光学研究光的现象光的本光与物质的相互作用.ppt
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1、1,光学-研究 光的现象; 光的本性; 光与物质的相互作用.,20世纪60年代激光问世后,光学有了 飞速的发展,形成了非线性光学等现代光学。,几何光学:以光的直线传播规律为基础, 研究各种光学仪器的理论。,量子光学:以光的量子理论为基础, 研究光与物质相互作用的规律。,波动光学:以光的电磁波本性为基础, 研究传播规律,特别是干涉、衍射、偏振 的理论和应用。,第13 波动光学基础,2,光的干涉 : 双缝干涉,薄 膜干涉, 劈尖和牛顿环,光的衍射: 惠更斯原理,单缝衍射, 衍射光栅,光的偏振 : 线偏振光,自然光,偏和检偏 , 马吕斯定律 ,布儒斯特定律,本章主要内容,光源 ,光的传播,3,例如
2、L-C无阻尼振荡电路,1888年赫兹利用振荡偶极子 研究电磁波,得出电磁波的一些性质,13.1 光是电磁波,一、电磁波,1.电磁波的波源,任何振动的电荷或电荷系都是发射电磁波的波源。,4,2.平面电磁波的性质(实验得出),(1)电磁波是电场强度与磁场强度的矢量波,(2) 的频率、相位和振幅的关系,同相、同频,(3)横波,(4) 波速,真空中,5,(5)电磁波在两种不同的界面上要发生反射和折射, 由下式给出折射率。,对非铁磁质,6,3、电磁波的能量,电磁波的传播伴随能量的传播辐射能,能流密度:,单位时间、单位面积上流过的能量,空间某一位置:,总能量密度,能流密度大小:,方向:沿 的方向,7,辐射
3、强度(玻印亭矢量),平均辐射强度:,I 表示辐射强度在一个周期内的平均值在光学中称之为光强,8,4000 紫,7600 红,四、光是电磁波 可见光是能引起人的视觉的那部分电磁波。 发射光波的物体称为光源。,可见光的波长范围约为 400760nm,400450500550600650760nm 紫 蓝 绿 黄 橙 红,9,13.2 光源 光波的叠加,一. 普通光源与激光光源,光源的最基本的发光 单元是分子、原子。,(1)热辐射,(2)电致发光,(3)光致发光,(4)化学发光,10,1.普通光源:自发辐射,独立(同一原子不同时刻发的光),独立 (不同原子同一时刻发的光), = (E2-E1)/h,
4、E1,E2,自发辐射跃迁,波列长 L = t c,发光时间t 10-8s,原子发光:方向不定的振动 瞬息万变的初位相 此起彼伏的间歇振动,11,2 激光光源:受激辐射,可以实现光放大;单色性好;相干性好。,例如:氦氖激光器; 红宝石激光器; 半导体激光器等等。,完全一样,(频率, 相位,振动方向,传播方向都相同),12,二. 光的单色性,实际原子的发光:是一个有限长的波列,所以 不是严格的余弦函数,只能说是准单色光: 在某个中心频率(波长)附近有一定频率 (波长)范围的光。,衡量单色性好坏的 物理量是谱线宽度,理想的单色光:具有恒定单一波长的简谐波, 它是无限伸展的。,例:普通单色光 : 10
5、-2 10 0A 激光 :10-8 10-5 A,13,三. 光波的叠加 - 干涉,“当两列(或几列)满足一定条件的光波在某区域同时传播时,空间某些点的光振动 始终加强; 某些点的光振动 始终减弱,在空间形成一幅稳定的光强分布图样”,称为光的干涉现象。, 相干条件:,(2)频率相同,(3)有恒定的位相差,(1)振动方向相同,14,两列光波的叠加,P点:,其 中:,15,非相干光源,I = I 1 + I 2 非相干叠加,完全相干光源,平均光强为:,16,(k = 0,1,2,3),相消干涉(暗),(k = 0,1,2,3),极值条件,相长干涉(明),明纹,暗纹,17,相干光的获得方法,p,S
