第4章波动光学精选PPT.ppt

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1、第1页，本讲稿共88页wave opticswave optics第2页，本讲稿共88页4-1 4-1 光和光的相干性光和光的相干性光波中起感光作用的光波中起感光作用的是电场强度是电场强度E 矢量，称为矢量，称为光矢量光矢量。E 矢量的振动称为矢量的振动称为光振动光振动。在波动光学中，主要讨论的是相对光强，因此直接把在波动光学中，主要讨论的是相对光强，因此直接把光强光强定义为：定义为：一、光波的描述方法一、光波的描述方法可见光波长在可见光波长在400nm-760nm。光波是电磁波光波是电磁波红外区红外区可见光可见光紫外区紫外区光波的光波的能流密度。能流密度。光强光强第3页，本讲稿共88页二、光

2、的叠加性二、光的叠加性 相干条件相干条件两频率相同，振动方向相同的光波在两频率相同，振动方向相同的光波在p点相遇点相遇第4页，本讲稿共88页1、非相干叠加、非相干叠加两独立光源两独立光源所发出所发出的光的光或或同一光源的不同部位同一光源的不同部位所发出的所发出的光光叠加叠加叠加后光强等于两光束单独照射时的光强之和，叠加后光强等于两光束单独照射时的光强之和，无干涉现象无干涉现象.要使两列波在要使两列波在P处产生相干叠加处产生相干叠加两列波的条件：两列波的条件：（1）振动方向相同）振动方向相同（2）频率相同）频率相同（3）相位差恒定）相位差恒定相相干干光光相位差相位差“瞬息万变瞬息万变”第5页，本

3、讲稿共88页2、相干叠加、相干叠加满足相干条件的两束光叠加后满足相干条件的两束光叠加后相位差恒定，有干涉现象相位差恒定，有干涉现象若若干涉相长干涉相长干涉相消干涉相消第6页，本讲稿共88页钠钠光光灯灯A钠钠光光灯灯B两束光两束光不相干！不相干！？两个独立的两个独立的普通普通光源能否成为一对相干光源光源能否成为一对相干光源 普通光源发出的光是由光源中各个分子或原子发普通光源发出的光是由光源中各个分子或原子发出的波列组成的，而这些波列之间没有固定的相位关出的波列组成的，而这些波列之间没有固定的相位关系。因此，来自两个独立光源的光波，即使频率相同，系。因此，来自两个独立光源的光波，即使频率相同，振动

4、方向相同，它们的相位差也不可能保持恒定，因振动方向相同，它们的相位差也不可能保持恒定，因而不是相干光；同一光源的两个不同部分发出的光，而不是相干光；同一光源的两个不同部分发出的光，也不满足相干条件。也不满足相干条件。第7页，本讲稿共88页1 1 分波阵分波阵面面法法 杨氏干涉杨氏干涉2 2 分振幅法分振幅法 薄膜薄膜干涉干涉普通光源获得相干光的途径（方法）普通光源获得相干光的途径（方法）pS*分波分波阵阵面法面法分振幅法分振幅法p薄膜薄膜S S*3 3 分振动面法分振动面法 偏振光干涉偏振光干涉第8页，本讲稿共88页光从光从A到到B：n n介质介质介质介质r真空真空真空真空AB传播速度传播速度

5、波长波长相位差相位差三三、光程和光程差光程和光程差 第9页，本讲稿共88页将将光在介质中所走的路程，折算为在真空中的路程。光在介质中所走的路程，折算为在真空中的路程。（将（将光在介质中的传播，折算为在真空中的传播光在介质中的传播，折算为在真空中的传播.）光波在介质中传播时，其相位变化，不但与传播的几何光波在介质中传播时，其相位变化，不但与传播的几何路程有关，而且还与介质的折射率有关。路程有关，而且还与介质的折射率有关。为了便于计算为了便于计算光程光程第10页，本讲稿共88页光程表示在相同的时间内光在真空中通过的路程光程表示在相同的时间内光在真空中通过的路程12m3第11页，本讲稿共88页光程之

