第10章波动光学.ppt

1、1,1.相干光,第10章 波动光学,光波是电磁波。 光波中参与与物质相互作用（感光作用、生理作用）的是电场强度 E 矢量，称为光矢量。 E 矢量的振动称为光振动。, 10.1 杨氏双缝干涉,普通光源：,独立(不同原子发的光),独立(同一原子先后发的光),发光的随机性,发光的间隙性,1 分波前的方法 杨氏干涉,2 分振幅的方法 等倾干涉、等厚干涉,普通光源获得相干光的途径（方法）,光波列频率、位相、振动方向等具有随机性。,3,相干光的产生,4,激光束干涉实验,单色激光光源不同原子所发的光具有相干性,5,二、杨氏双缝干涉,波程差,6,7,白光照射时，出现彩色条纹。,8,（1） 一定时，若 变化，

2、变化情况,9,（2） 一定时，条纹间距 与 的关系,10,例10.1用单色光照射相距0.4mm的双缝，缝屏间距为1m.(1)从第1级明纹到同侧第5级明纹的距离为6 mm，求此单色光的波长；(2)若入射的单色光波长为4000的紫光，求相邻两明纹间的距离；(3)上述两种波长的光同时照射时，求两种波长的明条纹第1次重合在屏幕上的位置，以及这两种波长的光从双缝到该位置的波程差.,解 (1)由双缝干涉明纹条件 ，可得,11,(2)当 时，相邻两明纹间距为,(3)设两种波长的光的明条纹重合处离中央明纹的距离为x，则有,12,由此可见，波长为 的紫光的第3级明条纹与波长为 的橙光的第2级明条纹第1次重合.重

3、合的位置为,双缝到重合处的波程差为,13,光在媒质中的速度,媒质中的波长,介质的折射率,三、 光程和光程差,14,位相差,物理意义：光程就是光在媒质中通过的几何路程 , 按波数相等折合到真空中的路程.,（1）光程：媒质折射率n与光的几何路程r的乘积,媒质中的波长,当光经历几种介质时：,15,（2）光程差,光程差,位相差,16,例10.2在杨氏双缝干涉实验中，入射光的波长为，现在 缝上放置一片厚度为d，折射率为n的透明介质，试问原来的零级明纹将如何移动？如果观测到零级明纹移到了原来的k级明纹处，求该透明介质的厚度d.,解如图所示，有透明介质时，从 和 到观测点P的光程差为,17,零级明纹相应的

4、，其位置应满足,原来没有介质时k级明纹的位置满足,19,P,L,一、薄膜干涉, 10.2 薄膜干涉,20,反射光的光程差,加强（明）,减弱（暗）,21,透射光的光程差,注意：透射光和反射光干涉具有互补性，符合能量守恒定律.,22,等倾干涉,扩展光源各个方向来的光线照射到厚度均匀的薄膜后，在无穷远处产生的干涉。,23,对于厚度均匀的平行平面膜（e=常数）来说，倾角相同的光线都有相同的光程差，因而属于同一级别的干涉条纹，故此叫做等倾干涉。,其具体运用之一就是增透膜或增反膜。,24,透镜不引起附加的光程差,二、增透膜与增反膜,25,增透膜,在比较复杂的光学系统中，普通光学镜头都有反射： 带来光能损失

5、； 影响成象质量。 为消除这些影响，用增透膜使反射光干涉相消。,26,增反膜,在另一类光学元件中，又要求某些光学元件具有较高的反射本领。为了增强反射能量，常在玻璃表面上镀一层高反射率的透明薄膜，利用薄膜上、下表面的反射光的光程差满足干涉相长条件，从而使反射光增强，这种薄膜叫增反膜。,27,例10.3在一光学元件的玻璃(折射率 )表面上镀一层厚度为e、折射率为 的氟化镁薄膜，为了使入射白光中对人眼最敏感的黄绿光 反射最小，试求薄膜的厚度.,解如图，由于 氟化镁薄膜的上、下表面反射的、两光均有半波损失.设光线垂直入射 (i0)，则、两光的光程差为,28,要使黄绿光反射最小，即、两光干涉相消,应控制

6、的薄膜厚度为,其中，薄膜的最小厚度(k0),即氟化镁的厚度为 或 ，都可使这种波长的黄绿光在两界面上的反射光干涉减弱.,30,三、劈尖干涉,明条纹,暗条纹,1.劈尖干涉,31,（2）,对一定波长的单色光入射，劈尖的干涉条纹间隔仅与楔角有关.,32,每一条 纹对应劈尖 内的一个厚 度，当此厚 度位置改变 时，对应的 条纹随之移 动.,（3）干涉条纹的移动,33,2.牛顿环,将一曲率半径相当大的平凸透镜叠放在一平板玻璃上,光程差,34,干涉条纹为间距越来越小的同心圆环组成，这些圆环状干涉条纹叫做牛顿环。,牛顿环实验装置,35,36,光程差,暗条纹,37,应用例子:可以用来测量光波波长，用于检测透镜

