第十八章-波动光学.ppt

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1、傅科测出光在水中的速度小傅科测出光在水中的速度小于空气中速度于空气中速度决定性判据决定性判据1719世纪世纪牛顿的微粒说牛顿的微粒说惠更斯的波动说惠更斯的波动说光是从光源发出的微粒流光是从光源发出的微粒流光是介质（以太）中的机械波光是介质（以太）中的机械波开始占统治地位开始占统治地位19世纪初世纪初波动说波动说杨氏双缝实验显示干涉现象杨氏双缝实验显示干涉现象惠更斯惠更斯-菲涅耳原理能解释菲涅耳原理能解释光直线传播和衍射现象光直线传播和衍射现象1850年年波动说波动说获得更多的支持获得更多的支持傅科旋转镜法测光速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

2、的认识发展简史解释与实物作用过程解释与实物作用过程（光的吸收与发射）（光的吸收与发射）中发生的现象中发生的现象解释传播过程（反射、解释传播过程（反射、折射、干涉、衍射和偏折射、干涉、衍射和偏振）中发生的现象振）中发生的现象 本章主要介绍光的波动性，光的粒子性在近本章主要介绍光的波动性，光的粒子性在近代物理中介绍代物理中介绍赫兹实验证实了光是电赫兹实验证实了光是电磁波的预言磁波的预言19世纪世纪60年代年代麦克斯韦电磁波理论麦克斯韦电磁波理论光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应等不能用波动说解释等不能用波动说解释20世纪初世纪初波动理论遭遇困难波动理论遭遇困难光具有波粒二象性光具有波粒二象性

3、表现为粒子表现为粒子表现为波动表现为波动第第一一部部分分 光光的的干干涉涉18-5 迈克耳孙干涉仪迈克耳孙干涉仪18-4 由分振幅法产生的光的干涉由分振幅法产生的光的干涉18-3 光程和光程差光程和光程差 薄透镜的一个性质薄透镜的一个性质18-2 由分波阵面法产生的光的干涉由分波阵面法产生的光的干涉18-1 光源光源 光的相干性光的相干性1.理解获得相干光的方法。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。涉条纹的位置。4.理解迈克耳孙干涉仪的工作原理。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

4、的关系。掌握光程的概念以及光程差和相位差的关系。一一.光源光源 发射光波的物体发射光波的物体1.1.热辐射热辐射 加热维持物体的温度，辐射就能持续进行下加热维持物体的温度，辐射就能持续进行下去，称为去，称为热辐射。热辐射。光波就是电磁波，任何物体都辐射电磁波。光波就是电磁波，任何物体都辐射电磁波。白白炽炽灯灯太太阳阳181 光源光源 光的相干性光的相干性 电致发光电致发光2.2.发光发光 需依靠一些激发过程获得能量维持辐射需依靠一些激发过程获得能量维持辐射 光致发光光致发光 化学发光化学发光半半导导体体发发光光二二极极管管闪电闪电荧光玩具荧光玩具荧光玩具荧光玩具节节节节能能能能灯灯灯灯萤火虫萤

5、火虫霓霓虹虹灯灯3.3.同步辐射光源同步辐射光源 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动的电子迅速损失能量产生的辐射 特点特点：方向性好、亮度高，还具有连续性、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优异的准直性和易脉冲化等特性 应用应用：为晶体结构为晶体结构研究，生物大分子和生研究，生物大分子和生物蛋白的结构研究提供物蛋白的结构研究提供了高性能的光源了高性能的光源北京的正负电子对撞机北京的正负电子对撞机可提供同步辐射光可提供同步辐射光1.1.普通光源（非激光光源）的发光机理普通光源（非激光光源）的发光机

6、理 原子发出的每一列光波是一段有限长的、振动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。方向一定、振幅不变或缓慢变化的正弦波。波列波列波列长波列长L=c二二.光的相干性光的相干性每一波列持续时间约为每一波列持续时间约为 普通普通光源发出的光是由构成光源的大量原子或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。分子运动状态改变时发出的。波列长度的数量级为波列长度的数量级为L=0.1 m 因波列持续时间过短，两因波列持续时间过短，两波列的干涉现象无法觉察。波列的干涉现象无法觉察。不同原子发的光不同原子发的光同一原子先后发的光同一原子先后发的光 同一