6、差称为光程差光程之差称为光程差第12页，本讲稿共88页光程差光程差若两相干光源是同位相的若两相干光源是同位相的两相干光源同位相，干涉条件两相干光源同位相，干涉条件第13页，本讲稿共88页4-2 4-2 分波阵面干涉分波阵面干涉 一、杨氏双缝干涉实验一、杨氏双缝干涉实验1、实验装置、实验装置S1S2S*k=+1k=-2k=+2k=0k=-1I第14页，本讲稿共88页2、杨氏干涉条纹、杨氏干涉条纹D D d dP点的光强决定于两束光到达时的相位差点的光强决定于两束光到达时的相位差，决定于两束光的光程差决定于两束光的光程差 光程差：光程差：第15页，本讲稿共88页明暗条纹条件：明暗条纹条件：明纹明纹

7、暗纹暗纹明暗条纹位置：明暗条纹位置：明纹明纹暗纹暗纹相邻明纹相邻明纹(暗纹暗纹)的距离：的距离：条纹特点：条纹特点：一系列平行等间距的明暗相间的条纹。一系列平行等间距的明暗相间的条纹。第16页，本讲稿共88页若用复色光源，则干涉条纹是彩色的。若用复色光源，则干涉条纹是彩色的。3、实际应用、实际应用杨氏干涉可用于测量波长。杨氏干涉可用于测量波长。方法一：测出方法一：测出x方法二：测出方法二：测出 x第17页，本讲稿共88页4、思考、思考？若将杨氏双缝干涉装置从空气中移到水中，干若将杨氏双缝干涉装置从空气中移到水中，干涉条纹将如何移动。涉条纹将如何移动。？若将杨氏双缝干涉装置光屏前、后移动，干若将

8、杨氏双缝干涉装置光屏前、后移动，干涉条纹将如何变化。涉条纹将如何变化。？若将杨氏双缝干涉装置中双缝间距增大、减若将杨氏双缝干涉装置中双缝间距增大、减少，干涉条纹将如何变化。少，干涉条纹将如何变化。第18页，本讲稿共88页二、洛埃镜实验二、洛埃镜实验光栏当屏幕当屏幕E移至移至E处，从处，从S1和和S2 到到L点的光程差点的光程差为零，但是观察到暗条纹，为零，但是观察到暗条纹，验证了反射时有半波损失验证了反射时有半波损失存在。存在。第19页，本讲稿共88页例：已知双缝间距例：已知双缝间距d=0.60mm,缝和屏幕间距缝和屏幕间距D=1.50m，若测得，若测得相邻两明条纹间距相邻两明条纹间距x=1.

9、50mm。（1 1）求入射光的波长？）求入射光的波长？（2 2）若以折射率）若以折射率n=1.30，厚，厚度度L=0.01mm的透明薄膜遮住的透明薄膜遮住一缝，原来的中央明条纹将变一缝，原来的中央明条纹将变成第几级明条纹？成第几级明条纹？解解:（1 1）第20页，本讲稿共88页未遮薄膜时，中央明未遮薄膜时，中央明条纹光程差为条纹光程差为:遮上薄膜后光程差为遮上薄膜后光程差为:设此处为设此处为k k级明纹，则级明纹，则:第21页，本讲稿共88页4-3 4-3 分振幅干涉分振幅干涉 利用薄膜上、下两个表面对入射光的反射利用薄膜上、下两个表面对入射光的反射(或折射或折射)，可在反射方向，可在反射方向

10、(或透射方向或透射方向)获得相干光束。获得相干光束。一、等倾干涉一、等倾干涉在一均匀透明介质在一均匀透明介质n1中中放入上下表面平行放入上下表面平行,厚度厚度为为e的均匀介质的均匀介质 n2(n1)1.1.等倾干涉条纹等倾干涉条纹a1a2a第22页，本讲稿共88页光线光线a2与光线与光线a1的光程差为：的光程差为：半波损失半波损失由折射定律和几何由折射定律和几何关系可得出：关系可得出：a1a2a垂直入射时：垂直入射时：第23页，本讲稿共88页干涉条件干涉条件薄膜薄膜aa1a2n1n2n3附加光程差的确定附加光程差的确定满足满足n1n3(或或n1 n2 n2n3(或或n1 n2 时的极限情况。时

