者互相垂直。这种振动方向与传播这种振动方向与传播方向垂直的波我们称方向垂直的波我们称之为横波。之为横波。 我们一般把光波我们一般把光波电场振动方向作为光电场振动方向作为光振动方向。振动方向。振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振.图图1-17 1-17 偏振光原理图偏振光原理图纵波：波的振动方向和波的振动方向相同横波：波的振动方向和波的振动方向垂直由自然光得到偏振光的过程称为起偏,所用器件为起偏器;如该器件用

13、来检验某一束光是否为偏振光,则称之为检偏器.最常见光偏振态包括：自然光,线偏振光,部分偏振光,圆偏振光和椭圆偏振光(3)部分偏振光 部分偏振光在垂直于光传播方向的平面内沿各方向振动的光矢量都有，但振幅不对称，在某一方向振动较强，而与它垂直的方向上振动弱 (4)圆偏振光光矢量端点在垂直于光传播方向的截面内描绘出圆形轨迹 (5)椭圆偏振光光矢量端点在垂直于光传播方向的截面内描绘出椭圆轨迹 (2)线偏振光 光矢量只沿某一固定方向振动的光为线偏振光。偏振光的振动方向与传播方向组成的平面称为振动面 (1)自然光 自然光在垂直于光传播防线的平面内沿各个方向振动的矢量都有,呈各方向概率相等的随机分布光的偏振

14、 （2 2）光的分类光的分类自然光三维图 在垂直于光传播方向的平面上，在垂直于光传播方向的平面上，光矢量在各个可能方向上的取光矢量在各个可能方向上的取向是均匀的，光矢量的大小、向是均匀的，光矢量的大小、方向具有无规律性变化，这种方向具有无规律性变化，这种光称为自然光，也称为非偏振光称为自然光，也称为非偏振光光 部分偏振光在垂直于光传播方向的平面上，在垂直于光传播方向的平面上，含有各种振动方向的光矢量，含有各种振动方向的光矢量，但光矢量振动在某一方向更显但光矢量振动在某一方向更显著，不难看出，部分偏振光是著，不难看出，部分偏振光是自然光和完全偏振光的叠加。自然光和完全偏振光的叠加。 光的偏振 （

15、2 2）光的分类光的分类完全偏振光 椭圆偏振光线偏振光 光矢量端点的轨迹为直光矢量端点的轨迹为直线，即光矢量只沿着一线，即光矢量只沿着一个固定的方向振动，称个固定的方向振动，称为线偏振光为线偏振光 椭圆偏振光指的是在光的传播方向上，任椭圆偏振光指的是在光的传播方向上，任意一个场点电矢量既改变它的大小又以角意一个场点电矢量既改变它的大小又以角速度速度( (即光波的圆频率即光波的圆频率) )均匀转动它的方均匀转动它的方向，光矢量端点的轨迹为一椭圆，即光矢向，光矢量端点的轨迹为一椭圆，即光矢量不断旋转，其大小、方向随时间有规律量不断旋转，其大小、方向随时间有规律的变化。的变化。 自然光光路中插入检偏

16、器，屏上光强减半检偏器旋转，屏上亮暗无变化 线偏振光 检偏器旋转一周，光强两强两弱自然光经过起偏器后转变成线偏振光 圆偏振光检偏器旋转一周，光强无变化 部分偏振光检偏器旋转一周,屏上光强两强两弱 椭圆偏振光检偏器旋转一周，光强两强两弱 光的偏振 （3 3）偏振光的应用偏振光的应用这副眼镜就是一对这副眼镜就是一对透振方向互相垂直透振方向互相垂直的偏振片。用来看的偏振片。用来看三三D D电影电影 在拍摄表面光滑的物体，如玻璃器皿在拍摄表面光滑的物体，如玻璃器皿等时，常常会出现耀斑或反光，这是等时，常常会出现耀斑或反光，这是由于光线的偏振而引起的。在摄影机由于光线的偏振而引起的。在摄影机镜头前加加偏

