光学基础知识二

1、光学基础知识（二）,光的本性部分,光的粒子性,光的粒子说又称光的微粒说，这种理论认为光的本质与通过它反射而可见的实体物质一样，是一种粒子。（直线传播） 照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出。这个现象称为光电效应，这种电子称为光电子。光子像其他粒子一样具有能量。光电效应证实了光的粒子性。 光子说：在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量与频率成正比，即E=h（h=6.626*10-34 J.S，h为普朗克常量） 爱因斯坦光电效应方程：Ek=h-W（Ek是光电子的 最大初动能；W是逸出功，即从金属表面直接飞 出的光电子克服正电荷引力所做的功。）,光的波动性

2、-光的干涉,1678年惠更斯提出波动说 光的干涉：两列波在相遇的叠加区域，某些区域使得“振动”加强，出现亮条纹；某些区域使得振动减弱，出现暗条纹。振动加强和振动减弱的区域相互间隔，出现明暗相间条纹的现象。这种现象叫光的干涉现象。,产生稳定干涉的条件：两列波频率相同，振动方向相同，相位差恒定。两个振动情况总是相同的波源，即相干波源。,光的干涉-双缝干涉,双缝干涉：由同一光源发出的光经过两个细缝后形成两列光波叠加时会产生干涉。 两束光波的路程差为=r2-r1；即： 1 2 = 2 + 2 2 , 2 2 = 2 + + 2 2 考虑到ld和lx，可得=dx/l . 若光波长为， 1）亮纹：当=k，

3、(k=0,1,2）屏上某点到双缝的光程差等于波长的整数倍时，两束光叠加干涉加强，出现亮条纹； 2）暗纹：当=(2k-1) 2 ，(k=0,1,2）屏上某点 到双缝的光程差等于半波长的奇数倍时，两束光 叠加干涉减弱，出现暗条纹；,光的干涉-双缝干涉,相邻两条干涉条纹的间距 = ，即条纹间距与波长成正比，此公式可以测定单色光的波长： 若有n条亮(暗)条纹，条纹的距离为a，相邻两条亮条纹间距为 1 ， 则： = = 1 用单色光作双缝干涉实验时，屏的中央是亮纹，两边对称地排列明暗相同且间距相等的条纹。 用白光作双缝干涉实验时，由于白光内各种色光的波长不同，干涉条纹间距不同，所以屏的中央是白色亮纹，两

4、边出现彩色条纹，离中央白色亮纹最近的是紫色亮纹。,光的干涉-薄膜干涉,薄膜干涉：光照到薄膜上，由薄膜前、后表面反射的两列光波叠加而成。例如肥皂泡及水面上的油膜呈现的彩色花纹。薄膜可以是透明固体、液体或由两块玻璃所夹的气体薄层。 薄膜干涉应用：肥皂膜干涉、两片玻璃间的空气膜干涉、浮在水面上的油膜干涉、牛顿环等。 薄膜干涉有两种典型的形式：等倾干涉与等厚干涉。,等倾干涉,薄膜此时是平行的、均匀的，光线以倾角i入射，上下两条反射光线经过透镜作用汇聚一起，形成干涉。 由于入射角相同的光经薄膜两表面反射形成的反射光在相遇点有相同的光程差，也就是说，凡入射角相同的就形成同一条纹，故这些倾斜度不同的光束经薄

5、膜反射所形成的干涉花样是一些明暗相间的同心圆环 当光程差为波长整数倍时，形成亮条纹； 当光程差为半波长奇数倍时，形成暗条纹。 等倾条纹是内疏外密的同心圆环。 =2 2 2 1 2 sin 2 ,等厚干涉,等厚干涉是由平行光入射到厚度变化均匀、折射率均匀的薄膜上、下表面而形成的干涉条纹薄膜厚度相同的地方形成同条干涉条纹，故称等厚干涉（牛顿环和劈尖干涉都属等厚干涉） 牛顿环：是由球面上和平面上反射的光线相互干涉而形成的干涉条纹。它的干涉条纹是内疏外密的同心圆环。 =2 2 2 1 2 sin 2 ，=0 =2hn2,等厚干涉,劈尖干涉 两板之间形成一层空气膜，用单色光从劈尖上向下照射，入射光从空气

6、膜的上下表面反射出两列光波，形成干涉条纹。劈形薄膜干涉可产生平行相间条纹。 如果被检测平面是光滑的，得到的干涉图样必是等距的；如果某处凹下去，则对应明纹（或暗纹）提前出现，如图乙所示；如果某处凸起来，则对应条纹延后出现，如图丙所示。 两列反射波的路程差，等于薄膜厚度h的两倍，即=2h。由于膜上各处厚度不同，故各处两列反射波的路程差不等。若：=2h=k(k=1,2)则出现明纹； =2h=(2k-1)/2(k=1,2)则出现暗纹。,光的干涉,注意：干涉条纹出现在被照射面(即前表面)。后表面是光的折射所造成的色散现象。单色光出现明暗相间条纹，彩色光出现彩色条纹。 透镜增透膜(氟化镁)：透镜增透膜的厚

