大学物理 课件 第11章波动光学

2026/7/23

第11章波动光学2026/7/23§11.1杨氏双缝干涉光具有波粒二象性，即可用视为粒子（光子），也是电磁波——频率很高！可见光是能引起人的视觉的那部分电磁波发射光波的物体称为光源4000Å紫7600Å红一、光源可见光的波长范围7.5×1014Hz可见光的频率范围3.9×1014Hz2026/7/231

普通光源的发光特性光源的最基本发光单元是分子、原子

=(E2-E1)/hE1E2能级跃迁辐射波列波列长L=

c

是波列持续时间,约10-8s2026/7/23普通光源：自发辐射独立（同一原子不同时刻发的光）

独立（不同原子同一时刻发的光）··

普通光源发光特点：原子发光是断续的，每次发光形成一个短短的波列,

各原子各次发光相互独立，各波列互不相干.2026/7/23激光光源：受激辐射E1E2

完全一样(频率、位相、振动方向,传播方向)

=(E2-E1)/h

2026/7/23复色光：不同波长（频率）单色光的混合光（白光）单色光：具有单一波长（频率）的光波2光的颜色3

光强

光矢量：能引起人眼视觉和底片感光的是矢量，叫做光矢量.

光强（光的强度、平均能流密度）人眼或感光仪器所检测到的光的强弱由（P.94：4-60）知2026/7/231.两列光波的叠加p···12r1r2P点:其中：二、光的相干性

为分振动的相位差，是定值(k=0,1,2,3…)

干涉相消（暗）(k=0,1,2,3…)2.

相干条件

干涉相长（明）干涉图2026/7/23频率相同、振动方向相同、相位差恒定干涉判据A：相干条件：总结：，即相干波源同相特例：若则：加强减弱其中：为波程差。干涉判据B：2026/7/233.

相干光的产生pS

*分波面法分振幅法·p薄膜S*2026/7/23三、杨氏双缝干涉杨（T.Young）在1801年首先用实验方法研究光的干涉2026/7/23p·r1

r2

xx0xI

xxDdo1

相干光的获得：分波阵面法d>>λ，D>>d

2

光路原理图2026/7/23钠黄光的杨氏双缝干涉条纹2026/7/23xpr2

r1

xDdo·

3.波程差的计算设实验在真空(或空气)中进行则波程差为：:干涉相长,明纹:干涉相消,暗纹4.

干涉明暗条纹的位置明纹中心：暗纹中心：

两相邻明纹（或暗纹）间距（条纹间距）2026/7/23(1)一系列平行的明暗相间的直条纹；

(3)装置确定后

5.条纹特点：(2)

不太大时条纹等间距；

杨氏双缝实验第一次测定了波长这个重要的物理量。双缝干涉条纹图样*若以复色光照射呢？2026/7/23(1)

一定时，若变化,

则将怎样变化？讨论：2026/7/23(2)一定时,条纹间距与的关系如何？2026/7/23例1在杨氏双缝干涉实验中，用波长

=589.3nm的纳灯作光源，屏幕距双缝的距离D=800mm，问：

(1)当双缝间距１mm时，两相邻明条纹中心间距是？

(2)设双缝间距10mm，两相邻明条纹中心间距又是？已知

=589.3nmD=800mm求(1)

d1=1mm时，

(2)

d2=10mm时，

解(1)

d1=1mm时

(2)

d2=10mm时

表明：双缝间距越大，干涉条纹就越密，则干涉现象越不明显。2026/7/23例2以单色光照射到相距为0.2mm的双缝上，双缝与屏幕的垂直距离为1m.

(1)从第一级明纹到同侧的第四级明纹间的距离为7.5mm，求单色光的波长；

(2)若入射光的波长为600nm,中央明纹中心距离最邻近的暗纹中心的距离是多少？已知:d=0.2mmD=1000mm求(1)

时，

=？

(2)

=600mm时，

解略。四、洛埃镜实验s1直接射出的光和经平面镜反射的光构成相干光s1,s2是相干光源,等效杨氏的双缝。阴影区即叠加区。

如果将光屏移到L处与镜相接触。因r1=r2接触处本应是中央明纹，然而看到的却是暗纹！说明因反射玻璃面的存在，两相干光在L处不是同相加强叠加，而是反相相消叠加，即出现了π的相位差或波程差λ/2。这突变一定来自反射光，相当于反射光多走或少走了半个波长——半波损失。2026/7/232026/7/23光疏媒质：折射率较小的媒质（空气）光密媒质：折射率较大的媒质半波损失

