第十二章波动光学最新版应用物理课件.ppt

1、第一节相干光第一节相干光一、普通光源的发光特点一、普通光源的发光特点 hE 原子能级及发光跃迁原子能级及发光跃迁基态基态激发态激发态nE跃迁跃迁自发辐射自发辐射这一跃迁过程所经历的时间很短，约为这一跃迁过程所经历的时间很短，约为1010-8-8s s。P21s1010:108t 一个原子每一次发光只能发出一段长度有限、一个原子每一次发光只能发出一段长度有限、频率一定和振动方向一定的光波，这一段光称为一频率一定和振动方向一定的光波，这一段光称为一个波列。个波列。波列波列普通光源发光特点：普通光源发光特点：各原子或分子所发出的光，即使频率相同，但各原子或分子所发出的光，即使频率相同，但振动方向和相

2、位却是不相同的。振动方向和相位却是不相同的。二、相干光的获得二、相干光的获得 这种将一个点光源的波面分割为两束光，以获这种将一个点光源的波面分割为两束光，以获得相干光的方法称为波面分割法。得相干光的方法称为波面分割法。*光源光源1s2s1.1.波面分割法波面分割法 这种利用界面的反射和折射，将光矢量的振幅分这种利用界面的反射和折射，将光矢量的振幅分为两部分，以获得相干光的方法称为振幅分割法。为两部分，以获得相干光的方法称为振幅分割法。2.2.振幅分割法振幅分割法sintanx DxdDsin12drrr波程差波程差p1s2ssxooB实实 验验 装装 置置d1r2rDdDr第二节杨氏双缝干涉第

3、二节杨氏双缝干涉减弱减弱2)12(kkxrdD 加强加强,2,1,0k暗纹暗纹(21)2DkdDkdx明纹明纹,2,1,0k条纹间距条纹间距 Dxd条纹间距条纹间距 Dxd1 1 条纹间距条纹间距 与与 的关系的关系;d D、一定时，一定时，x 当采用白光照射时，只有中央明纹是白色的当采用白光照射时，只有中央明纹是白色的(当当x x=0=0，对任一波长的光均是明条纹中心对任一波长的光均是明条纹中心)，其，其余各级明条纹呈现由紫到红的彩色条纹。余各级明条纹呈现由紫到红的彩色条纹。2 2 条纹间距条纹间距 与与 的关系的关系;xd一定时，一定时，D、1xd讨论讨论 一定时，若一定时，若 变化，则变

4、化，则 将怎样变化？将怎样变化？d D、x1）2）条纹间距条纹间距 与与 的关系如何？的关系如何？xd 一定时，一定时，D、nn 如果光波在介质中传播的几何路程为如果光波在介质中传播的几何路程为L L，则相则相位的变化为位的变化为 nL2nL2第三节光程第三节光程 光程差光程差 一、光程一、光程光在介质光在介质中的波长中的波长光在真空光在真空中的波长中的波长 当光在介质中传播时，把折射率当光在介质中传播时，把折射率n n和几何路程和几何路程L L的乘积称为光程。的乘积称为光程。物理意义：物理意义：把单色光在介质传播的路程，折合把单色光在介质传播的路程，折合成该单色光在真空中传播的路程。成该单色

5、光在真空中传播的路程。二、光程差和相位差二、光程差和相位差 从同一点光源发出的两束相干光，各自通过不从同一点光源发出的两束相干光，各自通过不同的介质和路径后，在空间某点相遇时，它们的光同的介质和路径后，在空间某点相遇时，它们的光程之差称为光程差，用程之差称为光程差，用表示。表示。2光程差光程差与相位差与相位差 的关系为的关系为 ：,2,1,0,kk2 k 干涉加强干涉加强 干涉减弱干涉减弱,2,1,0,2)12(kk(21)k 三、半波损失三、半波损失 半波损失半波损失 ：光从光速较大的介质射向光速较小的：光从光速较大的介质射向光速较小的介质时反射光的相位较之入射光的相位跃变了介质时反射光的相

6、位较之入射光的相位跃变了 ，相，相当于反射光与入射光之间附加了半个波长的波程差，称当于反射光与入射光之间附加了半个波长的波程差，称为半波损失。为半波损失。第四节薄膜干涉第四节薄膜干涉 一、劈形膜一、劈形膜 SMDTL劈尖角劈尖角b1n1nne1nn22ne,2,1,kk明纹明纹,1,0,2)12(kk暗纹暗纹干涉条件为干涉条件为 nL2sin1 1 在劈形膜棱边处在劈形膜棱边处,e=e=0 02因而形成暗纹。因而形成暗纹。2 2 相邻两条明纹相邻两条明纹(或暗纹或暗纹)在劈形膜表面的距离。在劈形膜表面的距离。knek)1(221knek22neeekk21nLsin2Le讨论讨论 3 3、干涉

