《光学教程》期末总复习课件.ppt

1、光学教程光学教程总复习总复习第一章第一章 光的干涉光的干涉获得相干光的基本方法：获得相干光的基本方法：把光源的微小区域把光源的微小区域(点光源点光源)发出的光波设法分成两束或多束发出的光波设法分成两束或多束,然后然后再使他们重新相遇。（频率相同再使他们重新相遇。（频率相同,相位差恒定，相位差恒定，振动方向基本在一条直线上振动方向基本在一条直线上 ）补充条件：振幅、位相差不能相差太大。补充条件：振幅、位相差不能相差太大。光程 nrct 合振动的 光强)cos(212212221AAAAI21AA 222114cos2IA 极值条件位相条件程差条件12j2)12(j明纹暗纹2)2(j2)12(j明

2、纹暗纹)3,2,1,0(j 1S2SPOb1r2rdP00rdy二、空间相干性和时间相干性 空间相干性和时间相干性minmaxminmaxIIIIV时间相干性2maxL空间相干性临界宽度0drd双缝最大距离0maxdrd0Lc122122(/)1(/)AAAAS1d/2S2r0 r0光源光源d d0 0/2/2LMN0M0N0LI非非相相干干叠叠加加+1L 1N三、分波面干涉（双光束干涉）干涉花样:平行于狭缝、等间距、等强度的明暗相间条纹，中央为明条纹。),2,1,0(j 扬氏双缝干涉210drryry2)2(0drj2)12(0drj 明纹暗纹dry00rdy 1S2SPOb1r2rdP00

3、rdy四、分振幅干涉（双光束干涉）四、分振幅干涉（双光束干涉）干涉花样明暗相间的同心圆环，干涉条纹呈现在透镜的焦平面上。d0，条纹从中心向外长出，条纹变密；d0，条纹向中心陷落，条纹变疏。（有半波损失）等倾干涉22202112dsin2nni202(2dcos)2ni2)12(j2)2(j),2,1,0(j明纹暗纹等倾干涉等倾干涉On2d0SfP薄膜薄膜透镜透镜光源光源玻璃片玻璃片焦平面焦平面i iii k k干涉花样平行于棱的明暗相间条纹，有半波损失干涉花样平行于棱的明暗相间条纹，有半波损失时，棱处为暗纹。干涉条纹呈在劈尖表面上。角时，棱处为暗纹。干涉条纹呈在劈尖表面上。角度增加，条纹向棱边

4、移动，条纹变密；度增加，条纹向棱边移动，条纹变密；等厚干涉 d 2)12(j2)2(j),2,1,0(j明纹暗纹22dn 、不变，（垂直入射）2n01i222n d 为劈的顶角22nL（有半波损失）劈尖干涉花样 以接触点为圆心的一组明暗相间的同心圆环，中心（d=0）为暗斑。rRj2)12(jR),2,1,0(j明纹暗纹22d2n反射（有半波损失）(1,2,3)j 牛牛顿环顿环典型干涉设备典型干涉设备 迈克耳孙干涉仪迈克耳孙干涉仪 反射镜移动，或插入玻璃片引起的光程变化，条纹移动情况。反射镜移动，或插入玻璃片引起的光程变化，条纹移动情况。2dNNln)1(2SM1M2G1G2EM2a1a1a2a

5、2半透半反膜补偿板反反射射镜镜反射镜光源观测装置a450d若若M 2/M1 等倾条纹等倾条纹 若若M 2、M1有小夹角有小夹角 等厚条纹等厚条纹20224cosn di 相邻透射光束的位相差相邻透射光束的位相差 法布里珀罗干涉仪法布里珀罗干涉仪0.00.20.40.60.81.0=0.02=0.1=0.4=0.9A2/IA022460等振幅多光束干涉等振幅多光束干涉N个相干线光源干涉条纹示意图N=2N=3N=4N=10N 很大很大菲涅耳衍射菲涅耳衍射（近场衍射）：障碍物离光源和考察（近场衍射）：障碍物离光源和考察点距离都是有限远或其中之一的距离为有限远点距离都是有限远或其中之一的距离为有限远夫

