1、声波声波:人听觉可感知频率范围人听觉可感知频率范围:20Hz 20000 Hz 空气中声速空气中声速:340m/s空气中波长空气中波长:17 m 0.017m(1.7cm)次声波次声波:f 17m超声波超声波:f 20000Hz,波长波长1.7cm光波光波:人视觉可感知频率范围人视觉可感知频率范围:(3.9-7.7)1014Hz (10)空气中光速空气中光速:3108m/s (6)空气中波长空气中波长:3.910-7 m 7.6 10-7 m (5)红外光波红外光波:f 7.71014 Hz复习学过的部分复习学过的部分第十一第十一章章 光的衍射光的衍射11-111-1 衍射现象、惠更斯衍射现象
2、、惠更斯菲涅耳原菲涅耳原理理11-2 11-2 夫琅禾费单缝衍射夫琅禾费单缝衍射11-4 11-4 夫琅禾费圆孔衍射、夫琅禾费圆孔衍射、光学仪器的分辨本领光学仪器的分辨本领11-111-1 衍射现象、惠更斯衍射现象、惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理一一.衍射衍射现象现象*S衍射屏衍射屏观察屏观察屏a a 时的极限情形。时的极限情形。只显出单一的明条纹只显出单一的明条纹 单缝的几何光学像单缝的几何光学像时，时，当当 0,aa，0 ，0k 与缝宽成反比。与缝宽成反比。a 2 .,020衍射现象可忽略衍射现象可忽略 a 11-2 11-2 夫琅禾费单缝衍射夫琅禾费单缝衍射中央明条纹中央明条纹(主极大主极
3、大)集中了绝大部分能集中了绝大部分能量量,它的角宽度标志着衍射效应的强弱它的角宽度标志着衍射效应的强弱.a 20 4 4.障碍物与光波之间限制和扩展的关系障碍物与光波之间限制和扩展的关系:)(0越大越大 限制范围越紧限制范围越紧(a越小越小),扩展现象越显著扩展现象越显著5.,sin20对对称称衍衍射射图图样样关关于于透透镜镜中中心心所所以以，有有由由 IIII由于相同方向的平行光线通过透镜后汇聚于透镜由于相同方向的平行光线通过透镜后汇聚于透镜后焦平面上的同一点后焦平面上的同一点,所以所以,当当缝缝沿竖直方向沿竖直方向上下上下移动移动,而其它条件不变时而其它条件不变时,屏上的屏上的衍射图样不变
4、化衍射图样不变化.11-2 11-2 夫琅禾费单缝衍射夫琅禾费单缝衍射干涉和衍射的联系与区别干涉和衍射的联系与区别个子波的相干叠加。个子波的相干叠加。干涉和衍射都是波的相干叠加，干涉和衍射都是波的相干叠加，但但干涉是干涉是有限多个分立光束的相干叠加，有限多个分立光束的相干叠加，衍射是无限多衍射是无限多作业作业:P278,3,4,5 P290,7,8,911-411-4 夫琅禾费圆孔衍射夫琅禾费圆孔衍射 光学仪器的分辨本领光学仪器的分辨本领1 1夫琅禾费圆孔衍射夫琅禾费圆孔衍射 在夫琅禾费单缝衍射装置中在夫琅禾费单缝衍射装置中,用一直径为用一直径为D的小圆的小圆孔代孔代替单替单缝缝,用用点光源代
5、替线光源点光源代替线光源,在透镜在透镜L2的像方的像方焦平面上可得到焦平面上可得到圆孔圆孔的的夫琅禾费衍射图样夫琅禾费衍射图样.圆孔孔径为圆孔孔径为D L衍射屏衍射屏观察屏观察屏中央亮斑中央亮斑(艾里斑艾里斑)1 f11-4 夫琅禾费圆孔衍射夫琅禾费圆孔衍射 光学仪器的分辨本领光学仪器的分辨本领夫琅禾费圆孔衍射的光强分布曲线夫琅禾费圆孔衍射的光强分布曲线中心亮斑最明亮中心亮斑最明亮,集中了集中了约约84%的衍射光能的衍射光能,称为称为艾里斑艾里斑。其中心是几何光。其中心是几何光学的像点学的像点.第一亮环和第二亮环的强第一亮环和第二亮环的强度分别是中央亮斑强度的度分别是中央亮斑强度的1.74%和
