第15章波动光学23.ppt
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1、第15章 波动光学,15.1 光强 光的干涉 15.2 双缝干涉 15.3 光程 用光程差表述光波的相干条件 15.4 薄膜的光干涉 15.5 光的衍射 15.6 单缝的夫琅禾费衍射 15.7 衍射光栅 衍射光谱 15.8 光学仪器的分辨率 *15.9 X射线的衍射 布拉格公式 15.10 光的偏振性 马吕斯定律 15.11 反射和折射时光的偏振 布儒斯特定律 15.12 光的双折射现象 15.13 椭圆偏振光和圆偏振光 偏振光的干涉及其应用,2光是电磁波,光波一般指电磁波谱中的可见光部分。,波动光学简介,1波动光学:从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生的现象和规律.主要研究光的干涉、衍
2、射、偏振.,3、单色光和复色光,(1)单色光:只有一种颜色的光。如红光、紫光等。,(2)复色光:有几种颜色混合的光。如白光.,4、光矢量,电磁波中的电场强度矢量E能引起人眼视觉和使照相底片感光,叫做光矢量.,I=E2,5、光强等于电场强度振幅的平方.,光强大,明亮,光强小,暗淡.,6、波动光学内容特点:数学简单,公式多。,7、对波动光学要求:各种装置和图象印在脑海中。,一、光强,15.1 光强 光的干涉,1)光的干涉现象,1光的干涉,两束相干光在相遇区域形成稳定的明暗相间的条纹分布的现象。,2)光的相干条件,振动方向相同。,相位差恒定。,频率相同。,二、光的干涉 干涉场中光强分布,2 干涉场中
3、光强分布,干涉相长, 光强最大,干涉相消, 光强极小,合成光强:,相位差:,干涉的强弱取决于相干光之间的相位差.,设 12,若,干涉相长, 光强最大,若,干涉相消, 光强极小,可见度,V=1,条纹明暗对比最明显。,V1,条纹明暗对比不太明显。,所以尽可能使两相干光的光强相等,1普通光源发出的光不是相干光,2、激光器发出的光是相干光。,间歇性:,原子或分子每次发光是间歇的,持续时间,独立性:,原子、分子发光彼此独立、随机,三 相干光的获得,(2)分波阵面法:从同一波阵面上分出两束相干光(杨氏双缝),(3)分振幅法:把波阵面上同一点的振幅(能量)分成两束相干光(薄膜干涉),3、如何得到普通光的干涉
4、图像,(1)基本思想:一分为二,合二为一。,一分为二:光源上同一个发光原子同一次所发的一个光波列先设法分成两个光波列(得到相干光),,合二为一:再使这两列光相遇(得到光的干涉图象),英国科学家托马斯杨在1802年首先用实验的方法研究了光的干涉现象,为光的波动理论确定了实验基础。,15.2 双缝干涉,一、杨氏双缝干涉,1、明暗条纹分布,明条纹.,暗条纹.,1)明纹,第二级明纹,第一级明纹,中央明纹,第一级明纹,第二级明纹,2)暗纹,3)相邻明(暗)纹间距,1)杨氏双缝干涉图象:明暗相间地、对称地、等间距地分布在中央明纹两侧。,2、说明,2)白光入射时,除中央明纹是白色外,其他明纹出现由紫到红的彩
5、色光谱,并在离中央明纹较远处出现重叠现象。,3)双缝间距、双缝与屏幕距离、波长对干涉图象的影响。,例 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距离是多少?,解(1),(2),例、杨氏双缝实验中,狭缝间距为0.5mm,离屏幕距离25cm,光源为4000埃和6000埃两种,分别求两种光波干涉条纹间距,以及距中央明纹多远处两种明条纹第一次重叠,各为第几级?,解(1),(2),二 劳埃德镜 半波损失,半波损失:光由光疏介质射向
