chp11-波动光学ke-马文蔚.ppt
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1、第11章 波动光学基础,哈勃望远镜16年拍摄的 :,十大奇异罕见的天文奇观照片: (1)黑极光的秘密,(2)眼中的宽边帽星系, (3)不在星系里的恒星,(4)乞力马札罗山上的星光, (5)加拿大育空地区的极光,(6)新月抱旧月, (7)阿拉斯加上空的彗星与极光,(8)月出西雅图, (9)流星与极光,(10)日落时的火箭烟痕。,哈勃望远镜16年拍摄的 :,(1)黑极光的秘密,(2)眼中的宽边帽星系, (3)不在星系里的恒星,(4)乞力马札罗山上的星光, (5)加拿大育空地区的极光,(6)新月抱旧月, (7)阿拉斯加上空的彗星与极光,(8)月出西雅图, (9)流星与极光,(10)日落时的火箭烟痕。
2、,十大奇异罕见的天文奇观照片:,11-1 相干光,11-5 迈克耳孙干涉仪,11-4 劈尖 牛顿环,11-3 光程 薄膜干涉,11-2 杨氏双缝干涉实验 劳埃德镜,11-6 光的衍射,117 单缝衍射,11-12 双折射 偏振棱镜,11-11 反射光和折射光的偏振,11-10 光的偏振性 马吕斯定律,11- 9 衍射光栅,11- 8 圆孔衍射 光学仪器的分辨本领,*11-13 液晶显示,*11-14 几何光学, 光学研究的内容,1、光的发射、传播和吸收的规律;,、光和物质的相互作用,包括吸收、散射、色散、光的机械作用、光的热效应、光的电效应、光的化学效应、光的生理效应等;,、光的本质的研究。,
3、1,光的干涉,一、 理解相干光的条件及获得相干光的方法. 二 、掌握光程的概念以及光程差和相位差的 关系,理解在什么情况下的反射光有相位 跃变. 三、 能分析杨氏双缝干涉条纹及薄膜等厚干涉 条纹的位置. 四、了解迈克耳逊干涉仪的工作原理.,(光的衍射),一、了解惠更斯菲涅耳原理及它对光的衍射现象 的定性解释. 二、了解用波带法来分析单缝的夫琅禾费衍射条纹 分布规律的方法,会分析缝宽及波长对衍射条 纹分布的影响. 三、理解光栅衍射公式 , 会确定光栅衍射谱线的 位置,会分析光栅常数及波长对光栅衍射谱线 分布的影响. 四、了解衍射对光学仪器分辨率的影响. 五、了解 X 射线的衍射现象和布拉格公式的
4、物理 意义.,一. 光源,(1) 热辐射,(2) 电致发光,(3) 光致发光,(4) 化学发光,能级跃迁,波列长 L = c,自发辐射,非相干(不同原子发的光),非相干(同一原子先后发的光),.,.,(5) 同步辐射光源,(6) 激光光源,受激辐射,自发辐射,最基本发光单元是分子、原子,每次发光形成一个短短的波列, 各原子各次发光 相互独立,各波列互不相干.,11.1 光源 相干光,激光光源:受激辐射。,发出频率、相位、 振动方向、 传播方向相同的光。,光的单色性,单色光:(激光为最好的单色光源.),复色光:各种频率复合的光(普通光源),色散现象,把复色光中各种不同频率的光分开,形成光谱 称为
5、光的色散.,普通光源:发光具有独立性、随机性、间歇性,光的单色性,产生单色光的方法,(1)利用色散;,(2)利用滤波片;,(3)利用单色光源;,(4)激光,振动方向相互平行 频率相同 相位差恒定,两列光波相干条件,相干光源: 同一原子的同一次发光,光的干涉 丰富多彩的干涉现象,水膜在白光下,白光下的肥皂膜,11.2 杨氏双缝干涉实验 劳埃德镜,蝉翅在阳光下,蜻蜓翅膀在阳光下,白光下的油膜,肥皂泡玩过吗?,等倾条纹,牛顿环(等厚条纹),测 油 膜 厚 度,平 晶 间 空 气 隙 干 涉 条 纹,托马斯.杨,杨(T.Young)在1801年 首先发现光的干涉现象, 并首次测量了光波的波长。,将科学
6、和艺术并列研究、对生活充满热望的天才,我们几乎可以这样说: 他生命中的每一天都 没有虚度。,敢于向牛顿挑战? 提出并证明了光的波动性,11.2 杨氏双缝实验 劳埃德镜,托马斯.杨,英国医生、物理学家,光的波动说 的奠基人之一。他不仅在物理学领 域领袖群英、名享世界,而且涉猎 甚广,光波学、声波学、流体动力 学、造船工程、潮汐理论、毛细作 用、用摆测量引力、虹的理论 力学、数学、光学、声学、语言学、 动物学、埃及学他对艺术还颇 有兴趣,热爱美术,几乎会演奏当 时的所有乐器,并且会制造天文器 材,还研究了保险经济问题。而且 托马斯杨擅长骑马,并且会耍杂技 走钢丝。,托马斯.杨,杨氏双缝干涉实验 -
7、物理学最美的十大实验之一,获得相干光的方法,实 验 装 置,一、杨氏双缝干涉实验,(分波阵面法),(1) 相邻明纹中心或相邻暗纹中心间距:,(2) 已知 d , D 及x,可测,(3) x 正比 , D ; 反比 d,一定时,若 变化, 则 将怎样变化?,演示1,一定时, ; 。,单色光照射,1、相邻两明、暗条纹等间距,各级明、暗条纹等强度,, 一定时, ; 。,一定时,条纹间距 与 的关系如何?,演示2,点对所有波长的光均为零程差 , 中央亮条纹为白色。,当 较大时,不同级的彩色亮条纹会重叠。,,一定时, ,其余亮条纹为彩色; 波长短的紫光靠近 点。,(4) 白光作为光源时,,在零级白色中央
