第十八波动光学课件.ppt

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1、第十八波动光学第1页，此课件共52页哦傅科测出光在水中的速度小于空气中速度决定性判据1719世纪牛顿的微粒说惠更斯的波动说光是从光源发出的微粒流光是介质（以太）中的机械波开始占统治地位19世纪初波动说杨氏双缝实验显示干涉现象惠更斯-菲涅耳原理能解释光直线传播和衍射现象1850年波动说获得更多的支持傅科旋转镜法测光速SS1S2M1M2L18-0关于光的本性的认识发展简史关于光的本性的认识发展简史第2页，此课件共52页哦解释与实物作用过程（光的吸收与发射）中发生的现象解释传播过程（反射、折射、干涉、衍射和偏振）中发生的现象 本章主要介绍光的波动性，光的粒子性在近代物理中介绍赫兹实验证实了光是电磁波

2、的预言19世纪60年代麦克斯韦电磁波理论光电效应、康普顿效应等不能用波动说解释20世纪初波动理论遭遇困难光具有波粒二象性表现为粒子表现为波动第3页，此课件共52页哦第一部分第一部分 光的干涉光的干涉第4页，此课件共52页哦第5页，此课件共52页哦教学基本要求1.理解获得相干光的方法。3.能分析、确定杨氏双缝干涉条纹及薄膜等厚干涉条纹的位置。4.理解迈克耳孙干涉仪的工作原理。2.掌握光程的概念以及光程差和相位差的关系。第6页，此课件共52页哦一.光源 发射光波的物体1.热辐射 加热维持物体的温度，辐射就能持续进行下去，称为热辐射。光波就是电磁波，任何物体都辐射电磁波。白炽灯太阳第7页，此课件共5

3、2页哦 电致发光2.发光 需依靠一些激发过程获得能量维持辐射 光致发光 化学发光半导体发光二极管闪电萤火虫霓虹灯第8页，此课件共52页哦3.同步辐射光源 在同步辐射加速器中速度接近光速作环形运动的电子迅速损失能量产生的辐射 特点：方向性好、亮度高，还具有连续性、优异的准直性和易脉冲化等特性 应用：为晶体结构研究，生物大分子和生物蛋白的结构研究提供了高性能的光源北京的正负电子对撞机可提供同步辐射光第9页，此课件共52页哦1.普通光源（非激光光源）的发光机理 原子发出的每一列光波是一段有限长的、振动方向一定、振幅不变或缓慢变化的正弦波。波列波列长L=c二.光的相干性每一波列持续时间约为s 109

4、普通光源发出的光是由构成光源的大量原子或分子运动状态改变时发出的。波列长度的数量级为L=0.1 m 因波列持续时间过短，两波列的干涉现象无法觉察。第10页，此课件共52页哦不同原子发的光同一原子先后发的光 同一原子先后发出的波列振动方向和频率不一定相同，相位间无固定关系。不同原子发出的波列振动方向和频率也不一定相同，相位间无固定关系。两列波为相干波的条件：频率相同，振动方向相同，在相遇点有恒定的相位差。结论：两个独立光源发出的光波或同一光源两部分发出的光波在相遇区观察不到干涉现象。第11页，此课件共52页哦2.相干光的获得方法 为实现光的干涉，可以从同一波列分离出两个波列再令其重叠发生干涉。为

5、得到明显的干涉现象，还必须满足：在相遇点两列光波的光程（几何路程与介质折射率的乘积）不能相差太大 在相遇点两列光波的振幅不能相差太大光程差 r1n1-r2n2相干长度一波列长应尽量接近路程 r1路程 r2介质折射率 n2介质折射率 n1第12页，此课件共52页哦通常产生相干光源的两种方法：分波阵面法 分振幅法 利用并排的孔或缝或利用反射和折射将入射光的波阵面分成两部分。利用两种透明介质的分界面对入射光的反射和透射，将入射光的振幅分成两部分。第13页，此课件共52页哦3.目前最好的相干光源激光光源 激光的波列长度比普通光源长得多，例如氦氖激光器产生的激光相干长度可达几千米，再加上良好的单色性和方

6、向性等，能产生易于观察和测量的干涉现象。一个正在辐射激光的激光器激光产生的全息图像第14页，此课件共52页哦一.杨氏双缝实验S1S2S接收屏上形成的干涉图样狭缝视为缝光源光源双缝接收屏 缝光源S 产生柱面波，双缝S1和S2与S 等距，位于同一波阵面上，相位相同，成为相干光源，发出的子波在相遇区发生干涉。第15页，此课件共52页哦 因Dd，S1、S2 发出的光波到P 点的波程差为=d sin d tan OP=x，Dx tanDxdrr 12 r1-r2 =S2B1.单色光入射时屏上明暗相间干涉条纹位置的计算垂直于缝长的平面内同相面Pr1r2xxDOS1S2MBd波程差计算狭缝缝光源第16页，此