7、原子同一原子先后发出的波列振动方向和频率不一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。定相同，相位间无固定关系。不同原子不同原子发出的波列振动方向和频率也不一定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。相同，相位间无固定关系。两列波为相干波的条件：两列波为相干波的条件：频率相同，振动方向频率相同，振动方向相同，在相遇点有恒定的相位差。相同，在相遇点有恒定的相位差。结论：结论：两个独立光源发出的光波或同一光源两两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。部分发出的光波在相遇区观察不到干涉现象。2.相干光的获得方法相干光的获得方法 为实现

8、光的干涉，可以从同一波列分离出两个为实现光的干涉，可以从同一波列分离出两个波列再令其重叠发生干涉。波列再令其重叠发生干涉。为得到明显的干涉现象，还必须满足：为得到明显的干涉现象，还必须满足：在相遇点两列光波的在相遇点两列光波的光程光程（几何路程与介质折射（几何路程与介质折射率的乘积）不能相差太大率的乘积）不能相差太大 在相遇点两列光波的振幅不能相差太大在相遇点两列光波的振幅不能相差太大光程差光程差 r1n1-r2n2相干长度相干长度一波列长一波列长应尽量接近应尽量接近路程路程 r1路程路程 r2介质折射率介质折射率 n2介质折射率介质折射率 n1通常产生相干光源的两种方法：通常产生相干光源的两

9、种方法：分波阵面法分波阵面法 分振幅法分振幅法 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。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。和透射，将入射光的振幅分成两部分。3.目前最好的相干光源目前最好的相干光源激光光源激光光源 激光的波列长度比普通光源长得多，例如氦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向性等，能产生易于观察和上良好的单色性和方向性等，能

10、产生易于观察和测量的干涉现象。测量的干涉现象。一个正在辐射激光的激光器一个正在辐射激光的激光器激光产生的全息图像激光产生的全息图像一一.杨氏双缝实验杨氏双缝实验S1S2S接收屏上形成的干涉图样接收屏上形成的干涉图样狭缝视为缝光源狭缝视为缝光源光光源源双缝双缝接收屏接收屏 缝光源缝光源S S 产生柱面波，双缝产生柱面波，双缝S S1 1和和S S2 2与与S S 等距，等距，位于同一波阵面上，相位相同，成为相干光源，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。发出的子波在相遇区发生干涉。18-2 由分波阵面法产生的光的干涉由分波阵面法产生的光的干涉 因因Dd，S1、S2

11、 发出的光波到发出的光波到P 点的点的波程差波程差为为=d sin d tan OP=x，r1-r2 =S2B1.单色光入射时屏上明暗相间干涉条纹位置的计算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垂直于缝长的平面内同相面Pr1 r2 xxDOS1S2MBd波程差计算波程差计算狭缝狭缝缝缝光源光源 若若即即初相相同的两相干波叠加后加强与减弱的条件为初相相同的两相干波叠加后加强与减弱的条件为合合振幅最大振幅最大合合振幅最小振幅最小出现出现明条纹明条纹 若若即即出现出现暗条纹暗条纹明条纹级次明条纹级次暗条纹级次暗条纹级次2.2.杨氏双缝干涉的特点杨氏双缝干涉的特点 单色光干

12、涉，相邻明条纹（或暗条纹）的间距为单色光干涉，相邻明条纹（或暗条纹）的间距为干涉条纹等距离分布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，形成彩色条纹生重叠，形成彩色条纹明条纹间距明条纹间距明条纹间距明条纹间距中央明纹中央明纹 干涉条纹间距与单色光波长成正比干涉条纹间距与单色光波长成正比二二.菲涅耳双镜实验菲涅耳双镜实验 S1和和 S2相当于相当于两个相干光源两个相干光源相邻明条纹（或暗条纹）的间距为相邻明条纹（或暗条纹）的间距为 屏上出现明暗条纹屏上出现明暗条纹的条件与杨氏实验结果的条件与杨氏实验结果的类似的类似光源光源接收