11、的极限情况。当当a或或a时会出现明显的衍射现象。时会出现明显的衍射现象。当缝宽比波长大很多时，形成单一的明条纹当缝宽比波长大很多时，形成单一的明条纹.显显示了光的直线传播的性质示了光的直线传播的性质.结论结论阴阴影影屏幕屏幕屏幕屏幕第55页，本讲稿共88页讨论：讨论：a.光强分布光强分布当当 角增加时，半波带数增加，未被抵消的角增加时，半波带数增加，未被抵消的半波带面积减少，所以光强变小；半波带面积减少，所以光强变小；问题问题：当当 增加时增加时光强的极大值迅速光强的极大值迅速衰减。为什么？衰减。为什么？Ia52a32a32a520sin 第56页，本讲稿共88页因为衍射角相同的光线，因为衍射

12、角相同的光线，会聚在接收屏的相同位会聚在接收屏的相同位置上。置上。OaOab、单缝位置对光强分布的影响、单缝位置对光强分布的影响单缝上下移动，单缝上下移动，条纹位置不变。条纹位置不变。条纹位置如何？条纹位置如何？第57页，本讲稿共88页c、缝宽缝宽a对条纹分布的影响对条纹分布的影响a 变大，条纹变窄；变大，条纹变窄；a 变小，条纹变宽。变小，条纹变宽。d、波长对条纹分布的影响波长对条纹分布的影响所以衍射条纹宽度随波长的减小而变窄。所以衍射条纹宽度随波长的减小而变窄。小，条纹窄；小，条纹窄；大，条纹宽。大，条纹宽。第58页，本讲稿共88页例例一束波长为一束波长为 =500nm的平行光垂直照射在一

13、个单的平行光垂直照射在一个单缝上。缝上。如果所用的单缝的宽度如果所用的单缝的宽度a=0.5mm，缝后紧，缝后紧挨着的薄透镜焦距挨着的薄透镜焦距f=1m，求：，求：(1)第一级暗纹离中央第一级暗纹离中央明纹中心的距离；明纹中心的距离；(2)中央明条纹的半角宽度；中央明条纹的半角宽度；(3)中中央亮纹的线宽度；央亮纹的线宽度；(4)如果在屏幕上离中央明纹中心为如果在屏幕上离中央明纹中心为x=3.5mm的的P处为一明纹，则它为第几级明纹？从处为一明纹，则它为第几级明纹？从P处看，对该光波而言，狭缝处的波阵面可分割成处看，对该光波而言，狭缝处的波阵面可分割成几个半波带？几个半波带？第59页，本讲稿共8

14、8页解：解：(2)(2)中央亮纹半角宽度中央亮纹半角宽度(3)(3)中央亮纹线宽度中央亮纹线宽度(1)(1)第一级暗纹离中央明纹中心的距离第一级暗纹离中央明纹中心的距离第60页，本讲稿共88页(4)(4)已知已知x=3.5=3.5mm是是明明纹纹当当k=3时，光程差时，光程差狭缝处波阵面可分成狭缝处波阵面可分成7个半波带。个半波带。第61页，本讲稿共88页实验装置实验装置S*D4-7圆孔夫琅和费衍射圆孔夫琅和费衍射中央是个明亮的圆斑，中央是个明亮的圆斑，外围是一组同心的明暗相外围是一组同心的明暗相间的圆环。间的圆环。第62页，本讲稿共88页圆孔衍射圆孔衍射光强分布光强分布由第一暗环围成的光斑，

15、占整个由第一暗环围成的光斑，占整个入射光束总光强的入射光束总光强的84%，称为，称为爱里爱里斑斑。爱里斑爱里斑0I第63页，本讲稿共88页第一暗环对应的衍射角第一暗环对应的衍射角称为称为爱里斑的半角宽度爱里斑的半角宽度，（它标志着衍射的程度）（它标志着衍射的程度）式中式中D=2r 为圆孔的直径，若为圆孔的直径，若f 为透镜为透镜L2的焦距，则的焦距，则爱里斑的半径爱里斑的半径为：为：第一级暗环的衍射角满足；第一级暗环的衍射角满足；第64页，本讲稿共88页4-8 4-8 光栅衍射光栅衍射条纹特点：亮、细、疏条纹特点：亮、细、疏衍射光栅：衍射光栅：由大量等间距、等宽度的平行狭缝由大量等间距、等宽度