7、质量，曲率半径等.,从反射光中观测，中心点是暗点还是亮点？从透射光中观测，中心点是暗点还是亮点？,属于等厚干涉，条纹间距不等，为什么？,将牛顿环置于 的液体中，条纹如何变？,38,利用牛顿环可测透镜曲率。,当透镜与玻璃板的间距变化时,39,测量平凸透镜曲率半径,40,例10.4利用劈尖干涉可以测量微小角度.如图所示，折射率 的劈尖在某单色光的垂直照射下，测得两相邻明条纹之间的距离是l=0.25 cm.已知单色光在空气中的波长 ，求劈尖的顶角.,解如图：按明条纹出现的条件， 和 应满足下列两式：,41,由图,将 ，代入得,因sin很小，所以,42,例10.5 在牛顿环实验中，透镜的曲率半径为5.

8、0m，直径为2.0 cm. (1)用波长589.3nm的单色光垂直照射时，可看到多少干涉条纹？ (2)若在空气层中充以折射率为n的液体，可看到46条明条纹，求液体的折射率(玻璃的折射率为1.50).,解(1)由牛顿环明环半径公式,43,可看到34条明条纹.,(2)若在空气层中充以液体，则明环半径为,可见牛顿环中充以液体后，干涉条纹变密.,44,单色光源,反射镜,反射镜,四、迈克耳孙干涉仪,45,迈克耳孙干涉仪实物,46,迈克耳孙干涉仪实物,47,48,49,迈克尔孙干涉仪的主要特性,两相干光束在空间完全分开，并可用移动反射镜或在光路中加入介质片的方法改变两光束的光程差.,移动反射镜 M1,50

9、,例10.6 在迈克耳孙干涉仪的两臂中，分别插入玻璃管, 长为 ，其中一个抽成真空， 另一个则储有压强为 的空气 , 用以测量空气的折射率 . 设所用光波波长为546nm，实验时，向真空玻璃管中逐渐充入空气 ，直至压强达到 为止 . 在此过程中 ，观察到107.2 条干涉条纹的移动，试求空气的折射率 .,解,51,一、光的衍射 惠更斯菲涅耳原理,波在传播中遇到障碍物，使波面受到限制时，能够绕过障碍物继续前进的现象。, 10.3 光的衍射,54,2.惠更斯菲涅耳原理,：波阵面上面元 (子波波源),惠更斯菲涅耳原理：从同一波阵面上各点发出的子波，在传播过程中相遇时，也能相互叠加而产生干涉现象，空间

10、各点波的强度，由各子波在该点的相干叠加所决定.,： 时刻波阵面,*,55,（衍射角 ：向上为正，向下为负.）,菲涅耳波半波带法,二、单 缝 夫 琅 禾 费 衍 射,56,一、菲涅耳半波带法,57,暗条纹,明条纹,（ 个半波带）,中央明纹中心,（介于明暗之间）,58,二、光强分布,59,（1）第一暗纹距中心的距离,第一暗纹的衍射角,60,一定， 越大， 越大，衍射效应越明显.,光直线传播,增大， 减小,一定,减小， 增大,衍射最大,第一暗纹的衍射角,角范围,线范围,（2）中央明纹,（ 的两暗纹间）,61,单缝宽度变化，中央明纹宽度变化情况：,62,越大， 越大，衍射效应越明显.,入射波长变化，衍

11、射效应变化情况：,63,问：单缝上下微小移动时，衍射图是否变化？,答：根据透镜成像原理衍射图不变.,（3）条纹宽度（相邻条纹间距）,单缝上移，零级明纹中心仍在透镜光轴上.,64,例10.7波长600nm的单色光垂直入射到缝宽a0.2 mm的单缝上，缝后用焦距f50 cm的会聚透镜将衍射光会聚于屏幕上.求：(1)中央明条纹的角宽度、线宽度；(2)第1级明条纹的位置以及单缝处波面可分为几个半波带？(3)第1级明条纹宽度.,解(1)第1级暗条纹对应的衍射角 为,因 很小，可知中央明条纹的角宽度为,65,第1级暗条纹到中央明条纹中心O的距离为,中央明条纹的线宽度为,(2)第1级明条纹对应的衍射角 满足

12、,第1级明条纹中心到中央明条纹中心的距离为,66,对应于该 值，单缝处波面可分的半波带数为,(3)设第2级暗条纹到中央明条纹中心O的距离为 ，对应的衍射角为 ，故第1级明条纹的线宽度为,第1级明条纹的宽度约为中央明纹宽度的一半.,67,一、光栅衍射现象,大量等间距、等宽度的平行狭缝组成的光学元件.,大小, 10.4 光栅衍射,条纹特点：,明条纹亮、细、疏，相邻明纹间的暗区宽， 衍射条纹十分清晰。,71,相邻两缝间的光程差：,二、光栅衍射规律,光栅的衍射条纹是单缝衍射和多缝干涉的总效果.,光栅常数：,1.光栅公式,72,2.缺级现象,一般只要 为整数比时，对应的k级明条纹位置一定出现缺级现象.,