6、和0.41%,其余亮环其余亮环的强度更弱的强度更弱.11-4 夫琅禾费圆孔衍射夫琅禾费圆孔衍射 光学仪器的分辨本领光学仪器的分辨本领艾里斑艾里斑相对光相对光强曲线强曲线1.22(/D)sin 1I/I00夫琅禾费圆孔衍射的强度夫琅禾费圆孔衍射的强度艾里斑艾里斑相对光相对光强曲线强曲线1.22(/D)sin 1I/I00DD/22.1,22.1sin111 很很小小时时艾里斑的大小艾里斑的大小:第一暗环的第一暗环的角位置决定角位置决定,称艾里斑的称艾里斑的角半径角半径.22144.22fDfd D D 爱里斑缩小爱里斑缩小.,0,1何何像像艾艾里里斑斑缩缩成成点点光光源源的的几几若若 D11-4
7、 夫琅禾费圆孔衍射夫琅禾费圆孔衍射 光学仪器的分辨本领光学仪器的分辨本领11-4 夫琅禾费圆孔衍射夫琅禾费圆孔衍射 光学仪器的分辨本领光学仪器的分辨本领二二.光学仪器光学仪器(透镜透镜)的分辨本的分辨本领领波动光学波动光学 ：物物点点 像像(的艾里的艾里)斑斑物物(物点集合物点集合)像斑像斑(艾里艾里斑集斑集合合)(经 透经 透镜镜 )若物上两点之间角距离很小若物上两点之间角距离很小,它们的像将它们的像将重叠在一起不能分辨重叠在一起不能分辨.衍射限制了透镜的分辨衍射限制了透镜的分辨能力。能力。1.一般光学仪器中都有透镜一般光学仪器中都有透镜,它的边框对光它的边框对光有限制作用有限制作用,可看成
8、一个圆孔可看成一个圆孔.刚可分辨刚可分辨非相干叠加非相干叠加不可分辨不可分辨11-4 夫琅禾费圆孔衍射夫琅禾费圆孔衍射 光学仪器的分辨本领光学仪器的分辨本领望远镜观察太空中的一对双星望远镜观察太空中的一对双星,它们的像是两个圆它们的像是两个圆形衍射斑形衍射斑.如果这如果这两个斑中心的角距离大于衍射斑两个斑中心的角距离大于衍射斑的角半径的角半径时时,才能够分辨出它们才能够分辨出它们,从而知道有两颗星从而知道有两颗星.2.2.瑞利判据：瑞利判据：对于对于两个等光强两个等光强如果一个像斑的主如果一个像斑的主极大正好与另一个极大正好与另一个象斑的第一级极小象斑的第一级极小重合重合,的非相干的物点的非相
9、干的物点,就认为这两个像点就认为这两个像点(艾里斑艾里斑)刚好能被分辨刚好能被分辨.小孔（直径小孔（直径D）对两个靠近的遥远的点光源的分辨）对两个靠近的遥远的点光源的分辨 太小太小 符合符合瑞利瑞利判据判据 较大较大D 22.11 22.11DR RD ID*S1S20最小分辨角最小分辨角分辨本领分辨本领11-4 夫琅禾费圆孔衍射夫琅禾费圆孔衍射 光学仪器的分辨本领光学仪器的分辨本领满足瑞利判据时满足瑞利判据时:两个像斑中心的距离等于一个艾里斑两个像斑中心的距离等于一个艾里斑的半径时的半径时,两物点在透镜中心处的张角称为两物点在透镜中心处的张角称为最小分辨角最小分辨角,用用表示表示,它的倒数称
10、为它的倒数称为分辨本领分辨本领R.R.不可选择，不可选择，RD 可可望远镜：望远镜：世界上最大的世界上最大的光学光学望远镜：望远镜：物镜物镜D=8 m 建在夏威夷山顶，建在夏威夷山顶，1999年建成年建成11-4 夫琅禾费圆孔衍射夫琅禾费圆孔衍射 光学仪器的分辨本领光学仪器的分辨本领显微镜：显微镜：D D不会很大，不会很大，R 可可 电子显微镜分辨本领很高，电子显微镜分辨本领很高，可观察物质结构。可观察物质结构。电子电子 ：0.1A 1A （10-2 10-1 nm）分辨本领分辨本领 22.11DR RD 第十二章第十二章 光的偏振光的偏振12.1 12.1 自然光和偏振光自然光和偏振光12.