6、*,分波面法,分振幅法,p,薄膜,S *,18,1、现象,明纹,暗纹,2.波程差的计算,13. 3 获得相干光的方法 杨氏双缝干涉,一.杨氏双缝干涉,19,明纹位置,暗纹位置,3.明暗纹中心的位置和级次:,条纹间距,相邻两亮纹(或暗纹)之间的距离都是,20,(1) 一系列平行的明暗相间的条纹;,(3),4.条纹特点:,(2) 不太大时条纹等间距;,杨氏双缝实验第一次测定波长这个重要的物理量.,(4)若用复色光源,则干涉条纹是彩色的。,在屏幕上x=0处各种波长的波程差均为零,各种波长的零级条纹发生重叠,形成白色明纹。,21,讨论影响双缝干涉条纹分布的因素。,(1),若已定,只有D、d(仍然满足d
7、 ),条纹间距 变宽。,两相邻明纹(或暗纹)间距,22,例. 钠光灯作光源,波长 ,屏与双缝的距离 D=500 mm ,(1) d = 1.2 mm 和 d = 10 mm , 相邻明条纹间距分别为多大?(2) 若相邻明条纹的最小分辨距离为 0.065 mm ,能分辨干涉条纹的双缝间距是多少?,解,1d= 500 mm,d=10 mm,2,双缝间距 d 为,23,例1、杨氏双缝实验中,P为屏上第五级亮纹缩在位置。现将 一 玻璃片插入光源 发出的光束途中,则P点变为中央 亮条纹的位置,求玻璃片的厚度。,解、没插玻璃片之前二光束的光程差为,已知: 玻璃,插玻璃片之后二光束的光程差为,24,例1 用
8、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?,解: 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.当k级红色明纹位置xk红大于k+1级紫色明纹位置x(k+1)紫时,光谱就发生重叠。据前述内容有,25,将 红 = 7600, 紫 = 4000代入得K=1.1 因为 k只能取整数,所以应取k=2,这一结果表明: 在中央白色明纹两侧,只有第一级彩 色光谱是清晰可辨的。,26,3. 菲涅耳双棱镜干涉实验,27,A,B,C,M,1,M,2,s,点光源,4. 菲涅耳双面镜干涉实验,屏,平面镜,28,M,A,B,屏,P,问题:,5. 洛埃德镜实验,.,s1,s2,虚光源,反射镜
9、,点光源,当屏移到 位置时,在屏上的P 点应该出现暗条纹还是明条纹?,29,媒质1 光疏媒质 媒质2 光密媒质,n1,n2,折射波,反射波,入射波,光在垂直入射(i =0)或者掠入射(i =90)的情况下,如果光是从光疏媒质传向光密媒质,在其分界面上反射时将发生半波损失。 折射波无半波损失。,半波损失,若 n1 n2,30,13.4 光程与光程差,相位差在分析光的叠加时十分重要,为便于计算光通过不同媒质时的相位差,引入光程概念。,一. 光程, 真空中, 真空中波长, 媒质中, n媒质中波长,光通过媒质时不变,但要变,设为 。,31,nx 折射率为n的媒质中,光在距离x上 的等效真空路程,称为光
10、程,因为,所以,32,从相位看:媒质中距离x包含的波长数与 真空中距离nx包含的波长数相同,即二者 产生相同的相差。,从时间看:光在媒质中通过距离x的时间与 在真空中通过距离nx的时间相同。,采用光程差, 就可一律用真空中的波长 来计算相位差。,33,例,二.光程差 :,三.相位差和光程差的关系:,有时记作,34,在光学中常用到透镜。,三. 透镜不产生附加光程差,实验告诉我们: 物点到象点各光线之间的光程差为零(不证)。,35,例1、杨氏双缝实验中,P为屏上第五级亮纹缩在位置。现将 一 玻璃片插入光源 发出的光束途中,则P点变为中央 亮条纹的位置,求玻璃片的厚度。,解、没插玻璃片之前二光束的光
11、程差为,已知: 玻璃,插玻璃片之后二光束的光程差为,36,一、 等倾干涉,(暗),=,13.5 薄膜等厚干涉,1、 等倾干涉相长与相消的条件,To25,返回3,37,1、倾角相同的光线形成的干涉光光强相同。,问题:1、透射光的干涉情况如何? 2、透镜换成眼睛能看到这些条纹吗?,2、所有的平行光汇聚在透镜焦平面上的同一点。使条纹的对比度更高。,3 、透镜正放,焦面上条纹是一组同心圆。,2、等倾干涉的特点,38,1. 劈尖(劈形膜),劈尖夹角很小的两个平面所构成的薄膜。,劈尖干涉在膜表面附近形成明、暗相间的条纹。,A,1、2两束反射光来自 同一束入射光,它们 可以产生干涉 。,观察劈尖干涉的实验装