16、的平行狭缝所组成的光学元件。所组成的光学元件。用于透射光衍射的叫透射光栅用于透射光衍射的叫透射光栅。用于反射光衍射的叫反射光栅用于反射光衍射的叫反射光栅。光栅常数：光栅常数：a+b数量级为数量级为10-510-6m第65页，本讲稿共88页一、光栅的衍射花样一、光栅的衍射花样第66页，本讲稿共88页二、光栅方程二、光栅方程d=a+b光栅常数光栅常数d的数量级约的数量级约10-6米米透透射射光光栅栅AabPOf每缝都会衍射缝每缝都会衍射缝缝还有干涉缝还有干涉第67页，本讲稿共88页1、明纹条件、明纹条件(光栅方程光栅方程)狭缝越多，条纹就越明亮。狭缝越多，条纹就越明亮。AabPOf透透射射光光栅栅

17、每缝都会衍射，缝缝还有干涉每缝都会衍射，缝缝还有干涉在衍射角为任意角在衍射角为任意角 的方向上，从任意两相邻窄缝相应点发的方向上，从任意两相邻窄缝相应点发出的光到达出的光到达P点的光程差都是点的光程差都是dsin.第68页，本讲稿共88页缺级时同时满足：缺级时同时满足：2 2、缺级缺级若干涉的某一级明纹恰落在衍若干涉的某一级明纹恰落在衍射的一暗纹处，这一级明条纹射的一暗纹处，这一级明条纹便会缺掉。便会缺掉。所缺的级数所缺的级数k为：为：例如当例如当d/a=3时，时，则缺级的级数为则缺级的级数为 3，6。第69页，本讲稿共88页 如果有几种单色光如果有几种单色光同时投射在光栅上，同时投射在光栅上

18、，在屏上将出现光栅光在屏上将出现光栅光谱。谱。xf0 屏屏复色光复色光白光投射在光栅上，在屏上除白光投射在光栅上，在屏上除零级主极大明条纹由各种波长零级主极大明条纹由各种波长混合仍为白光外，其两侧将形混合仍为白光外，其两侧将形成由紫到红对称排列的彩色光成由紫到红对称排列的彩色光带。带。三、三、光栅光谱光栅光谱第70页，本讲稿共88页例例 波长为波长为600nm的单色光垂直入射在一光栅上，第二的单色光垂直入射在一光栅上，第二级明纹出现在级明纹出现在sin2=0.2=0.2处，第处，第4 4级缺级。求：级缺级。求：(1)(1)光栅常光栅常数是多少？数是多少？(2)(2)狭缝的最小宽度是多少？狭缝的

19、最小宽度是多少？(3)(3)按上述选定按上述选定的的a、d值，实际上能观察到的全部明纹数是多少？值，实际上能观察到的全部明纹数是多少？解解:(1)(2)第71页，本讲稿共88页在在-900sin900范围内可观察到的明纹级数为范围内可观察到的明纹级数为k=0,1,2,3,5,6,7,9,共共15条明纹条明纹(3)实际上能观察到的全部明纹数是多少？实际上能观察到的全部明纹数是多少？第72页，本讲稿共88页例例 用每厘米有用每厘米有50005000条条缝缝的光栅，观察钠光谱线，的光栅，观察钠光谱线，=589.3nm。在下列情况下，最多能看到几级条纹？在下列情况下，最多能看到几级条纹？（光线垂直入射

20、时）（光线垂直入射时）最多能看到最多能看到3级条纹。级条纹。解：由光栅方程：解：由光栅方程：第73页，本讲稿共88页4-9 4-9 光的偏振光的偏振一、自然光和一、自然光和偏振光偏振光一一束束自自然然光光可可分分解解为为两两束束振振动动方方向向相相互互垂垂直直的的、等等幅幅的的光光振动。振动。自然光的表示法：自然光的表示法：没有一个方向的光振动占没有一个方向的光振动占有优势。有优势。1.1.自然光自然光没有优势方向没有优势方向由于普通光原中单个原子发光的独立性、随机性和间歇性，由于普通光原中单个原子发光的独立性、随机性和间歇性，大量原子发出的光，大量原子发出的光，没有一个方向的光振动占没有一个