17、振镜，并适当地旋转偏镜头前加加偏振镜，并适当地旋转偏振镜面，就能够阻挡这些偏振光，从振镜面，就能够阻挡这些偏振光，从而消除或减弱这些光滑物体表面的反而消除或减弱这些光滑物体表面的反光或亮斑。光或亮斑。 偏振镜消除反光 偏振眼镜（3D眼镜） NM马吕斯定律马吕斯定律（1808 年）年）E0Ecos0EE 2020EEII检偏器检偏器起偏器起偏器0IIE0ENM20cosII 马吕斯定律马吕斯定律 强度为强度为 的的偏振偏振光光通过检偏振器后通过检偏振器后, 出射光的强度为出射光的强度为0I20cosII马吕斯定律马吕斯定律注意：注意：（2） 是线偏振光强度；是线偏振光强度；0I为两偏振片偏振化方

18、向之间的夹角；为两偏振片偏振化方向之间的夹角；（1）自然光通过偏振片后的光强自然光通过偏振片后的光强减半减半是线偏振光通过偏振片后的光强是线偏振光通过偏振片后的光强I 20cosII 2II0自自I自MMNN0II0,讨论：讨论： 当当 ，两偏振片偏振化方向平行两偏振片偏振化方向平行0II透射光强最大透射光强最大当当 ， 两偏振片偏振化方向垂直两偏振片偏振化方向垂直3,220I 没有光透过没有光透过检偏器（消光）检偏器（消光）当当 00,02II20cosII 马吕斯定律马吕斯定律空气空气i1n 入射面入射面 入射光线和法入射光线和法线所成的平面线所成的平面 . 反射光反射光 部分部分偏振光偏

19、振光 ，垂直于入射面的振动大于平垂直于入射面的振动大于平行于入射面的振动行于入射面的振动 . 折射光折射光 部分部分偏振光，平行于入射面的振动大偏振光，平行于入射面的振动大于垂直于入射面的振动于垂直于入射面的振动 .理论和实验证明理论和实验证明：反射光的偏振化程度与入射角有关：反射光的偏振化程度与入射角有关 .i光反射与折射时的偏振光反射与折射时的偏振玻璃玻璃2n2n空气空气布儒斯特定律布儒斯特定律（1812年）年）反射光为反射光为完全偏振光完全偏振光，且，且振动面振动面垂直垂直入射面，折射入射面，折射光为部分偏振光。光为部分偏振光。( 叫叫起起偏角偏角或或布儒斯特角布儒斯特角)120tann

20、ni 当当 时，时，1）反射光和折射光反射光和折射光互相垂直互相垂直 。120sinsinnni00120cossintaniinni)2cos(sincos0i20i讨论讨论0i0i1n玻璃玻璃0i120tannni tan)2tan(cot0210inni 2）根据光的根据光的可逆性可逆性，当入射光以，当入射光以 角从角从 介介质入射于界面时，此质入射于界面时，此 角即为布儒斯特角角即为布儒斯特角 .2n1n 2n玻璃玻璃0i0i1n玻璃玻璃2n0i 常见起偏（由自然光得到偏振光）方式1、基于晶体双折射原理，最有效的一种方式2、布儒斯特定律，入射角为布儒斯特角，反射光为线偏振光3、基于介质

21、的二向色性的人造偏振片2.4 2.4 光的干涉光的干涉2 .2 .获得稳定干涉的必要条件获得稳定干涉的必要条件 1.1. 光的叠加原理及干涉现象光的叠加原理及干涉现象3. 3. 获得相干光的基本原理和方法获得相干光的基本原理和方法4. 光的干涉的应用光的干涉的应用2 几列波相遇之后， 仍然保持它们各自原有的特征（频、波长、振幅、振动方向等）不变，并按照原来的方向继续前进，好象没有遇到过其他波一样.2 在相遇区域内任一点的振动，为各列波单独存在时在该点所引起的振动位移的矢量和. 波的叠加原理 光的干涉 1.1.干涉干涉现象现象图图127 水波的干涉示意图水波的干涉示意图水波干涉演示实验水波干涉演

