1、 光学篇（Optics)第十章 波动光学u教学大纲要求教学大纲要求 1.1.理解光的相干条件及获得相干光的基本原理和理解光的相干条件及获得相干光的基本原理和方法。方法。 2.2.掌握杨氏双缝干涉实验的基本装置和实验规律掌握杨氏双缝干涉实验的基本装置和实验规律及干涉条纹位置的计算。及干涉条纹位置的计算。 3.3.确切理解光程的概念，掌握光程和光程差的计确切理解光程的概念，掌握光程和光程差的计算方法，熟悉光程差和相位差之间的关系，算方法，熟悉光程差和相位差之间的关系， 4.4.理解半波损失概念，在什么情况下有半波损失。理解半波损失概念，在什么情况下有半波损失。 5. 5.掌握薄膜干涉的规律及干涉条
2、纹位置的计掌握薄膜干涉的规律及干涉条纹位置的计算。掌握薄膜干涉在实际中的应用。算。掌握薄膜干涉在实际中的应用。 6.6.了解光的衍射现象，了解菲涅耳衍射与夫了解光的衍射现象，了解菲涅耳衍射与夫琅禾费衍射的区别。琅禾费衍射的区别。 7.7.了解惠更斯了解惠更斯- -菲涅耳原理及其在光衍射现菲涅耳原理及其在光衍射现象中的应用。象中的应用。 8.8.了解单缝衍射的实验装置，掌握半波带法了解单缝衍射的实验装置，掌握半波带法在分析单缝衍射中的应用。了解圆孔衍射和艾里在分析单缝衍射中的应用。了解圆孔衍射和艾里斑。斑。 9. 9.理解瑞利判据，能定性分析衍射对光学理解瑞利判据，能定性分析衍射对光学仪器分辨能
3、力的影响。仪器分辨能力的影响。 10.10.理解光栅衍射条纹的成因和特点，掌握理解光栅衍射条纹的成因和特点，掌握光栅方程和明暗条纹形成条件及它们的应用。光栅方程和明暗条纹形成条件及它们的应用。 无线电波无线电波红外线红外线可可见见光光紫外线紫外线X X射射线线射射线线微波微波太赫兹太赫兹 Electromagnetic Spectrum可见光的范围可见光的范围Hz103 . 4105 . 7:1414 f光本质上是种电磁波，可见光波长为光本质上是种电磁波，可见光波长为400760nm之间。之间。光的干涉、衍射现象证明了光的波动性，而偏振现象光的干涉、衍射现象证明了光的波动性，而偏振现象则证明了
4、光的横波性质。则证明了光的横波性质。v 光的干涉光的干涉( (interference of light) )：满足一：满足一定条件的两束光重叠时定条件的两束光重叠时, ,在叠加区域形成稳在叠加区域形成稳定、不均匀的光强分布的现象定、不均匀的光强分布的现象. . 彩色的肥皂泡光的干涉在历史上曾光的干涉在历史上曾作为光的波动性的重作为光的波动性的重要例证要例证. .10-1 10-1 光的干涉光的干涉任何任何发射光波的物体称为光源。发射光波的物体称为光源。光是电磁波。光是电磁波。可见光是能引起人的视觉的那部分电磁波。可见光是能引起人的视觉的那部分电磁波。 频率相同频率相同(same freque
5、ncy)振动方向相同振动方向相同(same direction of vibration)相位差恒定相位差恒定(constant phase difference) 21物质发光的基本单元物质发光的基本单元分子、原子等从具有较高分子、原子等从具有较高能量的激发态向具有较低能量的状态能量的激发态向具有较低能量的状态(基态或低激发基态或低激发态态)跃迁时跃迁时, ,发射的一个电磁波波列发射的一个电磁波波列(wave train). . v 普通光源的发光机理普通光源的发光机理: nE v 普通光源发光特点普通光源发光特点原子发光是断续的原子发光是断续的, ,每次发光形成一长度有限的波每次发光形成一