13、屏接收屏M1中镜像中镜像M2中镜像中镜像镜面镜面 例题例题18-1 菲涅耳双镜菲涅耳双镜=10-3rad，单色线光源单色线光源 S 与两镜交线平行，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；求屏上两相邻明条纹的间距；(2)若若=10-2rad，问条纹间距将怎样改变？问条纹间距将怎样改变？解解（1）cos1，sin=10-3（2）当）当=10-2rad时，有时，有 变大时，变大时，条纹间距将变小，要获得较大的条条纹间距将变小，要获得较大的条纹间距，纹间距，必须很小。必须很小。三三.劳埃德镜实验劳埃德镜实验 平面镜平面镜MM下表面涂黑，光仅从上表面反射下

14、表面涂黑，光仅从上表面反射 S 和和 S相当于两个相干光源相当于两个相干光源实验结果表明：实验结果表明：反射光的反射光的相位相位改变了改变了 ，称为，称为半半波损失波损失 干涉条纹与杨干涉条纹与杨氏实验结果的类似氏实验结果的类似光源光源MM中镜像中镜像小平面镜小平面镜接收屏接收屏此此处处出出现现暗暗条条纹纹 光从光疏介质（折射率较小）向光密介质（折射光从光疏介质（折射率较小）向光密介质（折射率大）表面入射时，如果入射角接近率大）表面入射时，如果入射角接近 （掠入射）（掠入射）或为或为 （正入射），则反射光的（正入射），则反射光的相位改变相位改变 ，即出，即出现现半波损失半波损失。理论和实验证明

15、：理论和实验证明：n2n1正入射正入射n2 n1掠入射掠入射法线法线 例题例题18-2 劳埃德镜实验中，线光源劳埃德镜实验中，线光源S1到到镜面的镜面的垂距为垂距为1mm，D为为1.5 m，MM=D/2，MO为为D/4。（1）求干涉区域上下两边到屏中心距离求干涉区域上下两边到屏中心距离OA和和OB；（2）若）若=600 nm，求相邻明条纹间距，并问屏上求相邻明条纹间距，并问屏上能观察到几条明条纹？能观察到几条明条纹？S1S2MM dABOCD 解解 （1）由三角）由三角形相似，有形相似，有OA=3mm，OB=0.333mm得得（2）与杨氏实验相比，得相邻明纹间距为）与杨氏实验相比，得相邻明纹间

16、距为由于有半波损失，光程差应为由于有半波损失，光程差应为明纹位置明纹位置 x 应满足应满足第一级明纹位置第一级明纹位置 x1=0.225mm d，故上故上式可略去高阶小量式可略去高阶小量d 2，可得可得drRCO明环明环暗环暗环明环明环暗环暗环或或设薄膜折射率为设薄膜折射率为n，则在有半波损失时的光程差则在有半波损失时的光程差 特点：如果反射有半波损失，则中心处为暗特点：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；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。条纹的间距是中间大，边缘小。入射光经半反入射光经半反膜后分成两束，膜后分成两束

17、，G1、G2 是平行放置的是平行放置的平板玻璃，其中平板玻璃，其中G2 是补偿板。是补偿板。M 1、M2 是两个全反镜，是两个全反镜，一般相互垂直一般相互垂直。M 12211S半透半反膜半透半反膜M2M1G1G2E18-5 迈克尔孙干涉仪迈克尔孙干涉仪 平移距离平移距离 d 与条纹移动数与条纹移动数N 的关系满足的关系满足 M1 和和M2 严格平行时，严格平行时，M2 移动表现为等倾干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涉的圆环形条纹，不断从中心冒出或向中心收缩 M1 1 和和M2不严格平行时，则表现为等厚干涉条不严格平行时，则表现为等厚干涉条纹，不断移过视场中某一标记位置。纹，不断移过视场中某一标记位置。第二部分第二部分 光的衍射光的衍射点击按钮可进入第二部分点击按钮可进入第二部分