7、条纹的移动、干涉条纹的移动 每一条纹每一条纹对应劈尖内的对应劈尖内的一个厚度，当一个厚度，当此厚度位置改此厚度位置改变时，对应的变时，对应的条纹随之移动。条纹随之移动。2G1GDFtanhDnLDh2空气的折射率空气的折射率 1n1 1）用劈形膜干涉测量薄片厚度）用劈形膜干涉测量薄片厚度 应用：应用：2)2)比较两个块规比较两个块规 2DhnL空气的折射率空气的折射率 1nDhAS 3 3）检验光学元件表面的平整度）检验光学元件表面的平整度2ahbhba二、牛顿环二、牛顿环 牛顿环干涉图样牛顿环干涉图样显微镜显微镜SLRre M半半透半透半反镜反镜T2222()2rRR eeR e20Ree2

8、2e光程差光程差22rR),2,1(kk明纹明纹),1,0()21(kk暗纹暗纹Rre21()2krRkRr 暗环半径暗环半径明环半径明环半径1)1)利用牛顿环检查透镜质量利用牛顿环检查透镜质量 应用：应用：LG样板样板 待测凸透镜待测凸透镜 光圈的圈数越多，说明透镜与样板的差异越大；光圈的圈数越多，说明透镜与样板的差异越大；光圈的圈数越少，说明透镜与样板的差异越小。光圈的圈数越少，说明透镜与样板的差异越小。2 2）在实验室中，常用牛顿环测定光波的波长或凸）在实验室中，常用牛顿环测定光波的波长或凸透镜的曲率透镜的曲率。第五节光的衍射第五节光的衍射 一、光的衍射现象一、光的衍射现象 当光通过较宽

9、的狭缝时，在屏幕上映出单缝像，呈现当光通过较宽的狭缝时，在屏幕上映出单缝像，呈现为一宽带。这时可认为光是沿直线传播的。如果缩小单缝为一宽带。这时可认为光是沿直线传播的。如果缩小单缝的宽度，当缝宽小到可以与波长相比拟的宽度，当缝宽小到可以与波长相比拟(10(10-4-4m m数量级以下数量级以下)时，在屏幕上出现的亮带虽然亮度降低，但宽度反而增大，时，在屏幕上出现的亮带虽然亮度降低，但宽度反而增大，甚至有一小部分光偏折到亮带的两侧，呈现明暗相间的条甚至有一小部分光偏折到亮带的两侧，呈现明暗相间的条纹。这种现象称为光的衍射。纹。这种现象称为光的衍射。单缝衍射单缝衍射G*S二、惠更斯二、惠更斯 菲涅

10、尔原理菲涅尔原理SdSnrP 波前上每个点都可视为子波波源，空间中任一点的振波前上每个点都可视为子波波源，空间中任一点的振动，是所有这些子波波源发出的子波在该点的相干叠加。这动，是所有这些子波波源发出的子波在该点的相干叠加。这个发展了的惠更斯原理称为惠更斯个发展了的惠更斯原理称为惠更斯-菲涅耳原理。菲涅耳原理。单缝衍射的实验装置单缝衍射的实验装置 SL1L2E第六节夫琅禾费单缝衍射第六节夫琅禾费单缝衍射（衍射角（衍射角 ：向上为正，向下为负：向上为正，向下为负 ）O O点出现平行于单缝的明条纹，称为中央明纹。点出现平行于单缝的明条纹，称为中央明纹。衍射角衍射角aofLERABsinaPC中央明

11、中央明纹纹半波带法半波带法设设ACAC恰好等于单色光半波长的整数倍，即恰好等于单色光半波长的整数倍，即 sin2ak(k=1,2=1,2，)作彼此相距的平行于作彼此相距的平行于BCBC的平面，把的平面，把ACAC分成分成K K等等分，同时这些平面把单缝上的波面分，同时这些平面把单缝上的波面ABAB切割成切割成k k个波个波带。这些波带称为菲涅耳半周期带。带。这些波带称为菲涅耳半周期带。每个波带上、下边沿发出的两子波光线聚焦于每个波带上、下边沿发出的两子波光线聚焦于P P点时，它们的光程差恰好为半个波长。点时，它们的光程差恰好为半个波长。特点特点第七节夫琅禾费圆孔衍射第七节夫琅禾费圆孔衍射 一、