6、长度有限的波列列, ,各原子或同一原子各次发出的波列各原子或同一原子各次发出的波列, ,其频率和振其频率和振动方向可能不同；动方向可能不同；来自两个光源或同一光源的两部分的光来自两个光源或同一光源的两部分的光, ,不满足相不满足相干条件干条件, ,叠加时不产生干涉现象叠加时不产生干涉现象. .两个独立的普通光源不是相干光源两个独立的普通光源不是相干光源u光在介质中传播时，光振动的相位沿传播方向逐光在介质中传播时，光振动的相位沿传播方向逐点落后。光传播一个波长的距离，相位变化点落后。光传播一个波长的距离，相位变化2 。 (optical path)nnfcfuncu ， n2r21122rnrn
7、 r2 22 nrn S1S2122LL 122rnddr dnrr1212 例例1 1、如图，在如图，在S2P 间插入折射率为间插入折射率为n、厚度为厚度为d 的的媒质。求：光由媒质。求：光由S1、S2 到到 P 的相位差的相位差 。 0,)12,21 而而不不是是（则则若若dnrrBCacbAv Poor1r2x rDSS1S2 dABDxrrrdtgdsind12设实验在真空（或空气）中进行，则设实验在真空（或空气）中进行，则由由S1和和S2所所发出的光波到发出的光波到P点的点的光程差为：光程差为：ooDSS1dDxxxkk 13210， kdkdDkxk , ,或或 kDxd sind
8、3 , 2 , 1 , 0 kooDSS1 ：2) 1 2( kDxd dDx 1,2,3.k,2)1 2( )12( dDkxk3,2,1 kooDSS1ndDx 3210， kndDkxk , ,Dxndndndrrn tgsin)(12 ndDx 1,2,3.k,2)1 2( )12( ndDkxkooDSS1n 用不同波长的单色光源做实验时，条纹的间距不用不同波长的单色光源做实验时，条纹的间距不相同，波长短的单色光条纹间距小；波长长的单相同，波长短的单色光条纹间距小；波长长的单色光条纹间距大。色光条纹间距大。(4)如果用白光做实验，只有中央明条纹是白色的，如果用白光做实验，只有中央明条
9、纹是白色的，其他各级都是由紫到红的彩色条纹。其他各级都是由紫到红的彩色条纹。u k k1 1暗暗k k2 2暗暗k k1 1明明k k2 2明明k k1 1暗暗k k1 1明明k k2 2暗暗中央明纹中央明纹dDxxxkk 1 DdxdDxk 1 方法二方法二kkxkDddDkx v干涉问题分析要点干涉问题分析要点(1)(1)搞清发生干涉的光束；搞清发生干涉的光束；(2)(2)计算波程差计算波程差( (光程差光程差) )； (3)(3)搞清条纹特点：形状、位置、级次分布等搞清条纹特点：形状、位置、级次分布等. .例例 2 、 双 缝 干 涉 实 验 中双 缝 干 涉 实 验 中 , , 用 钠
10、 灯 作 光 源用 钠 灯 作 光 源 , , 波 长波 长 =589.3nm, ,屏与双缝的距离屏与双缝的距离D=500mm. .求：在求：在d=1.2mm和和d=10mm两种情况下相邻明条纹间距。两种情况下相邻明条纹间距。(2)若相邻明条纹的最小分辨率距离若相邻明条纹的最小分辨率距离 x=0.065mm, ,能分能分清干涉条纹的双缝间距最大为多少？清干涉条纹的双缝间距最大为多少？ (2)mm5 . 4m10065. 0103 .58910500393 xDd mm03. 0mm10 dDxd mm25. 0m102 . 1103 .58910500mm2 . 1393 dDxd ：(1)在