6、琅和费衍射夫琅和费衍射（远场衍射）：光源和考察点到（远场衍射）：光源和考察点到障碍物的距离可以认为是无限远障碍物的距离可以认为是无限远一、衍射分类一、衍射分类hRhk22000()11()hkhkRRrRkr RrRR20hkRkr0hkRkr二、菲涅耳半波带菲涅耳衍射二、菲涅耳半波带菲涅耳衍射)(211kkaaA偶数)(211kkaaA)(211kkaaA最大奇数最小 1.对 P 点若 S 恰好分成 K 个半波带：)(21)(2111kkkaaAaa光强介于最大/最小间 2.对 P 点若 S 中含有不完整的半波带：3.若 不用光阑（Rhk）：ka0ka21aAhkRp 4.4.圆屏衍射圆屏衍

7、射-泊松点。泊松点。a00圆屏面积圆屏面积，ak+1k+1达达 P P 点的光愈强。点的光愈强。菲涅耳波带片菲涅耳波带片221kkkkkkAaAa 或 夫琅和费单缝衍射夫琅和费单缝衍射I0 x1x2衍射屏衍射屏透镜透镜观测屏观测屏 f 0 x 0 x 夫琅和费费多缝缝衍射亮纹亮纹()包络线为单缝衍射包络线为单缝衍射的光强分布图的光强分布图k=1k=2k=0k=4k=5k=-1k=-2k=-4k=-5k=3k=-3中中央央亮亮纹纹k=6k=-6三.几种衍射的情况表格（一）中央亮纹角中央亮纹角宽度宽度:次级暗纹角次级暗纹角宽度宽度平行于平行于狭缝的狭缝的明暗相明暗相间条纹间条纹,中央明中央明纹特别

8、纹特别亮亮,其其宽度为宽度为次极大次极大宽度的宽度的两倍两倍中央极大条件中央极大条件:次极大条件次极大条件:单缝衍射单缝衍射因子因子夫夫氏氏单单缝缝衍衍射射圆孔中圆孔中心轴上心轴上的光强的光强有强弱有强弱变化变化K K为偶数为偶数K K为奇数为奇数半波（奇半波（奇或偶）或偶）圆孔中心轴上圆孔中心轴上任一点的光强任一点的光强菲菲氏氏圆圆孔孔衍衍射射极小条件极小条件极大条件极大条件特征量特征量花样特花样特征征极值条件极值条件决定光强决定光强分布因素分布因素光强分布光强分布112kkAaa020sinsinsinppuAAubuuIIu2sin uusinb001sin21,2bkksin1,2bk

9、k 222blfb中中2blfb201 1hRkrR夫夫氏氏圆圆孔孔衍衍射射光强分布光强分布决定决定光强光强分布分布因素因素中央极大中央极大:以圆孔中以圆孔中心的以明心的以明暗相间的暗相间的同心圆环同心圆环,中央明纹中央明纹特别亮特别亮,特特别宽别宽(爱里爱里斑斑)爱里斑半爱里斑半角宽度角宽度:爱里斑线爱里斑线半径半径:衍衍射射光光栅栅单缝单缝衍射衍射因子因子和多和多光束光束干涉干涉因子因子共同共同决定决定主极大主极大:平行于狭平行于狭缝的明暗缝的明暗相间的条相间的条纹纹,多光束多光束干涉受到干涉受到单缝衍射单缝衍射因子的调因子的调制制,条纹锐条纹锐利利,等宽等宽谱线半角谱线半角宽宽:缺级条件