12、夫琅禾费圆孔衍射一、夫琅禾费圆孔衍射 sdfDLE2艾艾里里斑斑d理论计算可得，爱里斑对透镜光心的张角为理论计算可得，爱里斑对透镜光心的张角为:Dfd44.22二、光学仪器的分辨率二、光学仪器的分辨率（两光点刚好能分辨）（两光点刚好能分辨）1.22D最小分辨角最小分辨角光学仪器分辨率光学仪器分辨率11.22D1,D*1s2sf02dd 02ddff0.1 1990 年发射的哈勃年发射的哈勃太空望远镜的凹面物镜太空望远镜的凹面物镜的直径为的直径为2.4m，最小分最小分辨角辨角 ，在大气层，在大气层外外 615km 高空绕地运行高空绕地运行,可观察可观察130亿光年远的太亿光年远的太空深处空深处,

13、发现了发现了500 亿个亿个星系。星系。（1 1）人眼的最小分辨角；）人眼的最小分辨角；（2 2）若物体放在距人眼）若物体放在距人眼25cm（明视距离）处，则两物明视距离）处，则两物点间距为多大时才能被分辨？点间距为多大时才能被分辨？例例10-210-2 人眼的瞳孔直径为人眼的瞳孔直径为2 2 3 3mm，在明亮的环境中，在明亮的环境中，感觉最敏感的是黄绿光，波长为感觉最敏感的是黄绿光，波长为550nm，人眼中玻璃液的折人眼中玻璃液的折射率为射率为 。试求：试求：1.336n 解：解：（1 1）3102D设人眼瞳孔的直径取设人眼瞳孔的直径取 在玻璃液中光波波长在玻璃液中光波波长 660.555

14、 10m0.415 10 m1.336n 则人眼的最小分辨角则人眼的最小分辨角 631.22 0.415 101.222 10Drad=2.510-4rad 第八节光栅衍射第八节光栅衍射 一、光栅一、光栅 由许多平行等距的相同的单缝构成的光学元件由许多平行等距的相同的单缝构成的光学元件称为衍射光栅。称为衍射光栅。PoLEf衍射角衍射角光栅常数：光栅常数：461010 ma：透光部分的宽度：透光部分的宽度b：不透光部分的宽度：不透光部分的宽度abab光栅常数光栅常数衍射角衍射角()sinab二、光栅的衍射条纹二、光栅的衍射条纹 衍射角为衍射角为 的两相邻光束的光程差为的两相邻光束的光程差为 光栅

15、的衍射条纹是衍射和干涉的总效果光栅的衍射条纹是衍射和干涉的总效果()sinab 当此光程差等于入射波长的整数倍时当此光程差等于入射波长的整数倍时 ，任意两，任意两狭缝发出的沿衍射角为的光的光程差也等于入射光狭缝发出的沿衍射角为的光的光程差也等于入射光波长的整数倍，所以它们经过透镜波长的整数倍，所以它们经过透镜L L会聚后，在会聚后，在P P点点相互加强，形成明纹。相互加强，形成明纹。()sinabk光栅方程光栅方程 sinkkabmax,2a bkk 条纹最高级数条纹最高级数()sinab23230I 光强分布光强分布()sin abk讨论讨论三、衍射光谱三、衍射光谱入射光为白光时，入射光为白

16、光时，不同，不同，不同，按波长分开形成光谱。不同，按波长分开形成光谱。k()sin abk一级光谱一级光谱（k=1）二级光二级光谱谱(k=2)三级光谱三级光谱(k=3)一级光谱一级光谱（k=1）二级光二级光谱谱(k=2)三级光谱三级光谱(k3)=0(白色白色)第九节光的偏振第九节光的偏振 马吕斯定律马吕斯定律一、自然光一、自然光 偏振光偏振光 自然光自然光 ：一般光源发出的光中，包含着各个方向的光：一般光源发出的光中，包含着各个方向的光矢量在所有可能的方向上的振幅都相等（轴对称）这样的光矢量在所有可能的方向上的振幅都相等（轴对称）这样的光叫自然光。叫自然光。自然光以两互相垂直的互为独立自然光以