11、2 12.2 线偏振光的产生与检验线偏振光的产生与检验1.1.二向色性和偏振片二向色性和偏振片3.双折射现象双折射现象2.反射光与折射光的反射光与折射光的偏振偏振12.1 12.1 自然光和偏振光自然光和偏振光 横波的振动方向与传播方向垂直横波的振动方向与传播方向垂直,对于一个固对于一个固定的横波定的横波,在某一时刻它的振动矢量只能限于垂直在某一时刻它的振动矢量只能限于垂直传播方向的某一个特定方向传播方向的某一个特定方向,这种振动方向与传播这种振动方向与传播方向的不对称性叫做偏振方向的不对称性叫做偏振.光的振动矢量可以有五种振动状态光的振动矢量可以有五种振动状态:12.1 自然光和偏振光自然光
12、和偏振光线偏振光线偏振光,自然光自然光,部分偏振光部分偏振光,圆偏振光圆偏振光,椭圆偏振光椭圆偏振光E播播传传方方向向振振动动面面面对光的传播方向看面对光的传播方向看线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解EEyEx yx sinEEy 一一.线偏振光线偏振光 cosEEx 表示法：表示法：光振动垂直板面光振动垂直板面光振动平行板面光振动平行板面12.1 12.1 自然光和偏振光自然光和偏振光12.1 自然光和偏振光自然光和偏振光二二.自然光自然光:等幅的、等幅的、不相干不相干(没有固定位相差没有固定位相差)的线偏振光。的线偏振光。yxEE xyxIIII2 自然光
13、的表示法：自然光的表示法：没有优势方向没有优势方向自然光的分解自然光的分解一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、12.1 自然光和偏振光自然光和偏振光 普通光源发出的光由大量持续时间很短的波列组成普通光源发出的光由大量持续时间很短的波列组成.每个波列都是线偏振光每个波列都是线偏振光,但是但是波列之间波列之间在振幅在振幅,振动振动方向方向,和相位上都是和相位上都是无规则的无规则的.观测时间远大于发观测时间远大于发光持续时间光持续时间,所以观所以观测到对于其传播方测到对于其传播方向形成向形成轴对称分布轴对称分布.非相干非相干三三.部分偏振光部分偏振光表示
14、法：表示法：自然光和完全偏振光的混合，就构成了自然光和完全偏振光的混合，就构成了部分偏振光部分偏振光.彼此彼此没有固定相位关系没有固定相位关系的的,方向任意方向任意的光振动的组合的光振动的组合.只是只是不同方向的振动的振幅不同方向的振动的振幅大小不同，它在某个方向大小不同，它在某个方向上振幅最大而在与之垂直的方向上振幅最小上振幅最大而在与之垂直的方向上振幅最小.分解分解非相干非相干它可以分解为两个相互垂直的线偏振光它可以分解为两个相互垂直的线偏振光,但它们之间但它们之间无固定的位相关系无固定的位相关系,不能合成为一个矢量不能合成为一个矢量.12.1 自然光和偏振光自然光和偏振光 四四.偏振度偏
15、振度minmaxminmaxIIIIP I Imaxmax,Imin两个相互垂直的分量的光强两个相互垂直的分量的光强Imax+Imin 部分偏振光的总光强部分偏振光的总光强I I线偏振光线偏振光 I Imaxmax=I,I=I,Iminmin=0=0,P P=1=1自然光自然光 Imax=I,Imin=0,P P=0 0部分偏振光部分偏振光 0 0 P P 1 1 偏振度：偏振度：12.1 自然光和偏振光自然光和偏振光 1.1.晶体的二向色性、晶体偏振器晶体的二向色性、晶体偏振器 某些晶体某些晶体(电气石电气石,硫酸奎宁等硫酸奎宁等)对不同对不同方向振动的电矢量具有选择吸收的性质方向振动的电矢
16、量具有选择吸收的性质.自然光自然光在这样的晶体中通过一段距离后在这样的晶体中通过一段距离后,某一某一方向上的光振动被吸收得完全消失方向上的光振动被吸收得完全消失,就可以得到就可以得到与其方向垂直的与其方向垂直的线偏振光线偏振光,称此晶体为称此晶体为(理想的理想的)偏振片偏振片,透射出的电矢量振动方向为透射出的电矢量振动方向为偏振化方向偏振化方向.这叫晶体的这叫晶体的二向色性二向色性.12.2 12.2 线偏振光的产生与检验线偏振光的产生与检验2.2.起偏起偏 从自然光获得偏振光从自然光获得偏振光12.2 线偏振光的产生与检验线偏振光的产生与检验自然光自然光I0线偏振光线偏振光 I1P1 偏振化
