第12章--光的本质

1、第12章 光的本质The Nature of Light,教材：自编高教社出版 作业：12.5，12.9，12.17 ，12.21，12.26,提纲,波动光学的基本观念 光的干涉 薄膜干涉 光的衍射 单缝衍射 圆孔衍射 光栅衍射 X射线衍射 光的偏振,本章核心概念 光程与光程差 半波损失 本章基本技术手段 旋转矢量法,波动光学基本观点,光波是电磁波(电磁振荡的传播) 光速(波速)和折射率 光矢量和光强 光波中参与物质相互作用(感光作用、生理作用)的是E 矢量,称为光矢量. E 矢量的振动称为光振动. 光波平均能流密度(单位时间内通过垂直波线单位面积的能量)称为光强, 用I表示.,波动光学基本观

2、点,双缝干涉,双缝干涉实验 杨氏(Thomas Yong)所作的演示光的干涉效应的实验, 第一次推算出光的重要的物理量波长. 分波面法获得相关光, 干涉发生在两列波重叠区域,Thomas Young (1773 1829),明暗相间的等间距条纹,双缝干涉,两列光波相干的条件: (1) 频率相同; (2) 振动方向相同; (3) 具有固定的位相差,双缝干涉,双缝干涉,双缝干涉,干涉条纹的位置,双缝干涉,干涉条纹的位置,双缝干涉,干涉条纹分析 干涉条纹的特点 明暗相间的条纹对称分布于中心O点两侧. 相邻明纹和相邻暗纹是等间距的. 相邻条纹间距以D/d 的比例系数放大波长l. 干涉条纹的基本性质 同

3、一条纹上的各点的波程差相等, 反之也是一样. 相干叠加使能量的空间分布不均匀, 但是总能量守恒.,相干光的获得,原子发光机理,相干光的获得,原子发光是断续的, 同一原子不同时刻发的光是相互独立的, 没有相对固定的位相差, 不具有相干性, 称为时间相干性 物体上不同部分的原子发光步调不一致, 没有相对固定的位相差, 各波列互不相干, 称为空间相干性,相干光的获得,相干光的获得 一分为二：把同一光源同一部分发出的光分成两束(或多束), 然后再使它们相遇. 分振幅法 分波面法,光程与光程差,从波程到光程: 干涉情况与相位差相关, 相位差又与波长相关, 由于波长与介质有关(频率不变), 所以计算光波程

4、不能只计算几何路程. 光程定义: 介质折射率n与光的几何路程r之积 nr. 物理意义:把光在介质中的几何路程折算为在真空中的几何路程,光程与光程差,用光程差表示干涉加强和减弱的条件, 很自然就包含了介质因素, 而保持公式的形式不变. 薄透镜的等光程性: 使用透镜只能改变光波的传播 情况,不会引起物象间光线的 附加光程差,洛埃镜实验,当屏幕E 移至E 处, 从S1和S2到N点的光程差为零, 但是观察到暗条纹, 验证了光波从折射率较小的光疏介质传向折射率较大的光密介质的反射波存在半波损失.,半波损失,半波损失：当光波从折射率较小的光疏介质传向折射率较大的光密介质而且在两种介质的界面上发生反射时,

5、反射光相位改变 (相当于光程差改变/2)的现象. 半波损失会产生附加的光程差. 折射关无半波损失.,满足n1n3(或n1 n2 n3),满足n1n2n3(或n1 n2 n3),存在附加光程差,不存在附加光程差,半波损失,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,翅膀为何呈现红色？,肥皂膜为何呈现彩色？,薄膜干涉(film interference),薄膜干涉(film interference),等倾干涉,仅考虑2和3,薄膜干涉(film interference),光程差计算,薄膜干涉(film interference),等倾干涉: 由相同的入射角

6、照射在薄膜上所形成的是同一级干涉条纹.,薄膜干涉,条纹分析 条纹间距内疏外密, 且条纹不等宽 级次内高外低(内外看R, 级次看k值),薄膜干涉(film interference),*讨论透射光的干涉情况 反射光的光程差与透射光的光程差刚好相差/2. 透射光和反射光干涉具有互补性, 符合能量守恒定律.,薄膜干涉(film interference),增透膜和增反膜 增透膜: 利用薄膜上、下表面反射光的光程差符合相消干涉条件来减少反射, 从而使透射增强. 增反膜: 利用薄膜上、下表面反射光的光程差满足相长干涉, 因此反射光因干涉而加强. 控制折射率与厚度达到增透或增反的目的,多层镀膜相机镜头,增

7、反膜,劈尖干涉,若薄膜的厚度e不均匀, 从垂直于膜面的方向观察, 且视场角范围很小(即入射倾角i 几乎都相同且接近于零), 膜上厚度相同的位置有相同的光程差, 对应同一级条纹, 故称为薄膜等厚干涉. 所以, 等厚干涉条纹对应膜的等厚线.,劈尖干涉,劈尖干涉,劈尖干涉,劈尖干涉条纹特点 静态条纹特征: 1. 条纹等间距;2. 相邻条纹对应膜厚度差为l/(2n2); 3. 级次薄低厚高. 条纹动态变化规律: 1. 劈角变化对条纹的影响 (疏密、移动); 2. 膜厚度变化引起条纹的移动.,典型例题,半波损失,典型例题,不存在附加程差,典型例题,各种干涉问题分析思路,分析思路： 相干光是谁 (哪路光和