17、两互相垂直的互为独立的（无确定的相位关系）振幅相等的的（无确定的相位关系）振幅相等的光振动表示光振动表示,并各具有一半的振动能量并各具有一半的振动能量。符号表示符号表示vE注意注意 各光矢量间无固定的相位关系。各光矢量间无固定的相位关系。二二互相互相垂直方向是任选的垂直方向是任选的。部分偏振光：某一方向的光振动比与之垂直方向部分偏振光：某一方向的光振动比与之垂直方向上的光振动占优势的光为部分偏振光。上的光振动占优势的光为部分偏振光。符号表示符号表示 偏振光（线偏振光）偏振光（线偏振光）光振动只沿某一固定方向的光。光振动只沿某一固定方向的光。符号表示符号表示振动面振动面vE二、偏振片二、偏振片

18、起偏与检偏起偏与检偏 二向色性：某些物质能吸收某一方向的光振动二向色性：某些物质能吸收某一方向的光振动,而只让而只让与这个方向垂直的光振动通过与这个方向垂直的光振动通过,这种性质称二向色性。这种性质称二向色性。偏振片：偏振片：涂有二向色性材料的透明薄片。涂有二向色性材料的透明薄片。偏振化方向：当自然光照射在偏振片上时，它只让某一偏振化方向：当自然光照射在偏振片上时，它只让某一特定方向的光通过，这个方向叫此偏振片的偏振化方向。特定方向的光通过，这个方向叫此偏振片的偏振化方向。起起 偏偏021I偏振化方向偏振化方向0I起偏器起偏器检偏器检偏器 检检 偏偏起偏器起偏器三、马吕斯定律（三、马吕斯定律（

19、1880 年）年）NME0Ecos0EE 2020EEII检偏器检偏器起偏器起偏器0IIE0ENM20cosII 马吕斯定律马吕斯定律 强度为强度为 的偏振的偏振光通过检偏振器后光通过检偏振器后,出射光的强度为出射光的强度为0I20cosII 马吕斯定律马吕斯定律:3p1p0I0I1I3p2p1p2I3I2p3p1p0121II 212cosII 20cos2I 在两块正交偏振片在两块正交偏振片 之间插入另一块偏振之间插入另一块偏振片片 ，光强为，光强为 的自然光垂直入射于偏振片的自然光垂直入射于偏振片 ，讨论转，讨论转动动 透过透过 的光强的光强 与转角的关系。与转角的关系。I31p,p2p

20、2p3p0I1p讨论讨论第十节反射光和折射光的偏振第十节反射光和折射光的偏振 一、反射光和折射光的偏振一、反射光和折射光的偏振 i1ni玻璃玻璃2n自然自然光光部分偏部分偏振光振光部分偏部分偏振光振光1 1）反射光：部分偏振光，垂直于入射面的振动较强；）反射光：部分偏振光，垂直于入射面的振动较强；2 2）折射光：部分偏振光，平行于入射面的振动较强）折射光：部分偏振光，平行于入射面的振动较强。布儒斯特定律（布儒斯特定律（1812年）年）0i 当入射角当入射角 满足一定条件，即时，反射光成满足一定条件，即时，反射光成为完全偏振光，其光振动垂直入射面；折射光仍为为完全偏振光，其光振动垂直入射面；折射

21、光仍为部分偏振光。这一规律称为布儒斯特定律，称为布部分偏振光。这一规律称为布儒斯特定律，称为布儒斯特角或起偏振角。儒斯特角或起偏振角。0i0i1n0玻璃玻璃2n完全偏完全偏振光振光201tannin布儒斯特布儒斯特角角0i0i1n0玻璃玻璃2n1200sinsinnni02001sintan cosiniin折射定律折射定律布儒斯特定律布儒斯特定律00cossini200i1 1）反射光和折射光互相垂直。）反射光和折射光互相垂直。讨论讨论 2 2）当入射光从）当入射光从 介质向介质向 介质入射时，介质入射时，即即为其布儒斯特角。为其布儒斯特角。2n1n0201tannin102cotnin002i000cotcot(-)=tan2i即即102tannn0i1n002n玻璃玻璃0i0i1n1空气空气玻璃玻璃2n20 一自然光自空气射向一块平板玻璃，入射角为一自然光自空气射向一块平板玻璃，入射角为布儒斯特角布儒斯特角 ，问在界面，问在界面 2 2 的反射光是什么光？的反射光是什么光？0i讨论讨论0i 由于反射偏振光很弱由于反射偏振光很弱 ，大部分光被折射，所，大部分光被折射，所以一般应用玻璃片堆产生偏振光。以一般应用玻璃片堆产生偏振光。二、玻璃堆二、玻璃堆