8、条纹两边对称地排列着紫色-红色的彩色条纹 。,(1) 明纹间距分别为,(2) 双缝间距 d 为,双缝干涉实验中,用钠光灯作单色光源,其波长为 589.3 nm,屏与双缝的距离 D=600 mm,解,求 (1) d =1.0 mm 和 d =10 mm,两种情况相邻明条纹间距分别 为多大?(2) 若相邻条纹的最小分辨距离为 0.065 mm,能分清 干涉条纹的双缝间距 d 最大是多少?,用白光作光源观察杨氏双缝干涉。设缝间距为d , 缝面与屏距离为 D,解:,最先发生重叠的是某一级次的红光和高一级次的紫光,清晰的可见光谱只有一级!,在400 760 nm 范围内,明纹条件为,求 能观察到的清晰可
9、见光谱的级次,二、劳埃德镜,P,M, 干涉条纹特点,与狭缝光源平行、等间距、明暗相间条纹。,把屏幕 移到和镜面相接触的位置 , 和 到接触点的路程相等,似乎接触点应出现亮纹。 实验事实是:接触点是暗纹!,实验表明:,直接射到屏上的光,镜面反射到屏上的光,相位相反, 直接射到屏上的光位相不变, 反射光的位相改变了 半波损失,光从光疏介质射向光密介质时,反射光的相位较之入射光的相位跃变了 。 光从光疏介质射向光密介质时,反射光产生半波损失。,资工,如图 离湖面 h = 0.5 m处有一电磁波接收器位于 C ,当一射电星从地平面渐渐升起时, 接收器断续地检测到一系列极大值 . 已知射电星所发射的电磁
10、波的波长为20.0 cm,求第一次测到极大值时,射电星的方位与湖面所成角度.,解:波程差,极大时,取,考虑半波损失时,附加波程差取,均可,符号不同, k 取值不同,对问题实质无影响.,*射电望远镜集锦,一 光程,光在真空中的速度,光在介质中的速度,介质中的波长,11.3 光程与光程差 薄膜干涉,若时间 t 内光波在介质中传播的路程为 r , 则相应在真空中传播的路程应为,改变相同相位的条件下,若时间 t 内光波在介质中传播的路程为 r , 则相应在真空中传播的路程应为,物理意义: 光在介质中通过的几何路程折算到真空中的路程.,介质折射率与光的几何路程之积 =,(1)光程,多种介质,由光程差计算
11、相位差,(2)光程差 (两光程之差),如右图,平行光束通过透镜后,会聚于焦平面上成 一亮点,焦点 F、副焦点F 都是亮点,说明 各光线在此同相叠加(光程差=0)。,光线经过透镜后并不附加 光程差。, 透镜不引起附加的光程差,物点到象点(亮点)各光线之间的光程差为零。,而 A、B、C 或 a、b、c 都在同一相面上。说明,各光线等光程,(物象之间等光程原理), 透镜不引起附加的光程差,用折射率 n =1.58 的很薄的云母片覆盖在双缝实验中的一条缝上,这时屏上的第七级亮条纹移到原来的零级亮条纹的位置上。如果入射光波长为 550 nm,解:,设云母片厚度为 d 。无云母片时,零级亮纹在屏上 P 点
12、, 则到达 P 点的两束光的光程差为零。加上云母片后, 到达P点的两光束的光程差为,当 P 点为第七级明纹位置时,例,求 此云母片的厚度是多少?,L,二 薄膜等厚干涉,(分振幅法 ),?,反射光的光程差,-加 强,-减 弱,透射光的光程差,注意:透射光和反射光干涉具有互补 性 ,符合能量守恒定律.,凡入射倾角i相同,其光程差相等,形成同一条纹. 这种不同入射角形成的明暗相间的干涉条纹称 等倾干涉条纹.,光线垂直入射时,当 时,当 时,(2束反射光均有半波损失),此时膜厚d 相同的干涉条纹 级次相同-等厚干涉。,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
13、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),绿色,反射光:,(2)透射光的光程差,红光,紫光,增透膜和增反膜,利用薄膜干涉可以提高光学器件的透光率 .,增透膜和高反膜(应用),利用反射光干涉减弱(透射光加强)使光能大部分 透射的薄膜,称为增透膜; 反之为高反膜。,增透膜增反膜的应用,宽带增透膜可以减少二次反射产生眩目的光线和虚像, 从而使光学表面的成像更清晰。增透膜许多的应用比如 摄像机镜头、仪器
14、面板、双眼望远镜、面板玻璃和望远镜。,取,(增强),氟化镁为增透膜,例 为了增加透射率,求氟化镁膜的最小厚度已知 空气n1=1.00,氟化镁 n2=1.38 ,=550 nm,则,S,M,明纹,暗纹,同一厚度 d 对应同一级条纹等厚干涉。,劈尖干涉,(明纹),(2)相邻明纹(暗纹)对应的厚度差,(3)条纹间距,(4 )干涉条纹的移动,(2) 测膜厚,劈尖干涉的应用,(3)检验光学元件表面的平整度,等厚条纹,各条纹对应空气膜厚度相同, 左条纹比右条纹对应空气膜厚度薄, 弯曲部分在左,如正常膜对应厚度应小, 只有为凹槽才能与右边平整处有相同空气膜厚.故不平处为凹槽.,凸起高度(凹槽深度),(4)测
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