《大学物理学》课件第十三章 波动光学

1、第十三章 波动光学 13.1 光源 光的相干性 13.2 杨氏双缝干涉 光程 13.3 薄膜干涉(等倾干涉) 13.4 劈尖 牛顿环(等厚干涉) 13.5 迈克耳孙干涉仪 13.6 光的衍射 13.7 单缝衍射 13.8 圆孔衍射 光学仪器的分辨本领 13.9 光栅衍射 13.10 X射线的衍射 13.11 光的偏振 马吕斯定律 13.12 反射光和折射光的偏振 13.13 双折射 213.1 光源 光的相干性 自身能够发光的物体叫光源。 一、光源 光的本质：原子或分子的运动状态发生变化时的一种电磁辐射。 光的来源 热辐射（太阳、蜡烛、白炽灯） 非热辐射（电致发光、荧光、磷光、化学发光、激光等

2、） 3普通光源发光的机理：分子或原子的自发辐射 自发辐射的特点：各原子(或分子)的发光是自发并独立进行的，具有间歇性和随机性。各光波列互不相干。 基态 激发态 4二、光的相干性 1. 相干光 两束满足相干条件的光称为相干光。 相干条件( Coherent Condition )： 两束光在相遇区域：振动方向相同；振动频率相同； 相位相同或相位差保持恒定。那么在两束光相遇的区域内就会产生干涉现象。 52. 获得相干光的方法 分波阵面法 *S1S2S分振幅法 613.2 杨氏双缝干涉 光程 一、杨氏双缝干涉 SOS1S2dDOx波程差： r1r2D d D x 很小 78干涉加强和减弱条件（ 时）

3、 加强 减弱 明纹中心位置： 暗纹中心位置： k 代表条纹级次 9相邻明纹（或相邻暗纹）之间的距离 波长越长、双缝间距 d 越小、屏距 D 越大，则条纹间距越大，干涉现象越明显。 若入射光为白光，除了中央明纹中心为白色以外，两侧同级条纹将出现由紫色向红色顺序变化的彩色条纹。 10菲涅耳双镜和劳埃德镜 dOOS1S2SM1M2挡板屏S2S1M屏半波损失：当光从折射率较低的光疏介质掠射或正入射到折射率较高的光密介质时，反射光相对于入射光的相位跃变了 ，相当于反射过程中附加了半个波长的波程差。 11例13.1 波长为 600nm 的平行光垂直入射到间距为 d = 0.25mm 的双缝上，在相距 D

4、= 50cm 处放置屏幕，求相邻两明纹的间距。若入射的是白光，波长范围从 400nm 到 760nm，求第一级和第五级明纹彩色带的宽度。 解：相邻两明纹的间距 第 k 级明纹彩色带的宽度 12光程 波速： 光在介质中通过的几何路程为 r ，相应的相位变化为 光程差： 二、光程 光程差 光在折射率为 n 的介质中传播(频率不变)， 波长： 若 ，则 干涉加强 干涉减弱 13例13.2 如图所示是利用杨氏干涉测气体折射率的原理图。在 S1 后面放置长度为 l 的透明容器，当待测气体注入容器时将空气排出，可观察到接收屏上的干涉条纹发生移动。由干涉条纹移动的数目可以算出待测气体的折射率。设待测气体为氯

5、气，折射率为 n，n 大于空气的折射率 n0。已知 l = 2.0cm，条纹移动的数目m = 20，光波波长 = 589.3nm，空气的折射率 n0 = 1.000276，求： 干涉条纹如何移动？ 待测氯气的折射率是多少？ 14解： 充气后，S1 射出的光线光程增加，零级明纹将上移，所以整个条纹上移。 条纹整体上移了m = 20 条，则原中央明纹处变为 -20 级明纹，即 O 处的光程差为 SS1S2OPl得折射率 1513.3 薄膜干涉(等倾干涉)a , b 两束光发生干涉，它们的光程差为： 为附加的光程差，若 n1n2n2n3 ，则= 0，若 n1n3 或 n1n2n3 ，则=/ 2 。

6、一、等倾干涉 aibdn1n2n3ACBD16aibdn1n2n3ACBD由折射定律： 由几何关系： 上下表面反射光的光程差： 17对于厚度均匀的薄膜，光程差仅与光的入射角 i 有关，具有相同入射角的光线经薄膜上下表面反射后的光程差相等，干涉加强或减弱情况相同，称为等倾干涉。明纹 暗纹 18例13.3 彩色电视机的三基色分光系统常用如图所示的结构，用镀膜方法对不同波长的光进行分色。现要求红光的波长为 640nm，绿光的波长为560nm，已知玻璃基片的折射率n3 = 1.50，膜的折射率 n2 = 2.12，空气的折射率为n1 = 1.00，设平行白光的入射角为 i = 45，玻璃基片和膜厚度均

7、匀，求膜的厚度。 白光蓝光红光i绿光19解：由 n1 n3 ，反射光有附加光程差 光程差 明纹条件 取 k = 1 ，则 所以，对于红光，膜厚度为 d = 80 nm ，对于绿光，膜厚度为 d = 70 nm 。 20二、增透膜和增反膜 d空气 n1=1.00MgF2 n2=1.38玻璃 n3=1.50由 n1 n2 n3 ，膜上下表面的反射光的附加光程差 光程差 增透膜使反射光干涉减弱，透射光干涉加强。 增透膜的厚度 增反膜使反射光干涉加强，透射光干涉减弱。 21例13.4 平行白光从空气垂直入射到玻璃表面的油膜上，在反射的可见光中波长为 630nm 的红光和波长为 525nm 的绿光干涉加强，两波长间没有另外干涉加强的波长。假定膜的厚度是均匀的，油膜的折射率为 1.30 ，玻璃的折射率为 1.50 ，求油膜的厚度。 解：光程差 得 油膜厚度 2213.4 劈尖 牛顿环(等厚干涉)对于厚度不均匀的薄膜，只要上下表面的夹角很小，则两束反射光的光程差仍可近似为： 对于薄膜表面不同的入射点，如果入射角 i 都相同，则光程差仅与膜的厚