08-15_optics3.ppt

1、小结：单缝衍射：半波带法,圆孔衍射：分辨率,5 光栅衍射,问题？ 单缝衍射测量波长欠精确 a越小，条纹间隔宽，条纹亮度弱 a越大，亮度增加，条纹间距越小,条纹间距宽，亮，窄,条纹间距宽： a 小 亮度要增加： ？,增加缝的数目 衍射光栅,衍射光栅：由大量等间距、等宽度的平行狭缝 所组成的光学元件。 周期性空间结构: 晶体，苍蝇的复眼,1）透射光栅： 透明板（玻璃）刻上大量不透光的刻痕，透射光衍射 2）反射光栅： 不透明光滑的平面（金属）上刻上大量平行槽（剖面具有一定形状），反射光衍射。CD,光栅常数：缝宽b+刻痕b 数量级为10-510-6m 1cm几千-几万条缝,(b+b) sin相邻两缝对

2、应光线的光程差,明条纹位置满足： 光栅方程/光栅公式 (b+b)sin =k k=0,1, 2, 3 ,(b+b)sin =k k=0,1, 2, 3 ,相邻主明纹之间的距离,主明纹间距近似与波长成正比，与光栅常数成反比,白色光入射，衍射光谱 中央：白色条纹；各级光谱（紫-红）对称分布,若衍射角很小,(b+b)sin =k k=0,1, 2, 3 ,单色平行光倾斜射到光栅,相邻两缝的入射光在入射到光栅前已有光程差(b+b)sin0,(b+b)(sin sin0 )=k k=0,1, 2, 3 ,光栅衍射是单缝衍射和缝间光线多光束干涉两种效应的叠加。亮纹的位置决定于缝间光线干涉,单缝对光强分布的

3、影响,缺级现象,b sin =k,k=1, 2, ,缺级时衍射角同时满足：,(b+b)sin =k,k=1, 2, ,即： k =(b+b) /b k,k 就是所缺的级次,缺级 由于单缝衍射的影响，在应该出现亮纹的地方，不再出现亮纹,缝间光束干 涉极大条件,单缝衍射极小条件,k=1,k=2,k=0,k=4,k=5,k=-1,k=-2,k=-4,k=-5,k=3,k=-3,k=6,缺 级,k=-6,例 波长为6000的单色光垂直入射在一光栅上，第二级明纹出现在sin2=0.2处，第4级为第一个缺级。求(1)光栅上相邻两缝的距离是多少？(2)狭缝可能的最小宽度是多少？ (3)按上述选定的b、b值，

4、实际上能观察到的全部明纹数是多少？,解: (1),在-900sin900范围内可观察到的明纹级数为 k=0,1, 2, 3, 5, 6, 7, 9,共15条明纹,例一束平行光垂直入射到某个光栅上，该光束有两种波长1=4400，2=6600。实验发现，两种波长的谱线(不计中央明纹)第二次重合于衍射角 = 600 的方向上，求此光栅的光栅常数d。,解：,第二次重合k1=6，k2=4,6 X射线的衍射,1895年伦琴发现X 射线。 X 射线是波长很短的电磁波。,X 射线的波长： 0.01 10nm,X 射线衍射-劳厄实验,根据劳厄斑点的分布可算出晶面间距，掌握晶体点阵结构。,晶体可看作三维 立体光栅

5、。,1913 布喇格父子(W.H.Bragg, W.L.Bragg)对伦琴射线衍射的研究：晶体中点阵平面簇的相干反射,光程差 :,干涉加强条件（布喇格公式）：,讨论：,1. 如果晶格常数已知，可以用来测定X射线的波长，进行伦琴射线的光谱分析。 2. 如果X 射线的波长已知，可以用来测定晶体的晶格常数，进行晶体的结构分析。,符合上述条件时，各层晶面的反射线干涉后将相互加强。,三、光的偏振 Polarization,1 光的偏振 /polarization,偏振: 波的振动方向相对传播方向的不对称性：横波/纵波的区别。,纵波：波的振动对传播方向具有对称性 横波: 波的振动方向相对传播方向不具有对称

6、性。振动面EOV,线偏振光 linearly polarized light 完全偏振光、平面偏振光,光波的光矢量方向始终不变，只沿一个固定方向振动。,光的偏振态: 光矢量在与光传播方向垂直的平面内的振动状态。,自然光 natural light, unpolarized light,无限多/振动方向任意/相位关系任意的光振动组合 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。,普通光源光辐射：振动方向、相位随机性。 对传播方向具有轴对称性,部分偏振光 partially polarized light,部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、不等幅的、不相干的线偏振光

7、。,部分偏振光的表示法：,晴朗天空散射光：部分偏振。 与入射光垂直方向：线偏振。 平行方向：自然光,2 偏振片/Polarizer,起偏：将自然光（或非偏振光）某一方向的光振动完全消去，变成线偏振光的过程。 起偏器 polaroid，某些晶体具有选择吸收功能，偏振片,将待检查的入射光垂直入射偏振片，缓慢转动偏振片，观察光强的变化（？），确定光的偏振性。 检偏器: analyzer,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化,.,.,.,.,.,起偏器,检