22、示实验 将两根细金属丝固定在薄钢片上将两根细金属丝固定在薄钢片上（或者专门的水波发生水槽），（或者专门的水波发生水槽），使两根金属丝刚好接触水面。当使两根金属丝刚好接触水面。当钢片上下振动时，金属丝周期性钢片上下振动时，金属丝周期性接触水面，就产生了频率和振动接触水面，就产生了频率和振动方向都相同的两列水波。方向都相同的两列水波。用两组同心圆分别表示从波源用两组同心圆分别表示从波源S S1 1、S S2 2发出的两列波，实线和虚发出的两列波，实线和虚线分别表示波峰和波谷。实线和虚线间的距离等于半个波长，线分别表示波峰和波谷。实线和虚线间的距离等于半个波长，实线与实线间、虚线和虚线间的距离等于一

23、个波长。某一时刻实线与实线间、虚线和虚线间的距离等于一个波长。某一时刻在水面的某一点，如果两列波的波峰与波峰相遇，其振幅等于在水面的某一点，如果两列波的波峰与波峰相遇，其振幅等于两列波的振幅之和，经过半个周期，变成波谷与波谷相遇，其两列波的振幅之和，经过半个周期，变成波谷与波谷相遇，其振幅也等于两列波的振幅之和。振幅也等于两列波的振幅之和。光的干涉 1.1.干涉干涉现象现象两列光波的干涉与两列水波两列光波的干涉与两列水波的干涉是相似的，满足一定的干涉是相似的，满足一定条件的两列水波相遇叠加，条件的两列水波相遇叠加，水波在叠加区域某些点的水水波在叠加区域某些点的水振动始终加强，某些点的水振动始终

24、加强，某些点的水振动始终减弱。振动始终减弱。图图125 水波的干涉图样水波的干涉图样 图图126 光的干涉图样光的干涉图样满足一定条件的两列相干光波满足一定条件的两列相干光波相遇叠加，在叠加区域某些点相遇叠加，在叠加区域某些点的光振动始终加强，某些点的的光振动始终加强，某些点的光振动始终减弱，即在干涉区光振动始终减弱，即在干涉区域内振动强度有稳定的空间分域内振动强度有稳定的空间分布，即出现明暗相间的条纹。布，即出现明暗相间的条纹。 光的干涉 2 2获得稳定干涉的必要条件获得稳定干涉的必要条件（1 1）频率相同）频率相同（2 2）振动方向相同）振动方向相同（3 3）相位相同或相位差）相位相同或相

25、位差恒定恒定 图图128 相干光的条件相干光的条件S S1 1和和S S2 2两束光的频率相同、振动方向相同、两束光叠加有恒两束光的频率相同、振动方向相同、两束光叠加有恒定的位相差定的位相差, ,加强的位置始终加强，减弱的就始终减弱。加强的位置始终加强，减弱的就始终减弱。 )cos(222tAE两列光波产生相干的条件(1)频率相同(2)振动方向相同(3)相位相同或相位差恒定两个同方向同频率的简谐振动叠加的结果2221121112212221221coscossinsintan)cos(2)cos(AAAAAAAAAtAEEE)cos(111tAE由于位相差恒定, 与时间无关,则12平均强度tt