11、双缝干涉实验中：在双缝干涉实验中：（1）如何使屏上的干涉条纹间距变宽？如何使屏上的干涉条纹间距变宽？（2）将双缝干涉装置由空气中放入水中时，将双缝干涉装置由空气中放入水中时， 屏上的干涉条纹有何变化？屏上的干涉条纹有何变化？（3）若若S1、S2两条缝的宽度不等，条纹有何两条缝的宽度不等，条纹有何 变化？变化？思考思考:（1） dDx xxndDdDxn n水水 n空气空气空气水xx （3）两条缝的宽度不等，使两光束的强度不等；两条缝的宽度不等，使两光束的强度不等；虽然干涉条纹中心距不变，但原极小处的强度不再虽然干涉条纹中心距不变，但原极小处的强度不再为零，条纹的可见度变差。为零，条纹的可见度变
12、差。21II 21II Io 2 -2 4 -4 4I1IImaxImino 2 -2 4 -4 例例3 3、一波长为的红光，其二级明条纹、一波长为的红光，其二级明条纹出现的位置与另一波长为出现的位置与另一波长为的色光的三级明条纹相的色光的三级明条纹相同，求另一色光的同，求另一色光的2211kk则则232600nm400326002例例4 4、 在双缝干涉实验中，双缝间距为在双缝干涉实验中，双缝间距为0.60mm0.60mm，光源，光源波长为波长为600nm600nm，条纹间距为，条纹间距为1.51.5mmmm，1 1）屏幕距双缝多远？）屏幕距双缝多远？2 2）若用折射率为）若用折射率为1.3
13、1.3、厚度为、厚度为0.01mm0.01mm的薄膜遮盖其中的薄膜遮盖其中一缝一缝S S1 1，则中央明纹处将变为明纹还是暗纹？是几级？，则中央明纹处将变为明纹还是暗纹？是几级？1)dDx 则屏幕距双缝则屏幕距双缝mxdD5 . 1 2)中央明纹的光程差为中央明纹的光程差为Poor1r2xrDSS1S2 d 5)1(2121 lnLrnllrLrr中央明纹将变为中央明纹将变为5级明纹级明纹0)1()(1212 xDdnlLnllrrLxDdrrrPoor1r2xrDSS1S2 dmdDnlx2100 . 1)1( 2)12()1()()(1212 knlLrrnllrrLmlknkl 113.
14、11210600)12()1()1(12)12(9min 例例5 5 用白光作双缝干涉实验时，能观察到几级清晰用白光作双缝干涉实验时，能观察到几级清晰 可辨的彩色光谱？可辨的彩色光谱？解解: : 用白光照射时，除中央明纹为白光外，两侧形用白光照射时，除中央明纹为白光外，两侧形成内紫外红的对称彩色光谱成内紫外红的对称彩色光谱. .当当k级红色明纹位置级红色明纹位置xk红红大于大于k+1级紫色明纹位置级紫色明纹位置x(k+1)紫紫时，光谱就发生重叠。时，光谱就发生重叠。据前述内容有据前述内容有红红红红 dDkxk 紫紫紫紫 dDkxk)1()1( 紫紫红红 )1( kkv S1S2PDLP若若 n
15、1 n1 sinsinsinsin1221nninin 2sin22sin122212222 innddn 2cos22sin1cos2222 dnndPL1n1n2n1M2MdiC34E 5A1B2SD n2 n1 =k (k=1，2，) =(2k-1) /2，(k=1，2，)v innd22122sin2 2sin222122 inndv PL1n1n2n1M2MdiC34E 5A1B2SD n2 n1 , 2 , 1212, 2 , 1kkkk 2sin222122 inndinnd22122sin2 1n3n2n(1)(1)kdn22 nm22082/112, 12 dnk kdn 2/22tnm4 .3152/142, 42 dnk nm7362/122, 22 dnk nm6 .4412/132, 32 dnk 1n3n2nl 预习：预习：1、光的衍射、光的衍射
