医用物理课件：8第十二章 波动光学

1、光波是电磁波。在电磁波谱中，可见光所占区域很小， 波长范围约为400760nm。,红外光(波长760-5105nm) 紫外光(波长5400nm)所占区域较大。,光具有波动性和粒子性这两重性质，即 具有波粒二象性(wave-particle duality ),波动性主要体现于干涉、衍射、偏振等现象,第十二章 波动光学,波动光学首先是由C惠更斯在1690年提出来的，是光学中非常重要的组成部分，内容包括光的干涉、光的衍射、光的偏振等。无论理论上还是应用上都在物理学中占有重要地位,1,第一节 光的干涉,一、光的相干性：,1. 相干波：(p199),2. 普通光源发光的特点：,间歇性(108s)、随机

2、性,是大量原子或分子单独进行的,光波是彼此独立、互不相关的;,同一原子先后发出的光两波列之间其相位差也不是固定的；,人们能观察到的只是平均的光强度,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.,2,3.相干波(光)的获得,(1)、从同一普通光源获得相干光源：,将同一光源同一点发出的光分成两束，使它们沿着两个路径传播，然后再使这两束光相遇，从而满足了相干要求，产生光的干涉.,分割波阵面法（双缝干涉、洛埃镜）,分割振幅法（薄膜干涉）,3,分割波阵面法（双缝干涉、洛埃镜）,(2)、 特殊光源获得相干光源（如激光）；,二、杨氏双缝干涉实验

3、：,英国、托马斯.杨、(1801）,将同一光源同一点发出的光分成两束，使它们沿着两个路径传播，然后再使这两束光相遇，从而满足了相干要求，产生光的干涉.,托马斯杨的光干涉试验 -牛顿也不是永远都对。牛顿曾认为光是由微粒组成的，而不是一种波。1830年英国医生也是物理学家的托马斯杨向这个观点挑战。他在百叶窗上开了一个小洞，然后用厚纸片盖住，再在纸片上戳一个很小的洞。让光线透过，并用一面镜子反射透过的光线。然后他用一个厚约130英寸的纸片把这束光从中间分成两束。结果看到了相交的光线和阴影。这说明两束光线可以像波一样相互干涉。这个试验为一个世纪后量子学说的创立起到了至关重要的作用。,4,1、干涉装置（

4、S/S1/S2且SS1=SS2，dD）及干涉图样,英国、托马斯.杨、(1801）,5,S1, S2 , 到P点的波程差为,2、干涉条纹的分布规律：,r1,r2,6,干涉理论:,O1,O2,P,x1,x2,相差,=k,=（2k-1)/2,(加强),(减弱),7,由波的干涉理论可得:,1) =,k (加强) 明纹 k=0，1，2，,（2k-1)/2（减弱）暗纹 k=1，2，,2) x=,（明纹）,（暗纹）,8,中央明纹,一级明纹,一级明纹,一级暗纹,一级暗纹,二级暗纹,二级暗纹,2) x=,3)条纹间距：,（明纹）,（暗纹）,9,中央明纹,一级明纹,一级明纹,一级暗纹,一级暗纹,二级暗纹,二级暗纹

5、,x,明纹间距,同理: 暗条纹间距,10,0,11,4).杨氏双缝干涉条纹特点,a).干涉条纹是等距分布,.是以中央明纹为中心的、对称的、明暗相间的干涉条纹,单色光入射时 若己知D. d 的值,测出 k 级条纹相应的x，可计算出单色光波长,c).D. d 一定时 间距与波长成正比,b).以白光入射时，只有中央条纹是白色的，其他各级都是由波长不同而由紫到红的彩色条纹。,12,(1) d, D 一定时，若 变化, 则 x 将怎样变化？,D,13,(2) 一定时,间距d 与 的关系如何？,D,14,例1 在杨氏双缝干涉实验中，用波长=589.3 nm的纳灯作光源，屏幕距双缝的距离D=800 mm，问

6、： (1)当双缝间距mm 时，两相邻明条纹中心间距是多少？ (2)假设双缝间距10 mm，两相邻明条纹中心间距又是多少？,15,解,(1) d=1 mm时,(2) d=10 mm时,已知,=589.3 nm,D=800 mm,求,(1) d=1 mm时,(2) d=10 mm时,缝宽对干涉条纹的影响 空间相干性,实验观察到，随缝宽的增大，干涉条纹变模糊，最后消失,16,例2 以单色光照射到相距为0.2 mm的双缝上，双缝与屏幕的垂直距离为1 m. (1)从第一级明纹到同侧的第四级明纹间的距离为7.5 mm，求单色光的波长； (2)若入射光的波长为600 nm,中央明纹中心距离最邻近的暗纹中心的