10、缺级条件:(K K:单缝衍单缝衍射最小值射最小值的级数的级数)2220sinsinsinpIuNvIuvsinvd0.61sin0.61Rsin0,1,2djj sin1,21,2jdNjjNN 0.611.22RD21.22lfD cosNddjkb接上表:第三章第三章 几何光学几何光学1 1、直线传播定律、直线传播定律2 2、独立传播定律、独立传播定律3 3、光路可逆原理、光路可逆原理4 4、反射定律、反射定律面镜成像规律面镜成像规律（条件：近轴）（条件：近轴）平面反射成像规律平面反射成像规律单球面反射成像规律单球面反射成像规律5 5、折射定律、折射定律折射成像规律折射成像规律（条件：近轴

11、）（条件：近轴）棱镜的折射成像规律棱镜的折射成像规律平行平面板的折射成像规律平行平面板的折射成像规律单球面折射成像规律单球面折射成像规律薄透镜成像规律薄透镜成像规律共轴球面系统成像规律共轴球面系统成像规律R费费马马原原理理BA、恒定值）极值（极小值、极大值ndsBA2.平面反射折射全反射临界角 像似深度 y=y n2 n13.成像符号法则4.单球面反射成像121sinnnic符号规则符号规则实正虚负规则；实正虚负规则；笛卡尔坐标规则笛卡尔坐标规则。2rf 凹凹0;f,0r凸凸0.f ,0r111ssfssyysnsnyy5.5.单球面折射成像单球面折射成像6.6.薄透镜薄透镜7.7.薄透镜、理

12、想光具组特殊光线、任意光线作图。薄透镜、理想光具组特殊光线、任意光线作图。GaussGauss公式公式:牛顿公式：牛顿公式：1ffssnnnnssrnfrnnnfrnn,rnn fss111f fxxss8.基点的特性基点的特性ff 焦点焦点 两焦点不共轭两焦点不共轭 焦距从主点量起焦距从主点量起,分别为分别为 f和和f 节点节点节点和主点重合节点和主点重合 两节点共轭两节点共轭 1 主点主点 两主点共轭两主点共轭1 两主平面上的任一对等高点共轭两主平面上的任一对等高点共轭第四章第四章 光学仪器光学仪器放大本领：放大本领：放大镜：放大镜：显微镜：显微镜：物镜横向放大率物镜横向放大率目镜放大本领

13、目镜放大本领望远镜：望远镜：uutguutgllMfuuM25)25()(21fflM21ffM-UO-Uo1F1F2o2物镜系统物镜系统目镜系统目镜系统UPQyPQQPU-U1f2f2 2、物镜与目镜、物镜与目镜显微镜：显微镜：A A、惠更斯目镜、惠更斯目镜 B B、冉斯登目镜、冉斯登目镜折射式望远镜折射式望远镜A A、开普勒望远镜、开普勒望远镜 B B、伽利略望、伽利略望远镜远镜-UO-Uo1F1F2o2物镜系物镜系统统目镜系目镜系统统UPQyPQQPU-U1f2f1122ffUMUff UO1O2F1F2UQPQUUQy1f2fOKepler望远镜：望远镜：M 03、有效光阑、入瞳和出瞳

14、的确定方法、有效光阑、入瞳和出瞳的确定方法（1 1）求出系统中每一个光阑经其前方光学系统所成的）求出系统中每一个光阑经其前方光学系统所成的像像。（2 2）由确定的物点对第一个透镜）由确定的物点对第一个透镜,以及各个像作张角，通过比较以及各个像作张角，通过比较确定其中张角最小的像。确定其中张角最小的像。（3 3）张角最小的像对应的光阑为有效光阑。）张角最小的像对应的光阑为有效光阑。（4 4）张角最小的）张角最小的像像为入瞳；将已确定的有效光阑经其后方光学系为入瞳；将已确定的有效光阑经其后方光学系统成像，即可求得出瞳。统成像，即可求得出瞳。入射孔径角入射孔径角uuuLPMNABABF4.4.分辨本