26、tdttAAAAdtAAAAtdtAtAI012212221012212221022)cos(12)cos(211)cos(212212221AAAAI干涉项讨论(1)22112)(3 , 2 , 1 , 0,2AAImm合振动平均强度达最大值(干涉相长)(2)22112)(3 , 2 , 1 , 0,) 12(AAImm合振动平均强度最小(干涉相消)cos(212212221AAAAI光的干涉 2.2.干涉加强和减弱的条件干涉加强和减弱的条件干涉加强减弱的条件取决于光程差和波长的关系，其光程差干涉加强减弱的条件取决于光程差和波长的关系，其光程差=r2 2- -r1 1, ,为光的波长，光程差

27、为光波波长的整数倍则干涉加为光的波长，光程差为光波波长的整数倍则干涉加强出现亮条纹，光程差为光波半波长的奇数倍则干涉减弱出强出现亮条纹，光程差为光波半波长的奇数倍则干涉减弱出现暗条纹。现暗条纹。 光的干涉 3. 3. 获得相干光的基本原理和方法获得相干光的基本原理和方法 原理原理将一个点光源发出的光束设法分为两束，然后再使它们相将一个点光源发出的光束设法分为两束，然后再使它们相遇遇 ，两束光能满足光的干涉条件，两束光能满足光的干涉条件图1 29 相干光的基本原理光的干涉 3. 3. 获得相干光的基本原理和方法获得相干光的基本原理和方法 方法方法1 1分波阵面法分波阵面法 ： 由垂直于纸面的单缝

28、发出的柱面波被由垂直于纸面的单缝发出的柱面波被s s1 1和和s s2 2两缝两缝分成两部分，当两束光到达屏幕分成两部分，当两束光到达屏幕P P点时，将产生相干叠加点时，将产生相干叠加 。图1-30 分波阵面法杨氏双缝干涉sxooB实实 验验 装装 置置d1s2s1r2rdd 杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验 drsin12drrr波程差波程差tansin,dxddsindxddr2) 12(k 减弱减弱k dxdr加强加强,2, 1 ,0k2) 12(kdd暗纹暗纹ddkx明纹明纹,2, 1 ,0kp1s2ssxooBd1r2rdr光的干涉 3. 3. 获得相干光的基本原理和方法获得相干光的

29、基本原理和方法 方法方法2 2一厚度为一厚度为e、折射率为、折射率为n2的介质薄膜，置于折射率为的介质薄膜，置于折射率为n1的介质中，光的介质中，光束束1经过薄膜上表面反射一部分成为光束经过薄膜上表面反射一部分成为光束2，折射部分并经薄膜下表面，折射部分并经薄膜下表面反射再经上表面折射成为光束反射再经上表面折射成为光束3，2和和3由同一光束分出，因而满足相由同一光束分出，因而满足相干条件。干条件。2和和3两束光在两束光在P叠加形成干涉图样。叠加形成干涉图样。图1-31 分振幅法薄膜干涉单色光源单色光源21MM 反反射射镜镜 2M反射镜反射镜1M迈克耳孙干涉仪迈克耳孙干涉仪 ，且与，且与 成成

30、角角21M,M04521/GG2G补偿板补偿板 分光板分光板 1G 移动导轨移动导轨1M等倾和等厚光路光的干涉 4. 光的干涉的应用光的干涉的应用在测微器的待量度的平面之间在测微器的待量度的平面之间夹入一已知其厚度的平行平面夹入一已知其厚度的平行平面玻璃板玻璃板P(P(如图如图1 13232所示所示) )，然，然后使测微器的细杆顶紧平板后使测微器的细杆顶紧平板P P。如果通过平板如果通过平板P P顺着箭头方向顺着箭头方向观测，则在待量度的平面上可观测，则在待量度的平面上可见到干涉条纹。在不平的待量见到干涉条纹。在不平的待量度平面上得到弯曲的干涉条纹。度平面上得到弯曲的干涉条纹。根据条纹的形式可