6、光密介质发生反射时, 反射光的光矢量相对于入射光光矢量的相位发生大小为的突变.,15.3 光程 用光程差表述光波的相干条件,两束相干光的相位差:,光在介质中传播, 其折射率:,1光程定义(nr):介质折射率与光的几何路程之积。,2光在不同折射率n1、n2、 的介质中经过的路程若为L1、L2、,则总光程为: L=n1L1+ n2L2+,一、光程,光程是光在介质中通过的路程折合到同一时间内在真空中通过的相应路程.,3光程的物理意义,例:如图,光通过AB和BC的时间相等,AB在真空中,长为2m,BC在介质中,长为1. 5m,求(1)介质折射率,(2)A到C的总光程。,解:,(1),(2),n,1、光
7、程差与相位差关系,光在真空中波长,2、用光程差表示的相干条件。,1)光程差等于半波长偶数倍时是明条纹。,二. 用光程差表述光波的相干条件,2)光程差等于半波长奇数倍时是暗条纹。,例:计算图中光通过路程 r1 和 r2 在P点的相位差。,解. 由相位差和光程差关系,例.杨氏双缝实验中,在一个光路上放置n为1.58、厚度为8.5m 的云母片,使原中央明纹移至第9级,求照射光波长,解:,L,中央明纹的光程差是多少?,0,从物点发出的不同光线,经不同路径通过薄透镜后会聚成为一个明亮的实像, 说明从物点到像点,各光线具有相等的光程.,三、透镜不引起额外的光程差.,S,作业 P243 16,17,19,2
8、0,光照射到透明薄膜上,在膜的上下表面产生相干光,相遇后产生干涉现象。,15.4 薄膜的光干涉,薄膜干涉是一种分振幅干涉。,一、分折薄膜干涉的主要步骤:,1.找薄膜:,薄膜是由气体,液体或固体组成的厚度非常小的一层介质.,2.找相干光.,反射光干涉:薄膜上下表面的反射光是相干光。,折射(透射)光干涉:薄膜上下表面的折(透)射光是相干光.,1)总光程差等于几何光程差加上由于半波损失引起的附加光程差.,3.计算相干光的总光程差(关键),(1)几何光程差1通过(薄膜)具体光路图求出,(2)附加光程差2只有二个值,两条相干光均无(有)半波损失时,两条相干光中只有一条有半波损失时.,4)有无半波损失的判
9、断方法:,当光从光疏介质射向光密介质时,反射光有半波损失,折射光无半波损失;,当光从光密介质射向光疏介质时,反射光和折射光均无半波损失.,5)根据光程差和干涉明暗条纹的关系列式并进行有关计算。,*光程差是半波长的偶数倍时是干涉明纹。,*光程差是半波长的奇数倍时是干涉暗纹。,薄膜干涉的两种情况:,等倾干涉:条纹级次取决于入射角的干涉.,等厚干涉:条纹级次取决于薄膜厚度的干涉.,1 光线垂直入射,二 平行平面薄膜的等倾干涉,平行平面薄膜:平行平面构成的薄膜(薄膜厚度处处相同),1)光程差,2、光线倾斜入射,等倾干涉,2)等倾干涉,明纹:,暗纹:,倾角相同的光线对应同一条干涉条纹.,(1)内疏外密的
10、同心圆环.,3)等倾干涉图像,(2)入射角减小, 圆半径减小.,(3)倾角相同的光线对应同一条干涉条纹.,3、增透膜和增反膜,(2)物理语言描述:在光学器件上镀一层薄膜,使膜上下两表面的反射光干涉减弱(透射光干涉加强).,1)增透膜,2)增反膜,(2)物理语言描述:在光学器件上镀一层薄膜,使膜上下两表面的反射光干涉加强(透射光干涉减弱)。,照相机镜头,登山眼镜,(1)定义:在光学器件表面镀一层薄膜以提高光的透射率.,(1)定义:在光学器件表面镀一层薄膜以提高光的反射率.,例:为增强照相机镜头的透射光,往往在镜头(n3=1.52)上镀一层 MgF2 薄膜(n2=1.38),使对人眼和感光底片最敏