8、哪路光发生干涉) 光程差计算 条纹特点分析 (形状、位置、分布、条数、移动等) 条纹特点可由光程差结果来分析得到(因为条纹就是等光程差点的轨迹) 在搞清楚相干光后，计算光程差是核心 (注意有无半波损失).,光的衍射现象,光的衍射 按几何光学的观点, 光线是直线传播的. 但是光在传播过程中遇到大小与波长相比拟的障碍物(如：小孔、小屏、狭缝、毛发和细针等)时, 光能绕过障碍物而偏离直线传播的现象称为光的衍射(绕射). 衍射现象是一切波动的共有特性！,DNA晶体的X射线衍射,光的衍射现象,惠更斯菲涅耳原理,光的衍射现象 惠更斯一菲涅耳原理,菲涅耳衍射和夫琅和费衍射 菲涅耳衍射: 障碍物离光源和考察点

9、的距离都是有限的, 或其中之一的距离是有限的.也称近场衍射. 夫琅和费衍射: 光源和考察点到障碍物的距离可以认为是无限远, 即实际上使用的是平行光束, 又称远场衍射.,光的衍射现象 惠更斯一菲涅耳原理,菲涅耳衍射和夫琅和费衍射 问题: 如何实现夫琅和费衍射(Fraunhofer diffraction )?,单缝的夫琅和费衍射,实验装置 缝宽a, S 为单色光源,单缝的夫琅和费衍射,根据透镜成像规律, 焦平面上的点由平行光会聚产生.因此, P点光强是由衍射角均为q 的一束平行光相干叠加而成. 狭缝上下平移并不改变q, 因此条纹不移动. 获得P点光强的方法:菲涅耳半波带法, 矢量图解法, 直接积

10、分,子波,相干叠加,单缝的夫琅和费衍射,半波带方法 P点光强是由衍射角均为 q 的一束平行光叠加而成. AP 和BP 的光程差 上下两个相邻的半波带对应的 各光线(如1和1, 2和2)光程差 为/2, 全部相消, 此方向得暗纹. 推广: 刚好为半波长的偶数倍,l,此方向得暗纹.,若光程差刚好 为两个半波长,此方向得明纹.,单缝的夫琅和费衍射,半波带方法 AP 和BP 的光程差 相邻两个半波带对应的 各光线光程差为/2 而 相消, 剩余一个半波带振 动没有抵消, P点为明纹. 推广: 刚好为半波长的奇数倍,若光程差刚好 为三个半波长,单缝的夫琅和费衍射,单缝的夫琅和费衍射,条纹位置 条纹宽度(相

11、邻条纹间距),单缝的夫琅和费衍射,条纹特征： 各级明纹的光强度随衍射角的增加而迅速减小.（因 随着半波带数增加, 相互抵消 后剩余的半波带的面积减小） 中央亮条纹的宽度等于各次极大的两倍, 且绝大部分光能都落在了中央亮条纹上. 狭缝越窄, 条纹间距大, 条纹分散的越开, 衍射现象越明显. 条纹间距与波长成正比, 若用白光做光源, 中央为白色明条纹, 其两侧各级都为彩色条纹. 该衍射图样称为衍射光谱.,圆孔的夫琅和费衍射,由于圆孔衍射, 点物不成点像, 而是成一个斑, 称为艾里斑,当两个物点靠近, 则像斑靠近. 当两个像斑挨得很近时, 则不能分辨出两个物点,光学仪器的分辨本领,瑞利判据: 对于两

12、个等光强的非相干物点, 如果一个点光源的衍射图象的中央最亮处刚好与另一个点光源的衍射图象第一级最暗处相重合, 认为这两个点光源恰好能分辨.,刚好能分辨,非常容易分辨,不能分辨,艾里斑 半径R,光学仪器的分辨本领,瑞利判据,光栅衍射,光栅衍射(grating diffraction) 大量等宽等间距的平行狭缝(或反射面) 构成的光学元件.,用于透射光衍射 的称为透射光栅,光栅衍射,对应衍射角q, 相邻两缝对应光线的光程差 光栅方程,光栅衍射,多种波长的光照射光栅 当多种波长的光照射光栅时, 各自形成自己的条纹. 可按级次分组, 也可按波长分组. 不同级次的组可能有交叠的地方. 相同级次的光, 波

13、长越大, 对应的衍射角越大.,光栅衍射,光栅光谱 光栅衍射图样是多缝干涉光强分布受单缝衍射光强分布调制的结果. 当主明纹遇到单缝衍射暗纹的时候, 对应的主明纹消失, 这就是缺级现象.,光栅衍射,自然光和偏振光,自然光: 任何实际的光源都是为数众多的分子或原子在发光. 这种由无限多个振幅相等、振动方向任意、彼此之间没有固定相位关系的光振动的组合, 称为自然光. 一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的、不相干的线偏振光.,用黑点表示垂直于纸面的光振动, 用短线表示纸面内的光振动. 对自然光, 黑点和短线画成均等分布,自然光和偏振光,完全偏振光(简称偏振光)： 光振动只在某个固定方向上 部分偏振光：某一方向的光振动比与之相垂直的方向的光振动占优势,反射和折射时光的偏振,自然光反射和折射后产生部分偏振光 在反射光中, 振动方向垂直于入射面的成分比平行于入射面的成分占优势; 而在折射光中, 振动方向平行于入射面的成分占优势. 所以, 反射光和折射光都是部分偏振光.,反射和折射时光的偏振,布儒斯特定律 (Brewsters law) 实验证明：i = i0 时，则