31、以判断待量根据条纹的形式可以判断待量度的平面的表面质量。而根据度的平面的表面质量。而根据条纹出现的数目便可决定两侧条纹出现的数目便可决定两侧量度面的平行度。量度面的平行度。利用光的干涉检定螺旋测微器 图132 光的干涉检定螺旋测微器光的干涉 4. 光的干涉的应用光的干涉的应用使被检测的平面和标准样板间形成空气薄膜使被检测的平面和标准样板间形成空气薄膜, ,用单色光用单色光照射照射, ,入射光在空气薄膜上下表面反射出的两列光波相入射光在空气薄膜上下表面反射出的两列光波相干涉干涉, ,根据干涉条纹的情况可测量零件表面的光滑程度根据干涉条纹的情况可测量零件表面的光滑程度. .检查精密零件的表面质量

32、v4.光的干涉的应用光的干涉的应用 增透膜 镜片表面涂上的透明薄膜的厚度是入射光在薄膜中波镜片表面涂上的透明薄膜的厚度是入射光在薄膜中波长的长的1/41/4时时, ,在薄膜的两个面上反射的光在薄膜的两个面上反射的光, ,其反射光的其反射光的光程差恰好等于半波长光程差恰好等于半波长, ,相互抵消相互抵消, ,达到减少反射光达到减少反射光, ,增大透射光强度的作用。增大透射光强度的作用。2.5 2.5 光的衍射光的衍射2. 2. 衍射的类型衍射的类型 1. 1. 衍射现象衍射现象 3.3. 衍射的条件衍射的条件4.4.干涉和衍射的差别干涉和衍射的差别5.5.衍射的应用衍射的应用光的衍射 1.1.衍

33、射衍射现象现象光在传播路径中，遇到不透明或透明的障碍物，绕过光在传播路径中，遇到不透明或透明的障碍物，绕过障碍物，产生偏离直线传播的现象称为光的衍射障碍物，产生偏离直线传播的现象称为光的衍射. . （a）白光的衍射图样 （b）黄光的衍射现象(c) 日光灯的衍射现象衍射现象只有在障碍物的几何尺度与传播波的波长相当时才比衍射现象只有在障碍物的几何尺度与传播波的波长相当时才比较明显。如树荫中的太阳透射光的光斑、夜晚看远处的灯光等较明显。如树荫中的太阳透射光的光斑、夜晚看远处的灯光等等。将两支铅笔平行紧靠在一起，透过小缝看灯光，可看到明等。将两支铅笔平行紧靠在一起，透过小缝看灯光，可看到明暗相间的彩色

34、条纹，中间是白色条纹。暗相间的彩色条纹，中间是白色条纹。惠更斯-菲涅耳原理原理(1)将波前上每个面元看做产生子波的波源(2)空间某点P振动是所有子波在该点的相干叠加菲涅耳衍射(近场衍射)夫琅和费衍射(远场衍射)光源和观察点距障碍物光源和观察点距障碍物为无限远，即平行光的为无限远，即平行光的衍射为夫琅和费衍射衍射为夫琅和费衍射 光的光的衍射衍射 2. 2. 衍射的类型衍射的类型 光的菲涅尔衍射 光的夫琅和费衍射 光源和观察点距障碍物为有光源和观察点距障碍物为有限远的衍射称为菲涅尔衍射。限远的衍射称为菲涅尔衍射。 夫夫 琅琅 禾禾 费费 单单 缝缝 衍衍 射射衍射角衍射角（衍射角（衍射角 ：向上为

35、正，向下为负：向上为正，向下为负 . .）bsinbBC ), 3 , 2 , 1(2kkofLPRABsinbQC菲涅尔波带法菲涅尔波带法oPRABQ22sinkb2) 12(sinkb 半波带法半波带法,3,2, 1k1A2AC2/bABb缝长缝长ABoQABRLPC1A2/L), 3 ,2, 1(kkkb22sin干涉相消（干涉相消（）2) 12(sinkb干涉加强（干涉加强（）2sinkb（介于（介于明明暗暗之间）之间）LoPRQAB1A2AC2/sinbBC2k（ 个半波带）个半波带）k 个半波带个半波带k2 个半波带个半波带12 k0sinb中央明纹中心中央明纹中心sinIobb2