8、偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化,魔法,部分偏振光？,3 马吕斯定律/Malus Law,-线偏振光的振动方向与检偏器的透振方向间的夹角。,线偏振光(光强I0) ，透过检偏器后，透射光的光强I为,4 反射和折射光的偏振/polarization by reflection,（各向同性媒质

9、）分界面的反射和折射过程会使入射自然光产生一定程度的偏振化,马吕斯1808窗前发现,偏振太阳镜,如何鉴别偏振太阳镜？,拆了！镜片叠起来,LCD液晶显示屏，竖直极化,透振方向：竖直，吸收水平方向偏振光 此外：减少无偏光光强的50%。,太阳光入射到水面产生强反射光，眩光 glare 偏振性强：水平方向振动较强，,空气，玻璃1.5，起偏角=56,反射仅占入射总能量的7.4%，为了获得强度较大的线偏振光，采用玻片堆的办法。 一束自然光以起偏角56.30入射到20层平板玻璃上,最后获得两束振动面互相垂直的线偏振光,双折射现象,对于各向异性晶体，一束光射入晶体后，可以观察到有两束折射光的现象。,寻常光线(

10、o光) -遵守折射定律,非常光线(e光) -不遵守折射定律,o光和e光都是线偏振光：制作偏振片,5 光的双折射,光,光,当方解石晶体旋转时 o光不动，e光围绕o光旋转,双 折 射,纸面,方解石 晶体,光,光,双 折 射,当方解石晶体旋转时 o光不动，e光围绕o光旋转,纸面,方解石 晶体,光,光,当方解石晶体旋转时 o光不动，e光围绕o光旋转,双 折 射,纸面,光,光,当方解石晶体旋转时 o光不动，e光围绕o光旋转,双 折 射,纸面,晶体的光轴与光线的主平面,光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射，该方向称为晶体的光轴。,“光轴”是一特殊的“方向”,不是指一条直线。 凡平行于此方向的直线均为

11、光轴。,单轴晶体：只有一个光轴的晶体:石英，红宝石，蓝宝石，冰,主平面：晶体中某条光线与晶体光轴构成的平面。,o光的振动面垂直于o光的主平面,e光的振动面在e光的主平面内,惠更斯：非常光线在各个方向上的传播速度不相同，旋转椭球面。寻常光线则各个方向传播速度相同。二者在光轴方向上速度相等。,两种影像：利用两个角度稍微不同的摄影机，藉由不同偏振方向的光线呈现在屏幕上面。 立体眼镜是由两块不同的偏振片所组成，两眼分别接受不同光线，产生视觉上的错觉。,立体电影,之所以能分辨远近，靠两只眼睛。两眼分开约5公分，两眼的角度不会相同。经视网膜传到大脑里，产生远近的深度，从而产生立体感。一只眼睛虽然能看到物体

12、，但对物体远近的距离却不易分辨。,6 旋光现象,线偏振光通过某些透明物质时，线偏振光的振动面将旋转一定的角度，这种现象称为振动面的旋转，也称旋光现象。石英晶体，糖溶液，松节油，酒石酸溶液,未放置C，P2后视场黑暗 放置C后，旋转P2一定角度，视场又变黑暗,1、不同的旋光物质可以使线偏振光的振动面 向不同方向旋转。,右旋物质 左旋物质,2、波长给定，与旋光物质的厚度l成正比。,3、偏振光通过糖溶液、松节油时，振动面的旋转角,4 与波长的平方近似成反比 白色偏振光通过1毫米的石英晶体，红光和紫光旋光度分别是15度和50度。,量糖计,右旋/左旋物质：物质结构 石英两种变体，外形完全相同，旋光异构体

13、天然氯霉素：左旋 人工合成合霉素，左右旋各半，左旋有疗效 生物物质具有旋光性：葡萄糖右旋，不同氨基酸/DNA也都有左右旋的不同。 生物蛋白质基本由左旋氨基酸构成。是生命力体现。 生命与分子的左右不对称性（手性）关系密切 生物分子的手性起源：悬案,波动光学： 光程差 干涉：杨氏/薄膜/劈尖，半波损失 衍射： 单缝衍射：将最大光程差分成k个半波长。相邻半波带，干涉抵消。 衍射光栅：相邻狭缝之间进行干涉，单个狭缝进行单缝衍射。 偏振：三种偏振态，起偏和检偏，光强的变化，典型的偏振现象,双缝干涉实验：波长0.55微米，狭缝间距3.3毫米，狭缝与屏距离3米。1）计算干涉条纹间距。2）下面狭缝放一厚度0.01毫米的玻璃片（折射率n），试确定条纹位移的方向，给出位移关系公式。 2. 一平面透射光栅，一厘米内1000条纹。0.5微米的单色光