17、方向偏振化方向（通光方向）（通光方向）P2P1:起偏器起偏器0121II P2:检偏器检偏器?2 I 线偏振光线偏振光 I23.3.马吕斯定律马吕斯定律 I0IPP E0 E=E0cos,200EI 20cosII 0max0III ，02 I，马吕斯定律马吕斯定律（18091809）消光消光 2202cos EEI 12.2 线偏振光的产生与检验线偏振光的产生与检验4.4.线偏振光的检偏线偏振光的检偏检偏：检偏：用偏振器件检验光的偏振态用偏振器件检验光的偏振态I?P待检光待检光 若若 I 不变不变？是什么光是什么光 若若 I 变，有消光变，有消光？是什么光是什么光 若若 I 变，无消光变，无
18、消光？是什么光是什么光然光混合而成的然光混合而成的部分偏振光部分偏振光思考思考设入射光可能是设入射光可能是自然光自然光线偏振光线偏振光或由线偏振光与自或由线偏振光与自或或旋转旋转12.2 线偏振光的产生与检验线偏振光的产生与检验二二.反射光和折射光的偏振反射光和折射光的偏振n1n2i ir自然光反射和折射后成为部分偏振光自然光反射和折射后成为部分偏振光反射光反射光垂直入射面的分量（垂直入射面的分量（S ）比例大，）比例大，折射光折射光平行入射面的分量（平行入射面的分量（P ）比例大，）比例大，入射角入射角 i 变变 反射、折射光的偏振度也变。反射、折射光的偏振度也变。12.2 线偏振光的产生与
19、检验线偏振光的产生与检验S 分量分量(垂直于入射面垂直于入射面)P分量分量(平行于入射面平行于入射面)i=i0 时时,反射光只有反射光只有S S分量分量,折射光折射光P P分量最大分量最大i 0 布儒斯特角布儒斯特角或或 起偏角起偏角i0+r0=90 由由 020201cossinsininrnin 有有 布儒斯特定律布儒斯特定律 (1812(1812年年)21120tgnnni n1n2i0i0r0线偏振光线偏振光S反射光情况如何反射光情况如何?思考思考这时自然光沿折射线反向入射产生的这时自然光沿折射线反向入射产生的12.2 线偏振光的产生与检验线偏振光的产生与检验互互余余空空气气玻玻璃璃玻
20、玻璃璃空空气气 423350.100.1tg 185600.150.1tg1010ii 思考思考 如何测量不透明介质的折射率？如何测量不透明介质的折射率？在拍摄玻璃窗内的物体时，如何去在拍摄玻璃窗内的物体时，如何去 掉反射光的干扰？掉反射光的干扰？外腔式激光管加装布儒斯特窗得到线偏振光。外腔式激光管加装布儒斯特窗得到线偏振光。则：则：若若 n1 1 =1.00=1.00（空气），（空气），n2 2=1.50=1.50（玻璃），（玻璃），i0 i0i0激光输出激光输出布儒斯特窗布儒斯特窗M1M2i012.2 线偏振光的产生与检验线偏振光的产生与检验有反射光干扰的橱窗有反射光干扰的橱窗在照相机镜头
21、前加偏振在照相机镜头前加偏振片消除了反射光的干扰片消除了反射光的干扰 玻璃片堆玻璃片堆当当i=i0时：时：)(sin21 002riII 入入反反自然光从空气自然光从空气玻璃：玻璃：%7 入入反反II由光的电磁理论，由光的电磁理论，（太弱）（太弱）用玻璃片用玻璃片堆能增强堆能增强反射偏振反射偏振光的强度光的强度 i0接近线偏振光接近线偏振光玻璃玻璃片堆片堆线偏振光线偏振光12.2 线偏振光的产生与检验线偏振光的产生与检验i1.1.双折射的概念双折射的概念n1n2rore(各向异各向异性介质性介质)自然光自然光o光光e光光2.2.寻常（寻常（o o）光和非寻常（）光和非寻常（e e）光）光o o
22、光光 ：遵从折射定律遵从折射定律orninsinsin21 e e光光 ：一般不遵从折射定律一般不遵从折射定律.constsinsin erie e光折射线也光折射线也不一定不一定在入射面内。在入射面内。射到各向异性介质时，射到各向异性介质时，三三.双折射现象双折射现象一束光入一束光入折射光分成两束的现象。折射光分成两束的现象。12.2 线偏振光的产生与检验线偏振光的产生与检验象象折射现折射现双双折射现折射现方解石晶体方解石晶体CaCO3纸面纸面2.双折射会映射出双像：双折射会映射出双像：12.2 线偏振光的产生与检验线偏振光的产生与检验e光的像光的像 o光的像光的像设法将设法将o光和光和e光分开或除去一束光分开或除去一束,就可以制成就可以制成 性能良好的偏振器件性能良好的偏振器件.光学部分结束光学部分结束