7、课件共52页哦 若 kDxdrr 12即,2,1,0,kdDkx 初相相同的两相干波叠加后加强与减弱的条件为 ,2,1,02)12(,2,1,02212kkkkrr 合振幅最大合振幅最小出现明条纹 若2)12(12 kDxdrr即,3,2,1,2)12(kdDkx 出现暗条纹明条纹级次暗条纹级次第17页，此课件共52页哦2.杨氏双缝干涉的特点 单色光干涉，相邻明条纹（或暗条纹）的间距为dDx 干涉条纹等距离分布 白光干涉，只有中央明条纹是白色，其它条纹发生重叠，形成彩色条纹x x 明条纹间距明条纹间距中央明纹 干涉条纹间距与单色光波长成正比第18页，此课件共52页哦二.菲涅耳双镜实验 sin2

8、rd cosrLD sin2)cos(rrLdDx S1和 S2相当于两个相干光源相邻明条纹（或暗条纹）的间距为 屏上出现明暗条纹的条件与杨氏实验结果的类似光源接收屏M1中镜像M2中镜像镜面第19页，此课件共52页哦 例题18-1 菲涅耳双镜=10-3rad，单色线光源 S 与两镜交线平行，r=0.5m，=500nm，L=2m。(1)求屏上两相邻明条纹的间距；(2)若=10-2rad，问条纹间距将怎样改变？解（1）cos1，sin=10-3mm25.1105.02105.0)5.02(sin2)cos(36 rrLx（2）当=10-2rad时，有mm125.0105.02105.0)5.02(

9、26 x 变大时，条纹间距将变小，要获得较大的条纹间距，必须很小。第20页，此课件共52页哦三.劳埃德镜实验 平面镜MM下表面涂黑，光仅从上表面反射 S 和 S相当于两个相干光源实验结果表明：反射光的相位改变了 ，称为半波损失 干涉条纹与杨氏实验结果的类似光源MM中镜像小平面镜接收屏此处出现暗条纹第21页，此课件共52页哦 光从光疏介质（折射率较小）向光密介质（折射率大）表面入射时，如果入射角接近 （掠入射）或为 （正入射），则反射光的相位改变 ，即出现半波损失。理论和实验证明：90 0n2n1正入射n2 n1掠入射法线第22页，此课件共52页哦 例题18-2 劳埃德镜实验中，线光源S1到镜面

10、的垂距为1mm，D为1.5 m，MM=D/2，MO为D/4。（1）求干涉区域上下两边到屏中心距离OA和OB；（2）若=600 nm，求相邻明条纹间距，并问屏上能观察到几条明条纹？S1S2MM dABOCD 解 （1）由三角形相似，有434/2/2/DDDdOAOAOA=3mm，OB=0.333mm得414/2/DDdOBOB第23页，此课件共52页哦（2）与杨氏实验相比，得相邻明纹间距为dDx m105.44 由于有半波损失，光程差应为2 xDd明纹位置 x 应满足,2,1,)21(2 kdDkxkxDd 第24页，此课件共52页哦第一级明纹位置 x1=0.225mm d，故上式可略去高阶小量

11、d 2，可得Rrd22 22222RrdRdR drRCO第47页，此课件共52页哦 ,2,1,02)12(,2,1 2222kkkkRnrnd 明环暗环 ,2,1,0,2,1)21(knRkknRkr 明环暗环或设薄膜折射率为n，则在有半波损失时的光程差第48页，此课件共52页哦 特点：如果反射有半波损失，则中心处为暗斑，否则为明纹；条纹的级次是中间小，边缘高；条纹的间距是中间大，边缘小。第49页，此课件共52页哦 入射光经半反膜后分成两束，G1、G2 是平行放置的平板玻璃，其中G2 是补偿板。M 1、M2 是两个全反镜，一般相互垂直。M 12211S半透半反膜M2M1G1G2E第50页，此课件共52页哦 平移距离 d 与条纹移动数N 的关系满足2 Nd M1 和M2 严格平行时，M2 移动表现为等倾干涉的圆环形条纹，不断从中心冒出或向中心收缩 M1和M2不严格平行时，则表现为等厚干涉条纹，不断移过视场中某一标记位置。第51页，此课件共52页哦点击按钮可进入第二部分第52页，此课件共52页哦