11、感的黄绿光 = 552 nm 反射最小,假设光垂直照射镜头,求:MgF2 薄膜的最小厚度。,解:,减弱,k=0,膜最薄,例一油轮漏出的油(折射率n1=1.20)污染了某海域, 在海水(n2=1.30)表面形成一层薄薄的油污. (1)如果太阳正位于海域上空,一直升飞机的驾驶员从机上向正下方观察,他所正对的油层厚度为460 nm,则他将观察到油层呈什么颜色?(2)如果一潜水员潜入该区域水下,并向正上方观察,又将看到油层呈什么颜色?,解 (1)飞行员看到颜色(反射光的干涉加强),绿色,红光,紫光,(2)潜水员看到颜色(透射光干涉加强),三 劈形薄膜的等厚干涉,1、劈形薄膜:夹角很小的两个平面所构成的
12、薄膜。,2、劈形薄膜的观测装置的干涉图像,3、劈形薄膜的等厚干涉,薄膜厚度相同对应同一级干涉条纹。,1)光程差,垂直入射,nn1,2)等厚干涉,3)劈形薄膜的干涉图像,平行于棱边的等间距的直条纹,且棱边为零级暗纹.,明纹:,暗纹:,(1)相邻明(暗)纹间的厚度差,(2)相邻明(暗)纹间距离,4、应用,N条纹数,薄膜厚(d大),条纹数多,当足够厚时,干涉条纹“消失”.,1)薄膜厚度的测量,2)精密加工工件平整度的检验。,工件上有凸部。,例.波长为680 nm的平行光照射到L=12 cm长的两块玻璃片上,两玻璃片的一边相互接触 ,另一边被厚度=0.048 mm的纸片隔开.试问在这12 cm长度内会
13、呈现多少条暗条纹 ?,解1:用公式,共有142条暗纹,解2:求出纸片处暗纹的最大级次。,解:等厚干涉条纹表示同一干涉条纹对应相同的薄膜空气层厚度。,条纹向劈棱边方向弯曲,不平处应是凹形的。,1、产生牛顿环的薄膜:平凸透镜与平面玻璃板接触后,两者之间的这部分介质.(上表面是球面一部分,下表面是平面),四、牛顿环,2、观测装置和牛顿环,3、牛顿环等厚干涉,1)光程差,内疏外密的同心圆环,且中心是暗点。,3)明(暗)环半径,明环半径,暗环半径,2)等厚干涉:薄膜厚度相同对应同一级干涉条纹。,1)形状:明暗相间的同心圆环,但不是等倾干涉而是等厚干涉。,4、说明,2)条纹级次:内低外高。,3)条纹间隔:
14、内疏外密。,4)应用:可以用来测量光波波长,用于检测透镜质量,曲率半径等.,例:用氦氖激光器发出的波长为633nm的单色光做牛顿环实验,测得第个 k 暗环的半径为5.63mm , 第 k+5 暗环的半径为7.96mm,求平凸透镜的曲率半径R.,解,迈克耳孙(A.A.Michelson),美籍德国人,因制造迈克耳孙干涉仪并精确测出光速,获1907年诺贝尔物理奖。,五 迈克耳孙干涉仪,1 迈克耳孙干涉仪光路及结构,单色光源,反射镜,反射镜,2、原理,光束2和1发生干涉,1)M1、M2平行 等倾条纹,2)M1、M2有小夹角 等厚条纹,M1,2,2,1,1,半透半反膜,补偿板,反射镜,反射镜,光源,观
15、测装置,3)条纹移动数N、光程差改变量和波长三者关系,迈克耳孙等倾干涉,迈克耳孙等厚干涉,例:迈克尔逊干涉仪可用来测量单色光的波长, 当M2移动距离L=0.3220mm时,测得某单色光的干涉条纹移过N=1024条,试求该单色光的波长。,解:平面镜移到L,光程差改变2L,例.当把折射率为n=1.40的薄膜放入迈克尔孙干涉仪的一臂时,如果产生了7.0条条纹的移动,求薄膜的厚度. (已知钠光的波长为 = 589.3nm),解:,作业 P243 21,22,23,25,26,27,28,15.5 光的衍射,一.光的衍射现象,光在传播过程中绕过障碍物的边缘而偏离直线传播,并形成明暗相间的衍射图样的现象。
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