36、b3bb2b3 光强分布光强分布以中央明纹为中心，两侧以中央明纹为中心，两侧对称分布对称分布明暗相间、平行于明暗相间、平行于狭缝的直条纹。狭缝的直条纹。明纹亮度随级数的增加而下降，明纹亮度随级数的增加而下降，中央明纹最宽最亮。中央明纹最宽最亮。条纹特征：条纹特征：PHL圆孔衍射圆孔衍射艾艾里里斑斑dDfd22. 12：艾里斑直径：艾里斑直径ddfDLP 瑞利判据瑞利判据 对于两个强度相等的不相干的点光源（物点），对于两个强度相等的不相干的点光源（物点），一个点光源的衍射图样的一个点光源的衍射图样的主极大主极大刚好和另一点光源衍刚好和另一点光源衍射图样的射图样的第一极小第一极小相相重合重合，这时

37、两个点光源（或物点），这时两个点光源（或物点）恰为这一光学仪器所分辨恰为这一光学仪器所分辨. .08 . 0 I*1s2sf0 光学仪器的分辨本领光学仪器的分辨本领2dDfd22. 120D22.10最小分辨最小分辨角角（两光点刚好能分辨）（两光点刚好能分辨）光学仪器分辨率光学仪器分辨率22.110D1,DDfd22. 12光学仪器的通光孔径光学仪器的通光孔径D衍射角衍射角), 2 , 1 , 0( sin) (kkbb明纹位置明纹位置相邻两缝间的光程差：相邻两缝间的光程差：sin) (bbsin) (bb 光栅衍射条纹的形成光栅衍射条纹的形成 光栅的衍射条纹是单光栅的衍射条纹是单缝衍射和多光

38、束干涉的总缝衍射和多光束干涉的总效果效果.光栅常数光栅常数：m10106539,26,13bbb,9 ,6,3k（缺级缺级）0sinbb2bb2Ibbbbbbbkkbbbbbb3若若kbsinkbbsin)(同时同时满足满足单缝衍射对单缝衍射对光强的调制光强的调制只有障碍物的线度和波长可比拟时，只有障碍物的线度和波长可比拟时，衍射现象才明显地表现出来。由于光衍射现象才明显地表现出来。由于光波的波长很小，在光传播的途中，只波的波长很小，在光传播的途中，只有遇到线度很小的障碍物，光波的衍有遇到线度很小的障碍物，光波的衍射才会明显地表现出来。射才会明显地表现出来。 光的光的衍射衍射 3.3. 衍射的

39、条件衍射的条件干涉是有限多束光（分离的）相干叠加，衍射是干涉是有限多束光（分离的）相干叠加，衍射是波阵面上无限多子波连续的相干叠加，这种计算波阵面上无限多子波连续的相干叠加，这种计算对于菲涅尔衍射相当复杂，而对于夫琅和费衍射对于菲涅尔衍射相当复杂，而对于夫琅和费衍射则比较简单。则比较简单。光的衍射光的衍射 4. 4. 干涉和衍射的差别干涉和衍射的差别两根不透明的笔紧紧并排夹在一起，在两根不透明的笔紧紧并排夹在一起，在平行于平行于灯光的位置上灯光的位置上透过两支笔中间的缝隙看灯光会透过两支笔中间的缝隙看灯光会看到相间的彩色条纹。当缝隙的大小（或障碍看到相间的彩色条纹。当缝隙的大小（或障碍物的大小