7、距离是多少？,x1-4,17,解,(1),(2),已知,求,(2),18,光程：光在媒质中的几何路程长度r与媒质的 折射率n 的乘积 nr。,光程差：光程之差。,设单色光频率为真空中波长为速度为c，在折射率为n 的介质中传播:,传播速度为u=c/n，波长为/=uT=u/ =c/(n ) = /n 。,在介质中传播的几何距离为r时，则对应的相位变化为：,不仅与r及真空中的波长有关, 还与介质的折射率n有关。,三、光程与光程差：,当 一定时，光在折射率n为的介质中 传播时，其波长/为真空中波长的1/n。,19,光程是一个折合量,在传播时间相同或相位改变相同的条件下,把光在介质中传播的路程折合为光在

8、真空中传播的相应路程.在数值上,光程等于介质折射率乘以光在介质中传播的路程.,光程：光在媒质中的几何路程长度r与媒质的 折射率n 的乘积 nr。,光程差：光程之差。,20,1) 在真空中:光程(波程)差 0=BP AP=0,从光源A与B发出的同相位的两束相干光波 BP=AP=r,2) 从光源A与P发出的同相位的两束相干光波其中一束经过空气，而另一束还经过厚度l 为折射率为n 的介质:,光程差不再等于0,光程差为,21,例1：若双缝实验中，在S2后加一厚度为L、折射率为n的透明薄片，求（1）P点的光程差；（2）加上透明薄片后干涉条纹的变化。,例13-1：P201,22,23,光的衍射现象,光在传

9、播过程中若遇到尺寸比光的波长大得不多的障碍物时，光会传到障碍物的阴影区并形成明暗变化的光强分布的现象,第二节 光的衍射,24,菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射,一、概述:,25,（af）,2、透镜的等光程性：平行光通过透镜会聚时，平行光同一波阵面上的各点到会聚点的光程相等。,AB上各点为同相点，AC上各点到P的光程相等； AB上各点到P的最大光程差为BC。,1、衍射装置：,二、夫琅禾费单缝衍射：,26,27,3、衍射条纹的分布:,（1）当=0时，,中央明纹,（2）当0时，,半波带法：等分BC，等分AB。,（k=1，2，） （暗纹）,是在中央明纹的两旁首先出现的暗纹,28,一 半波带法,29,干涉相消(

10、暗纹),干涉加强(明纹),（介于明暗之间）,中央明纹中心,30,（k=1，2，） （明纹）,中央明纹半角宽度,中央明纹宽度,第一级明纹的光强度不及中央明纹的百分之五，第二级明纹的光强度更小, 所以单缝衍射的光强度主要集中在中央明纹区域,31,4、特点：,中央明纹宽度,1) 中央明纹宽度正比于波长，反比于缝宽.,a越小，各级明暗纹所对应的衍射角越大，衍射越明显。反之亦然,无法观察衍射现象。,3)不同波长的光衍射条纹位置不同，各色明纹将形成彩色带(内紫外红)-衍射光谱,2) a,32,单缝宽度变化，中央明纹宽度如何变化？,33,入射波长变化，衍射效应如何变化？,越大， 越大，衍射效应越明显.,34

11、,三、圆孔衍射：,1、衍射图样：中间为圆形亮斑艾里斑（光强占过圆孔总光强的84%），亮斑周围为明暗相间的圆环。,2、中央亮斑半角宽度,D为圆孔直径，,圆孔越小，衍射越显著。,3、中央亮斑半角宽度,35,（1）光栅衍射：相当于衍射与干涉的总和，每条狭缝都有衍射，各条狭缝之间又有干涉。,（2）光栅方程：,相邻两缝的光程差为,（k=0，1，2，）明纹,1、光栅：,（2）光栅常数：a+b。其中a为透光的狭缝宽度，b为狭缝间不透光部分的宽度。,（1）定义：,2、光栅衍射：,四、衍射光栅：,光栅常数：,36,（3）缺级现象:,（4）特点：,B、（a+b)一定，光栅的缝数越多，明纹越明亮，越细窄。,A、光栅

12、常数越小，衍射条纹分得越开。,C、与有关：若白光入射，中（白）、边（紫红），形成衍射光谱。,3、衍射光谱：,37,光栅中狭缝条数越多，明纹越细.,(a)1条缝,(d)5条缝,38,入射光为白光时，形成彩色光谱.,三 衍射光谱,39,美国物理学家、诺贝尔物理学奖得主理查德费曼指出： 没有人能够令人满意地定义干涉和衍射的区别。这只是术语用途的问题，其实二者在物理上并没有什么特别的、重要的区别。 他还提到，如果只有少数的波源（例如两个的时候），我们称这现象为“干涉”，例如我们称杨氏双缝实验实验中双缝所产生的两束光源产生了干涉现象。而当大量波源存在时，对应的过程被称作是“衍射”。在实际情况中，衍射和干