但是，折射（透射）波（光）无半波损失。光从光疏媒质射到光密媒质界面反射时，反射光有半波损失。进一步的实验表明：2026/7/23四、光程相位差在分析光的干涉时十分重要，为便于计算光通过不同媒质时的相位差，引入“光程”的概念。光在介质中传播时，光振动的相位沿传播方向逐点落后。光传播一个波长的距离，相位变化2

。2026/7/23光在真空中的速度光在介质中的速度

：真空中的波长n：介质的折射率得介质中的波长单色光在不同介质中传播时，频率不变表明光在介质（n>1）中传播，波长缩短。2026/7/23光在介质（n>1）中传播，波长缩短2026/7/23∵介质中的波长

波程差

相位差

*P*nr：光程2026/7/23*P*介质折射率与光的几何路程之积L=nr(1)光程光经过多种介质时，光程L=→相同时间内光在真空中通过的路程

物理意义：光在介质中通过的几何路程折算到真空中的路程.2026/7/23(2)光程差

(两光程之差)光程差相位差

干涉加强

干涉减弱同相位的两相干光源的干涉条件一般表述:2026/7/23§11.2薄膜干涉PLDC34E5A1B21→2:光疏→光密,有半波损失；1→AB→BC→3:折射、光密→光疏、折射,无~一、厚度均匀薄膜的干涉2026/7/23

反射光的光程差加强减弱

视具体情况而定

透射光的光程差表明：透射光和反射光干涉具有互补性，符合能量守恒定律.2026/7/23

当光线垂直入射时当时当时有无半波损失，视具体情况而定：2026/7/23

利用薄膜干涉相消使反射光减小，提高光学器件的透光率.这样的薄膜称为增透膜。*二、增透膜和增反膜

另外，也可利用薄膜干涉相长使反射光加强，提高光学器件的反射率.这样的薄膜就是增反膜。

在光学元件上镀上不同的膜，可以实现不同的功能。2026/7/23

例在玻璃表面镀上一层MgF2薄膜，使波长为λ=5500Å的绿光全部通过。求：膜的厚度。解一：使反射绿光干涉相消由反射光干涉相消条件取k=0，最薄：MgF2玻璃n2=1.38n1

=1.50n0=1

△r

=2n2

e=(2k+1)λ/2=996(Å)n0

=1

12n1n2取不同k还可镀其它厚度2026/7/23=996Å解二:

使透射绿光干涉相长

由透射光干涉加强条件：12n2n1n0=1取k=0问题：此时反射光呈什么颜色？△r

=

2n2e=kλ（相长）λ1=2n2e=8250Å取k=1λ2=n2e

=4125Å取k=2反射光呈现紫蓝色。得

由2026/7/23三、劈尖干涉薄膜的两个表面是平面,其间有很小夹角，形成劈尖。2026/7/23n(空气)SM劈尖角1（空气）劈尖干涉光程差△

=2ne入射光(单色平行光垂直入射)+

/2光从光疏介质入射到光密介质的表面反射时有半波损失2026/7/23

2

明暗条纹的判据

当光程差等于波长的整数倍时，出现干涉加强的现象，形成明条纹；当光程差等于半波长的奇数倍时，出现干涉减弱的现象，形成暗条纹。明纹暗纹2026/7/23

3

干涉条纹的特征①明、暗条纹处的膜厚e：k……棱边呈现暗纹第一级暗纹第一级明纹明纹暗纹2026/7/23②相邻明纹（或暗纹）所对应的薄膜厚度之差△e

相邻明纹（或暗纹）所对应的薄膜厚度之差相同。ekek+1

e

明纹暗纹2026/7/23③两相邻明纹（或暗纹）的间距l结论：

a.条纹等间距分布

b.夹角

越小，条纹越疏；反之则密。如

过大，条纹将密集到难以分辨，就观察不到干涉条纹了。

l

e明纹暗纹l

e

2026/7/23

劈尖干涉条纹是一系列明暗相间的、等间距分布的、平行于棱边的平直条纹。④劈尖干涉条纹的特征2026/7/23依据：

测表面不平度

测波长：已知θ、n，测l可得

测折射率：已知θ、

，测l可得n

测细小直径、厚度、微小变化Δe待测块规

标准块规平晶等厚条纹待测工件平晶劈尖干涉的应用：2026/7/23.S分束镜M显微镜o

牛顿环装置简图平凸透镜平晶

一束单色平行光垂直照射到此装置上时，所呈现的等厚条纹是一组以接触点O为中心的同心圆环。

1

牛顿环实验装置及光路四

牛顿环

由一块平板玻璃和一平凸透镜组成2026/7/232026/7/232

反射光光程差的计算eA12讨论半波损失1：上玻片的反射光：光密→光疏,无；2：下玻片的反射光:光疏→光密,有。2026/7/233

牛顿环干涉条纹的特征①明暗条纹的判据rRe0(忽略)由几何关系可知明纹暗纹2026/7/23k=0，r=0

中心是暗斑……牛顿环干涉条纹是一系列明暗相间的同心圆环。第1级明环第1级暗环②相邻暗环的间距内疏外密2026/7/23

牛顿环干涉是一系列明暗相间的、内疏外密的同心圆环。(3)