13、73,入射光为白光时， 不同，按波长各分开形成光谱.,三、光栅光谱,74,例10.8一个每厘米均匀刻有200条刻线的光栅，用白光照射，在光栅后放一焦距为f500cm的透镜，在透镜的焦平面处有一个屏幕，如果在屏幕上开一个x1mm宽的细缝，细缝的内侧边缘离中央极大中心5.0cm，如图所示.试求什么波长范围的可见光可通过细缝？,解光栅常数为,75,和 都很小，所以 ，根据光栅方程,可通过细缝的可见光波波长范围为,76,光的干涉和衍射现象不能分辨光波是横波还是纵波，因为这两种波都能产生干涉现象,光的偏振现象清楚地显示了光的横波性,光的偏振也是肯定光是电磁波的根据之一,由于光的偏振，使光的传播又出现了一

14、些新的特点, 10.4 光的偏振,77,1.横波的偏振性,沿纵波的传播方向作任意平面，波的运动情况相同，具有对称性，即纵波的振动相对于传播方向是轴对称的。,一、自然光和偏振光,78,振动面:振动方向与传播方向组成的平面。,偏振:波的振动方向相对于传播方向的不对称性,这就是说，横波具有偏振性，而纵波不具备偏振性。,光是横波，应该具有偏振性。,79,2.自然光,光振动的振幅在垂直于光波的传播方向上，既有时间分布的均匀性，又有空间分布的均匀性，具有这种特性的光就叫自然光。,自然光以两互相垂直的互为独立的（无确定的相位关系）振幅相等的光振动表示 , 并各具有一半的振动能量 .,各光矢量间无固定的相位关

15、系.,二互相垂直方向是任选的,80,3.线偏振光,光波的光矢量只沿一个固定方向振动的光.,81,4.部分偏振光,光在垂直于光的传播方向的平面内，各方向的振动都有，它们的振幅大小不相等，称为部分偏振光.,82,二、起偏和检偏 马吕斯定律,对某一方向的光振动有强烈的吸收，而对与之垂直的光振动则吸收很少，晶粒的这种性质称为二向色性.,偏振片：涂有二向色性材料的透明薄片.,当自然光照射在偏振片上时，它只让某一特定方向的光振动通过，这一方向称为偏振片的偏振化方向.,1.偏振片的起偏和检偏,83,检 偏,84,2.马吕斯定律,马吕斯定律 强度为 的偏振光通过检偏振器后, 出射光的强度为,85,86,例10

16、.9要使一束线偏振光通过偏振片后振动方向转过90，至少需要让这束光通过几块理想偏振片？在此情况下，透射光强最大是原来光强的多少倍？,解至少需要两块理想偏振片(如图所示).其中P1透光轴与线偏振光振动方向的夹角为，第二块偏振片透光轴与P1透光轴夹角为(90).设入射线偏振光原来的光强为I0，则透射光强,当290，即45时， .,87,入射面 入射光线和法线所成的平面.,反射光 部分偏振光，垂直于入射面的振动大于平行于入射面的振动.,折射光 部分偏振光，平行于入射面的振动大于垂直于入射面的振动.,理论和实验证明：反射光的偏振化程度与入射角有关.,三、光反射与折射时的偏振 布儒斯特定律,88,（1）

17、反射光和折射光互相垂直.,89,2）根据光的可逆性，当入射光以 角从 介质入射于界面时，此 角即为布儒斯特角 .,90,对于一般的光学玻璃 , 反射光的强度约占入射光强度的 7.5% , 大部分光将透过玻璃 .,利用玻璃片堆产生线偏振光,91,例10.10如图所示为一玻璃三棱镜，材料的折射率为n1.50，设光在棱镜中传播时能量不被吸收.问：(1)一束光强为I0的单色光，从空气入射到棱镜左侧界面折射进入棱镜.若要求入射光全部能进入棱镜，对入射光和入射角有何要求？,(2)若要求光束经棱镜从右侧折射出来，强度仍保持不变，则对棱镜顶角有何要求？,92,解(1) 要求入射光是振动方向平行于入射面的线偏振

18、光.入射角i01为,(2) 投射到界面AC的起偏振角i02为,因为 从图上的几何关系可以看出,光的偏振现象在技术中有很多应用。例如拍摄水下的景物或展览橱窗中的陈列品的照片时，由于水面或玻璃会反射出很强的反射光，使得水面下的景物和橱窗中的陈列品看不清楚，摄出的照片也不清楚如果在照相机镜头上加一个偏振片，使偏振片的透振方向与反射光的偏振方向垂直，就可以把这些反射光滤掉，而摄得清晰的照片；此外，还有消除车灯眩光、立体电影等等。,偏振片的应用,1.拍摄玻璃窗内的物体时， 用偏振片去掉反射光的干扰,2. 汽车夜间行车时为避免对方汽车灯光晃眼以保证行驶安全，可以在所有汽车的车窗玻璃和车灯前装上与水平方向成45角，而且向同一方向倾斜的偏振片。,3. 偏振片可用于制成太阳镜和照相机的 滤光镜。观看立体电影的眼镜片是由两 个偏振化方向互相垂直的偏振片组