40、）跟波长相差不多时就发生明显的衍物的大小）跟波长相差不多时就发生明显的衍射现象如果缝隙很宽，其宽度远大于波长，射现象如果缝隙很宽，其宽度远大于波长，则波通过缝后基本上是沿直线传播的，衍射现则波通过缝后基本上是沿直线传播的，衍射现象就很不明显了象就很不明显了 光的衍射光的衍射 5. 5. 衍射的应用衍射的应用2.6 2.6 光谱学基础知识光谱学基础知识 1. 1. 电磁波谱电磁波谱2 2光谱学的分类光谱学的分类3. 3. 光谱的应用光谱的应用光谱学基础知识光谱学基础知识 1. 1. 电磁波谱电磁波谱可见光范围：可见光范围：400760nm400760nm光谱学基础知识光谱学基础知识2光谱学的分类

41、光谱学的分类（1）发射光谱发射光谱（2）吸收光谱吸收光谱（3）散射光散射光谱谱（1 1）发射光谱：）发射光谱：物体发光直接产生的物体发光直接产生的光谱光谱叫做发射光叫做发射光谱谱 (emission spectrum)(emission spectrum)。发射光谱分为明线光谱和连续光谱。发射光谱分为明线光谱和连续光谱。 明线光谱明线光谱: :焰色反应产生的光谱都属于明线光谱，焰色反应产生的光谱都属于明线光谱，利用焰色反应可以做出五颜六色的烟花利用焰色反应可以做出五颜六色的烟花 表表12 金属焰色反应光谱颜色表金属焰色反应光谱颜色表连续光谱连续光谱 固体或液体及高压气体的发射光谱，固体或液体及

42、高压气体的发射光谱，是由连续分布的波长的光组成的，这种光是由连续分布的波长的光组成的，这种光谱做连续光谱。谱做连续光谱。例如电灯丝发出的光、炽热的钢水发例如电灯丝发出的光、炽热的钢水发出的光都形成连续光谱。出的光都形成连续光谱。（2）吸收光谱）吸收光谱当一束具有连续波长的光通过一种物质时，光束中的某当一束具有连续波长的光通过一种物质时，光束中的某些成分便会有所减弱，当经过物质而被吸收的光束由光些成分便会有所减弱，当经过物质而被吸收的光束由光谱仪展成光谱时，就得到该物质的吸收光谱。谱仪展成光谱时，就得到该物质的吸收光谱。 在伞面上涂上有强烈选择性吸收紫外线的屏蔽剂，这样紫在伞面上涂上有强烈选择性

43、吸收紫外线的屏蔽剂，这样紫外线就照不到伞下的人了外线就照不到伞下的人了 （3）散射光谱）散射光谱光线照射到粒子时光线照射到粒子时,如果粒子大于入射光波长很多倍如果粒子大于入射光波长很多倍,则则发生光的反射发生光的反射;如果粒子小于入射光波长如果粒子小于入射光波长,则发生光的散则发生光的散射射,这时观察到的是光波环绕微粒而向其四周放射的光这时观察到的是光波环绕微粒而向其四周放射的光,称为散射光。称为散射光。当光在物质中传播时，物质中存在的不均匀性（如当光在物质中传播时，物质中存在的不均匀性（如悬浮微粒、密度起伏）能导致光的散射悬浮微粒、密度起伏）能导致光的散射 光谱学基础知识光谱学基础知识 3.

44、 3. 光谱的应用光谱的应用X射线拍片射线拍片 X射线治疗疾病射线治疗疾病 X射线食品加工储藏射线食品加工储藏 (1(1）X射线的应用射线的应用 图141 X射线拍片(2）射线射线 食品加工储藏和食品消毒；食品加工储藏和食品消毒； 射线还可用于测距、测厚；射线还可用于测距、测厚； 射线刀射线刀 应用放射线照射病应用放射线照射病变部位变部位, , 可治疗血管畸形和脑肿瘤。可治疗血管畸形和脑肿瘤。(3(3）其它光谱的应用）其它光谱的应用红外线可用于加热、消毒、无线鼠红外线可用于加热、消毒、无线鼠标、红外遥控等。紫外线主要用于标、红外遥控等。紫外线主要用于消毒。可见光应用最直观，我们能消毒。可见光应