7、度应是透射光在薄膜中波长的1/4倍。使薄膜前后两面的反射光的光程差为半个波长，(T=2d=，得d=)，故反射光叠加后减弱。大大减少了光的反射损失，增强了透射光的强度，这种薄膜叫增透膜。光谱中央部分的绿光对人的视觉最敏感，通过时完全抵消，边缘的红、紫光没有显著削弱。所有增透膜的光学镜头呈现淡紫色。 从能量的角度分析E入=E反+E透+E吸。在介质膜吸收能量不变的前提下，若E反=0，则E透最大。增强透射光的强度。,光的干涉,注意：由于发光物质的特殊性，任何独立的光源发出的两列光叠加均不能产生干涉现象。只有采用特殊方法从同一光源分离出的两列光叠加才能产生干涉现象。 形成相干波源的方法有两种：利用激光（

8、因为激光发出的是单色性极好的光）。设法将同一束光分为两束（这样两束光都来源于同一个光源，因此频率必然相等）。 光的波长、波速和频率的关系：vf。光在不同介质中传播时，其频率 f 不变，其波长 与光在介质中的波速 v 成正比。色光的颜色由频率 f 决定，频率 f 不变则色光的颜色也不变。 普通干涉仪对空气扰动、地面震动等外界干扰相当敏感,光的干涉,干涉仪对环境中的振动噪声敏感，因为振动噪声将使得两相干光的光程差随机变化，探测器获得的干涉条纹出现抖动，变得模糊，条纹的对比度降低。 环境中的振动噪声主要有通过地表传播的机械振动和空气流动。空气流动会使局部区域内空气密度不均匀，改变测量波的波前，带来误

9、差。为减小空气流动引起的误差，要求干涉仪放在密闭恒温室空间内，在仪器进行高精度测量前，需要等待一段时间，以使内部的温度平衡和气流平衡，以减小因温差和人活动带来的气流运动。测试时室内人员不易过多，且不能走动，最好是人员事先对干涉仪进行设置然后离开实验室，让干涉仪稳定后自动进行测量，因为人的呼吸和体温都会带来空气流动。为减小机械振动带来的误差，要求将干涉仪放在混凝土浇注的地基上，并使用有防震垫的工作台(光学平台、大理石平台、气浮垫)，这样会大大衰减大幅的震动。,光的衍射,光的衍射：光在传播路径中，遇到不透明或透明的障碍物或者小孔（窄缝），绕过障碍物，产生偏离直线传播的现象称为光的衍射。衍射时产生的

10、明暗条纹或光环，叫衍射图样。 产生明显衍射的条件：障碍物(或孔)的尺寸可以跟波长相比，甚至比波长还要小时。（当障碍物或孔的尺寸小于0.5mm时，有明显衍射现象。） 由于光的波长很短，只有十分之几微米，通常物体都比它大得多，但是当光射向一个针孔、一条狭缝、一根细丝时，可以清楚地看到光的衍射。用单色光照射时效果好一些，如果用复色光，则看到的衍射图案是彩色的。,光的衍射,单缝衍射：中央明而亮的条纹，两侧对称排列强度减弱，间距变窄的条纹。 圆孔衍射：明暗相间不等距的圆环，（与牛顿环有区别的）。 泊松亮斑：当光照到不透光的极小圆板上时，在圆板的阴影中心出现的亮斑。当形成泊松亮斑时，圆板阴影的边缘是模糊的

11、，在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环。,光的衍射,光的干涉条纹和衍射条纹都是光波叠加的结果，但存在明显的区别：单色光的衍射条纹与干涉条纹都是明暗相间分布，但衍射条纹中间亮纹最宽，两侧条纹逐渐变窄变暗，干涉条纹则是等间距，明暗亮度相同。白光的衍射条纹与干涉条纹都是彩色的。 光的干涉和光的衍射说明了光是一种波。,光的衍射,意义： 干涉和衍射现象是波的特征：证明光具有波动性。大，干涉和衍射现明显，越容易观察到现象。 衍射现象表明光沿直线传播只是近似规律，当光波长比障碍物小得多和情况下(条件)光才可以看作直线传播。(反之) 在发生明显衍射的条件下，当窄缝变窄时，亮斑的范围变大；当窄缝变宽时，亮斑的范

12、围变小。 光的直进是几何光学的基础，光的衍射现象并没有完全否认光的直进，而是指出光的传播规律受一定条件制约的，任何物理规律都受一定条件限制。(光学显微镜能放大2000倍，无法再放大，再放大衍射现象明显了。),光的偏振,光的偏振：振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志。 根据波是否具有偏振现象来判断波是否横波，实验表明，光具有偏振现象，说明光波是横波。 横波：质点的振动方向与波的传播方向垂直。 纵波：质点的振动方向与传播方向同轴的波。,光的偏振,（1）自然光。太阳、电灯等普通光源直接发出的光，包含垂直于传播方向上沿一切方向振动的光， 而且沿各个方向振动的光波的强度都相同，这种光叫自然光。自然光通过偏振片后成形偏振光。 （2）偏振光。自然光通过偏振片后，在垂直于传播方向的平面上，只沿一个特定的方向振动，叫偏 振光。自然光射到两种介质的界面上，如果光的入射方向合适，使反射和折射光之间的夹角恰好是90，这时，反射光和折射光就都是偏振光，且它们的偏振方向互相垂直。我们通常看到的绝大