牛顿环干涉条纹的特征牛顿环干涉图样2026/7/23依据：公式

测透镜球面的半径R：已知

,测

m、rk+m、rk，可得R。

测波长λ：

已知R，测出m

、rk+m、rk，

可得λ。

检验透镜球表面质量标准验规待测透镜暗纹

应用：2026/7/23§11.3光的衍射一、光的衍射现象

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,称为光的衍射现象。2026/7/231光的衍射现象2026/7/23菲涅耳衍射

菲涅耳衍射是指当光源和观察屏，或两者之一离障碍物（衍射屏）的距离为有限远时，所发生的衍射现象。

光源

·观察屏衍射屏（1）菲涅耳衍射2光的衍射分类2026/7/23

夫琅禾费衍射

夫琅禾费衍射指光源和观察屏离障碍物的距离均为无限远时，所发生的衍射现象。*S·p1衍射屏观察屏光源（2）夫琅禾费衍射2026/7/23夫琅禾费衍射光源、屏与缝相距无限远缝菲涅耳衍射缝光源、屏与缝相距有限远在实验中实现夫琅禾费衍射2026/7/23二惠更斯-菲涅耳原理：波阵面上面元

(子波波源)

子波在点引起的振动振幅dE

并与有关.：时刻波阵面

菲涅耳指出：波场中各点的强度由各子波在该点的相干叠加决定.··prQdS

S2026/7/23夫琅禾费单缝衍射（衍射角θ：向上为正，向下为负）菲涅耳波带法衍射角θ三、单缝夫琅禾费衍射2026/7/231半波带法缝长暗纹明纹2026/7/23干涉相消(暗纹)干涉加强(明纹)（介于明暗之间）

个半波带

个半波带中央明纹中心（个半波带）θ2026/7/232光强分布干涉相消（暗纹）干涉加强（明纹）2026/7/23当θ较小时，a2026/7/23讨论(1)第一暗纹距中心的距离第一暗纹的衍射角干涉相消（暗纹）干涉加强（明纹）2026/7/23

一定，越大，θ1越大，衍射效应越明显.光直线传播

增大，θ1减小

一定减小，θ1增大衍射最大第一暗纹的衍射角2026/7/23角范围(2)中央明纹（的两暗纹间）中央明纹角宽度为：其它明纹角宽度近似为：线范围中央明纹的线宽度2026/7/23

单缝宽度变化，中央明纹宽度变化情况：

入射波长变化，衍射效应变化情况：越大，越大，衍射效应越明显.单缝衍射之弊：若缝较宽，明纹亮度高但条纹密集不易分辨；若缝很窄，明纹间距虽大但亮度却明显衰减。都难以精确测定条纹宽度、测出光波波长。需要获得既亮又窄且间距大的明纹。解决办法：用大量等宽度、等距离的平行狭缝排列组成光学元件——光栅。2026/7/23四、光栅衍射2026/7/23/付淑英光栅衍射：是单缝衍射与多缝干涉的结果2026/7/23/付淑英现象：(a)1条缝(f)20条缝(e)6条缝(c)3条缝(b)2条缝(d)5条缝光栅中狭缝条数越多明纹越细明纹既亮又窄，暗区宽，图样清晰入射光波长越大明纹间相隔越远特点：2026/7/23/付淑英§11.4光的偏振光的波动性光的干涉、衍射.光波是横波光的偏振.机械波穿过狭缝横波纵波一、光的偏振性2026/7/23/付淑英符号表示1自然光偏振光

自然光：一般光源发出的光，包含各个方向的光矢量在所有可能的方向上的振幅都相等.注意

各光矢量间无固定的相位关系.

互相垂直方向是任选的

.2026/7/23/付淑英振动面

偏振光（线偏振光）符号表示光振动只沿某一固定方向的光.

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.符号表示2026/7/23/付淑英2起偏与检偏

二向色性:某些物质能吸收某一方向的光振动,

而只让与这个方向垂直的光振动通过.这种性质称二向色性

偏振片：涂有二向色性材料的透明薄片.

起偏

偏振化方向：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，这个方向叫此偏振片的偏振化方向偏振化方向起偏器2026/7/23/付淑英