45、用最直观，我们能看见东西都是因为可见光，照明也看见东西都是因为可见光，照明也是利用可见光。是利用可见光。2.7 2.7 光电参数光电参数2.7 2.7 光电参数光电参数1点光源、立体角点光源、立体角 2 2辐射通量辐射通量3光通量光通量4 4光强度光强度 5 5光照度光照度 6 6反射系数反射系数 7 7光亮度光亮度 8. 8. 光源的色温光源的色温9. 9. 暗电流暗电流 10. 10. 光电转换效率光电转换效率 1.1.点光源、立体角点光源、立体角 图图42 点光源点光源 图图43 立体角立体角点光源是抽象化的物理概念点光源是抽象化的物理概念, ,是是为了把物理问题的研究简单化为了把物理问

46、题的研究简单化, ,就象平时说的光滑平面，质点就象平时说的光滑平面，质点, ,无空气阻力一样，点光源在现实无空气阻力一样，点光源在现实中也是不存在的，指的是从一个中也是不存在的，指的是从一个点向周围空间均匀发光的光源。点向周围空间均匀发光的光源。 从从O点看，表示光向空间点看，表示光向空间展开的角度称为立体角，展开的角度称为立体角，单位用球面角度（单位用球面角度（），），点的周围总立体角为点的周围总立体角为。 2.2.辐射通量辐射通量在单位时间内从在单位时间内从光源发射的能量光源发射的能量称为辐射通量称为辐射通量，单位用单位用瓦瓦（W W）在辐射通量中包含有人眼有在辐射通量中包含有人眼有光感的

47、可见光和人眼感觉不光感的可见光和人眼感觉不到的到的. .光通量光通量(luminous (luminous flux)flux)是由光源向各个方向是由光源向各个方向射出的人眼有光感的光功率，射出的人眼有光感的光功率，也即每一单位时间射出的光也即每一单位时间射出的光能量能量, ,以以F表示，单位为表示，单位为流明流明(lumen(lumen，简称，简称 lmlm) )。1 1毫朗毫朗伯伯(millilambert)(millilambert)1010流明流明（lmlm）。）。3.光通量光通量4 4光强度光强度 图图144 光强度的定义图光强度的定义图 图图145 光照度的定义图光照度的定义图 光

48、强度光强度(luminous intensity)(luminous intensity)是光源在单位立体角内辐射的是光源在单位立体角内辐射的光通量，以光通量，以I表示，单位为表示，单位为坎德坎德拉拉( (candelacandela，简称，简称cdcd) )。1 1坎德坎德拉表示在单位立体角内辐射出拉表示在单位立体角内辐射出1 1流明的光通量。已知立体角的流明的光通量。已知立体角的光通量和立体角，用公式光通量和立体角，用公式 可可以算出光强度以算出光强度 光照度光照度(illuminance)(illuminance)是从光源是从光源照射到单位面积上的光通量照射到单位面积上的光通量, ,以以

49、E表示表示, ,照度的单位为照度的单位为勒克斯勒克斯(Lux,(Lux,简称简称lxlx) )。如图。如图4545所示。所示。已知光通量和照射面积，用公式已知光通量和照射面积，用公式 可以算出光照度可以算出光照度 5 5光照度光照度 6 6反射系数反射系数 人们观看物体时人们观看物体时, ,总是要借助于反射光总是要借助于反射光, ,所以要经常用到所以要经常用到 反射反射系数系数 的概念，的概念，反射系数反射系数(reflectance factor)(reflectance factor)是光线照在某是光线照在某物体表面，物体表面，物体表面反射的光通量物体表面反射的光通量（反射的流明数（反射的流明数F1F1）与入射与入射的光通量的光通量（入射的流明数（入射的流明数F F）之比之比，以，以R表示已知反射光通量和表