13、涉往往是同时出现的。有文献这样总结：干涉是有限多个波束“相加”的结果，而衍射则是无限多个波束“积分”的结果。,在双缝实验中，干涉和衍射是同时发生的。,40,（光的偏振体现了光的横波的特性）,第三节、光的偏振,一、自然光和偏振光：,1、自然光：在与光的传播方向垂直的平面内，光矢量的振动方向在各个方向上出现的几率相同，大小也相同，这样的光为自然光。,2、偏振光：在与光的传播方向垂直的平面内，光矢量的振动方向不是均匀分布，而是： （1）只局限在一个固定的方向，这样的光为完全偏振光（线偏振光）。 （2）在某一方向，占优势，这样的光为部分偏振光。,41,3、自然光和偏振光的图示法：,（1）偏振光的图示：

14、,（2）自然光的图示：,自然光的可以用两束振动方向垂直的（两束偏振光振动方向根据需要选取）、大小相等偏振光代替。,自然光的图示,振动面：完全偏振光的振动方向与传播方向构成的平面。,偏振面：完全偏振光的振动方向的垂直方向与传播方向构成的平面。,42,二、起偏、检偏、马吕斯定律：,（1）偏振器（偏振片）：某些晶体对不同方向的光振动的吸收有选择性，对某一方向的光振动完全吸收，而对其垂直方向的光振动完全不吸收，从而可以获得或检验偏振光。,（2）透光轴（偏振化方向）：偏振片允许通过的光振动方向。（偏振片上用符号“ ” 标记。）,（3）起偏：从自然光中获得偏振光的过程。偏振片为起偏器。,检偏：检验一束光是

15、否为偏振光的过程。偏振片为检偏器。,1、基本概念：,43,马吕斯定律：当光强为I0偏振光通过偏振化方向与光振动方向的夹角为的偏振片时，偏振光的光强变为I0cos2。,2、马吕斯定律（完全偏振光）：,光的强度与光的振幅的平方成正比。,44,检 偏,45,若以自然光通过偏振片，则光强减半。,3、偏振度P：,P=0 自然光,P=1 线偏振光,0P1 部分偏振光,46,七、偏振光的应用旋光性：,1、基本概念：,2、旋光率:,旋光率与物质性质、温度及光波波长有关。,（1）固体：,（2）溶液：,表示溶液在温度时对波长的光的旋光率,单位：旋光率常用度.cm3/g.dm作单位。则c的单位取g/cm3，L的单位

16、取dm，旋光角的单位取度。,如t=200C，采用钠光时，旋光率记为,47,不同波长的光通过同一旋光物质时，振动面旋转角度不同的现象。,（4）旋光率可正可负：为正（+）表示右旋，为负（-）表示左旋。（旋光率在药典中又称比旋率）,3、旋光色散：,（3）比较法 测溶液浓度：,A、若已知 ，L：测出，便可求出c,B、若未知 ：则用比较法求出c,在同样条件下，先测已知浓度co溶液的旋光角 0，再测未知浓度cx的同种溶液的旋光角 x。,48,（1）旋光计（偏振计）：利用旋光性测定溶液浓度的仪器。,以视野最暗为标准读数。,（2）为提高准确率，在起偏器中装半荫板或三荫板，以暗视野中明暗分界线消失为标准读数。,

17、4、旋光计（糖量计）：,49,（A的偏振化方向与视野左边偏振光的光振动方向垂直）,（设半荫板的旋光物质在右边）,（A的偏振化方向与视野右边偏振光的光振动方向垂直）,（A的偏振化方向 在视野左、右偏振光的光振动方向钝角夹角的角平分线上）,1,1) 测出T内盛有蒸馏水时,界面消失时1,50,0= 2 1,2,1,2) 测出T内盛己知浓度的液体时,界面消失时2,3) 测出T内盛有待测液时,界面消失时2/,X= 2 /1,51,第四节、光的吸收,1、单色光：单一波长成分的光。=0,一、光的颜色：,2、复色光：多种波长成分的光。,3、互补光：两种色光,若按一定比例混合后成为白光,这两种光为互补光。其颜色为互补色。,4、光学中三原色：红、绿、蓝。,波长宽度 单色性,获得单色光的方法,10 nm,0.1 nm,10-10 nm,52,1、光的吸收：物质对光的吸收。物质吸收光的程度不但与物质本身有关，而且与光的波长有关，即具有选择性。,2、物体的颜色：,体色：透明物体的颜色由其透射光的颜色决定。,表面色：不透明物体的颜色由其反射光的颜色决定。,物体吸收其互补色,二、物体的颜色,牛顿的棱镜分解太阳光,53,当光强为I 的平行单色光，通过厚度为L的物质后，光强按负指数规律下降。,吸收系数：与物质的性质有关，与光的波长有关,三、朗伯比尔定律,1、朗伯定律：,54,当溶液浓度