15、领：分辨本领：人眼：人眼：显微镜：显微镜：望远镜：望远镜：fd220.1ynsinu610.0yRU610.0101610.0610.001RUnRv-UO-Uo1F1F2o2物镜系物镜系统统目镜系统目镜系统UPQyPQQPU-U1f2f光栅光谱仪：光栅光谱仪：dcosjffDLjNpdcosjddD线：色：角：Isin0级1级2级3级bb第五章第五章 光的偏振光的偏振一、五种偏振态：一、五种偏振态：自然光：自然光：线偏振光：线偏振光：部分偏振光：部分偏振光：偏振度：偏振度：圆偏振光：圆偏振光：椭圆偏振光：椭圆偏振光：cos()cos()xxyyEAtkz eAtkz e ,2oyxIII)(

16、,1),0.minmaxminmax线偏振光全偏振光非偏振光（自然光PPIIIIPcos()cos()xxyyAtkz eAtkzeE 0cos()sin()xyAtkz etkz eE 二、两个基本定律：二、两个基本定律：三、三、o o光和光和e e光：光：布儒斯特角，全偏振角布儒斯特定律：透振方向间的夹角、马吕斯定律：102101210212290,tg.2,cos.1iiinnippAIII OOBBAAoAesinAAocosAAe2tgIIeoIIIIeo)cos(sin22四、偏振器件：四、偏振器件：尼科耳棱镜：尼科耳棱镜：沃拉斯顿棱镜：沃拉斯顿棱镜：波片波片:片：片：能把圆偏振光

17、能把圆偏振光线偏振光；也能使线偏振光线偏振光；也能使线偏振光椭圆、圆偏振光。椭圆、圆偏振光。片：片：能把左旋圆偏振光能把左旋圆偏振光右旋圆偏振光右旋圆偏振光,线偏光线偏光入射入射线偏振光线偏振光,但但2.2.片：片：入射线偏振光入射线偏振光线偏振光线偏振光4,)12(,2)12(kk,2,)12(kk,2)12(,4)12(kk2 晶片的厚度。ddnn.)(2eo五：偏振光的检验：线偏振光有两次消光偏振片片椭圆偏振光部分偏振光无消光变变自然光没变偏振片片圆偏振光自然光没变椭圆偏振光有两次消光部分偏振光无消光圆偏振光两次消光位置透射方向光轴IIIIIIImax/041)(41)(片振偏六、偏振光

18、的干涉：六、偏振光的干涉：.coscoscossinsinsincossin1e2e1o2o21e1o1IAAAAAAAAeAAodpPA：线光光：平行光22sin2sin2sin)(coscos22221e2o22e22o22AAAAAAI dnn)(2eo反向。和同向，和e2o2e2o20AAAA.2sin2sin2sin2sin122212221/AIAI所以：其中：习题习题1,用迈克耳逊干涉仪观察单色光的干涉，当反射镜M1移动0.1mm时，瞄准点的干涉条纹移过了400条，那么所用波长为:A,4987；B,5000；C,2500；D,三个数据都不对（B）2,如果单缝夫琅和费衍射的第一级暗

19、纹发生在衍射角为30的方位上所用单色光波长为500nm，则单缝宽度为A、2.510-7；B、2.510-5；C、1.010-6；D、2.010-5（C）3，光由折射率为n1的媒质入射到折射率为n2的媒质，布儒斯特角ip满足Asin ip=n1/n2；B、sinip=n2/n1；C、tgip=n1/n2；D、tgip=n2/n14，波长为的单色平行光垂直入射到一狭缝上，若第一级暗纹的位置对应的衍射角为，则缝宽的大小为 A、；B、；C、；D、（D）（C）6，强度为I0的自然光通过两正交偏振片P1和P2，若将第三块偏振片插入P1和P2之间，且它的透振方向和P1的透振方向成角，则透射光的强度为A，(1