12、置,通常让光线几乎垂直入射。,二、 等厚干涉,39,设单色平行光线在A点 处入射,膜厚为d ,,在 n, 定了以后, 只是厚度 d 的函数。,反射光1,单色平行光垂直入射,d,n,n,n,A,反射光2,(设n n ),一个厚度d, 对应着一个光程差, 对应着一个条纹等厚条纹。,反射光1,2叠加 要不要考虑半波损失?,通常让光线几乎垂直入射:,40,在此问题中,棱边处 是亮纹还是暗纹?,亮纹,暗纹,(答:暗纹),相邻两条亮纹对应的厚度dk ,dk+1相差多大?,亮纹与暗纹等间距地相间排列。,41,设相邻两条亮纹对应的厚度差为 d:,有,所以有,条纹分得更开,更好测量。,42,平行光入射,平凸透镜
13、与平晶间形成空气劈尖。,观察牛顿环的装置示意图,d可用 r, R 表示:,2. 牛顿环,43,对空气劈尖,光程差,(n=1),(1)代入(2)得,第k 级暗环半径为,暗环:,中心是暗点(k =0),44,实用的观测公式:,(暗纹),牛顿环装置还能观测透射光的干涉条纹, 它们与入射光的干涉条纹正好亮暗互补。 (想一想为甚麽?),由,内疏外密,所以条纹间距:,45,3、干涉的应用,玻璃 n1=1.5, 镀MgF2 n2=1.38,放在 空气中,白光垂直射到膜的表面,欲使反射光中=550nm 的成分相消, 求:膜的最小厚度。,反射光相消 = 增透,思考:若 n2n3 会得到什么结果?为什么望远镜的镜
14、片有的发红,有的发蓝?,(1)增透膜与增反膜,效果最好,46,(2)测长度微小变化,(3)检查光学平面的缺陷,受热膨胀,条纹整体移 l 改变 d,条纹偏向膜(空气)厚部表示平面上有凸起。,平面上有凹坑。,47,(5) 测入射光的波长:,(4) 测透镜球面的半径R:, 已知,数清m, 测出 rk、 rk+m ,则,R 已知,数清 m,测出 rk,rk+m ,则,48,环外扩:要打磨中央部分,环内缩:要打磨边缘部分,(6)牛顿环在光学冷加工中的应用,49,13.6 惠更斯菲涅耳原理,一、光的衍射现象,当障碍物的线度接近光的波长,衍射现象尤其显著。 a 0.1m m,50,二、惠更斯菲涅耳原理,菲涅
15、耳补充:从同一波阵面上各点发出的子波是相干波。 1818年,惠更斯:光波阵面上每一点都可以看作新的子波源,以后任意时刻,这些子波的包迹就是该时刻的波阵面。 1690年,解释不了光强分布!,51,三、菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射,光源,光源,衍射屏,观察屏,I,为夫琅禾费衍射,否则为菲涅耳衍射。,52,P点的光强取决于狭缝上各子波源到此的光程差。光强分布?,I,13.7 单缝夫琅禾费衍射,为缝边缘两条光线在 p 点的光程差,为衍射角,53,单缝衍射图样的主要规律:,(1)中央亮纹最亮; 中央亮纹宽度是其他亮纹 宽度的两倍; 其他亮纹的宽度相同; 亮度逐级下降。,(2)缝 a 越小,条纹越宽。 (即衍
16、射越厉害),(3)波长 越大,条纹越宽。 (即有色散现象),如何解释这些实验规律?,54,一.(菲涅耳)半波带法,设考虑屏上的 P点 (它是 衍射角 平行光 的会聚点):,当 =0时, P 在 O 点,为中央亮纹的中心; 这些平行光到达 O点是没有相位差的。,当 时,相应P点上升,各条光线 之间产生了相位差,所以光强减小;,到什么时候光强减小为零呢? 或者说,第一暗纹的 是多大呢?,55,当 光程差 = a sin = 2/2 时,如图所示,可将缝分成了两个“半波带”:,两个“半波带”上相应的光线1与1在P点的相位差为,,所以两个“半波带”上发的光,在 P 点处干涉相消, 就形成第一条暗纹。,
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- 光学 研究 现象 物质 相互作用
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