20、/2)I0cos；B，(1/8)I0sin22；C，(1/4)I0cos2；D；I0cos4 5，在玻璃(折射率n2=1.60)表面镀一层MgF2(折射率n=1.38)薄膜作为增透膜为了使波长为500 nm的光从空气(n11.00)正入射时尽可能少反射，MgF2薄膜的最少厚度应是A、78.1 nm；B、90.6 nm；C、125 nm；D、181 nm.（）（B）8,一束光是自然光和线偏振光的混合光，让它垂直通过一偏振片若以此入射光束为轴旋转偏振片，测得透射光强度最大值是最小值的5 倍，那么入射光束中自然光与线偏振光的光强比值为（A）1/2 B）1/3（C）1/4（D）1/5 7,波长=550

21、 nm的单色光垂直入射于光栅常数d=210-4cm的平面衍射光栅上，可能观察到的光谱线的最大级次为（A）、2 （B）、3 （C）、4 （D）、5(B)(A)9、一束自然光以布儒斯特角入射于平板玻璃，则A反射光束为振动面垂直于入射面的线偏振光，而透射光束为振动面平行于入射面的线偏振光；B反射光束为振动面平行于入射面的线偏振光，而透射光束是部分偏振光；C反射光束为振动面垂直于入射面的线偏振光，而透射光束是部分偏振光；D反射光束和透射光束都是部分偏振光。（C）10,在单缝夫琅禾费衍射实验中，若增大缝宽而其他条件不变，则中央明条纹（A）宽度变小;（B）宽度变大;（C）宽度不变，且中心强度也不变（D）宽

22、度不变，但中心强度增大(B)1自然光以布儒斯特角入射到介质界面上，反射光是振动面垂直于_ _的 。2、用一定波长的单色光进行双缝干涉实验时，欲使屏上的干涉条纹间距变大，可采用的方法是：1)；2)。入射面入射面线偏振光线偏振光使两缝间距变小使两缝间距变小使屏与双缝之间的距离变大使屏与双缝之间的距离变大3、光在两种不同媒质的分界面处要发生 和 ，并遵循 定律和 定律。4、由于光的双折射现象，一束光线入射到晶体时会有两束出射光线，遵守折射定律的那一束叫 ，不遵守折射定律的那一束叫 。o光和e光都是 ，且 的振动方向垂直其主平面，的振动方向在其主平面内。反射反射折射折射反射反射折射折射o光光e光光线偏

23、振光线偏振光o光光e光光答：要使自然光转化为椭圆偏振光,首先必须通过一个起偏器产生线偏振光,然后使它垂直地入射到一块1/4波片上,使起偏器的透振方向与1/4波片的光轴不成450，则通过1/4波片后的光就是椭圆偏振光.答：干涉和衍射本质上都是波的叠加，干涉是有限几束光的叠加，而衍射是无穷多次波的叠加。在这个意义上讲，衍射是精细的，而干涉是粗略的。当所考虑的问题是有限几束光的叠加，并且光的传播是直线传播时，是纯干涉问题；如果还需要考虑各光束传播时的衍射问题则是既包括干涉，又包括衍射。简述干涉和衍射的区别和联系。简述干涉和衍射的区别和联系。如何将自然光变成椭圆偏振光？如何将自然光变成椭圆偏振光？答：

24、光线在晶体中沿某一方向传播时不发生双折射现象，这一方向称为晶体的光轴。什么是晶体的光轴？什么是晶体的光轴？用两偏振片平行放置作为起偏器和检偏器。当它们的偏振化方向之间的夹角为30时，一束单色自然光穿过它们，出射光强为I1，当它们的偏振化方向之间的夹角为60时，另一束单色光穿过它们，出射光强为I2，且I1=I2，求两束单色光的强度之比。解解：令I1 和 I2分别为两束光源照到起偏器上的光强。透过起偏器后，光的强度分别为 I1/2和 I2/2。按马吕斯定律，透过检偏器的光强分别为60cos2130cos21222211IIII，60cos2130cos212221II3130cos60cos2221II