21、方向的光振动占有优势，各个有优势，各个方向光方向光矢量矢量E的振幅相等。的振幅相等。第74页，本讲稿共88页振动面：振动面：光光矢量矢量的振动方向与光的传播方向构成的平面。的振动方向与光的传播方向构成的平面。偏振偏振:光光矢量矢量的振动方向相对传播方向的不对称性。的振动方向相对传播方向的不对称性。光光矢矢量量振振动动面面voHE2.线偏振光和线偏振光和部分偏振光部分偏振光偏振方向偏振方向:光矢量光矢量的方向的方向第75页，本讲稿共88页光矢量只沿一个固定方向振动。光矢量只沿一个固定方向振动。线偏振光线偏振光(完全偏振光、平面偏振光完全偏振光、平面偏振光)E播播传传方方向向振振动动面面线偏振光的

22、表示法：线偏振光的表示法：光振动平行板面光振动平行板面光振动垂直板面光振动垂直板面第76页，本讲稿共88页部分偏振光部分偏振光 某个方向的光振动占某个方向的光振动占有优势。有优势。部部分分偏偏振振光光可可分分解解为为两两束束振振动动方方向向相相互互垂垂直直的的、不不等幅的等幅的线偏振光。线偏振光。部分偏振光的表示法：部分偏振光的表示法：平行板面的平行板面的光振动较强光振动较强垂直板面的垂直板面的光振动较强光振动较强部分偏振光的分解部分偏振光的分解部分偏振光部分偏振光自自然然光光与与线线偏偏振光振光的混合。的混合。第77页，本讲稿共88页二二、偏振片的、偏振片的起偏和检偏起偏和检偏 马吕斯定律马

23、吕斯定律起偏：起偏：使自然光（或部分偏振光）变成线偏振光的过程。使自然光（或部分偏振光）变成线偏振光的过程。检偏：检偏：检查入射光的偏振性。检查入射光的偏振性。1 1、偏振片的起偏和检偏、偏振片的起偏和检偏将待检查的入射光垂直入将待检查的入射光垂直入射偏振片，缓慢转动偏振射偏振片，缓慢转动偏振片，观察光强的变化，确片，观察光强的变化，确定光的偏振性。定光的偏振性。透透光光轴轴方方向向自然光自然光偏振片偏振片线偏振光线偏振光偏偏振振化化方方向向第78页，本讲稿共88页线偏振光通过旋转的检偏器，线偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化，有消光现象光强发生变化，有消光现象第79页，本讲稿共88页自然光

24、通过旋转的检偏器，光强不变。自然光通过旋转的检偏器，光强不变。第80页，本讲稿共88页部分偏振光通过旋转的检偏器，部分偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化。光强发生变化。第81页，本讲稿共88页2 2、马吕斯定律马吕斯定律 I0IP马吕斯定律马吕斯定律（18091809）-线偏振光的振动方向与检偏器的偏振化方向线偏振光的振动方向与检偏器的偏振化方向之间的夹角。之间的夹角。线偏振光可沿线偏振光可沿两个相互垂直两个相互垂直的方向分解的方向分解EEyEx yx P E0 E=E0cos 检偏器检偏器透射轴透射轴线偏振光线偏振光振动方向振动方向第82页，本讲稿共88页I?P待检光待检光I不变不变是什么

25、光？是什么光？I变，有消光变，有消光是什么光？是什么光？I变，无消光变，无消光是什么光？是什么光？讨论讨论消光消光第83页，本讲稿共88页例：例：用两偏振片平行放置作为起偏器和检偏器。当它们用两偏振片平行放置作为起偏器和检偏器。当它们的偏振化方向之间的夹角为的偏振化方向之间的夹角为30时，一束单色自然光穿过时，一束单色自然光穿过它们，出射光强为它们，出射光强为I1，当它们的偏振化方向之间的夹角为，当它们的偏振化方向之间的夹角为60时，另一束单色自然光穿过它们，出射光强为时，另一束单色自然光穿过它们，出射光强为I2，且，且I1=I2。求两束单色自然光的强度之比。求两束单色自然光的强度之比。解：解

26、：令令I1和和I2分别为两光源照到起偏器上的光强。透过起分别为两光源照到起偏器上的光强。透过起偏器后，光的强度分别为偏器后，光的强度分别为I1/2和和I2/2。按马吕斯定律，透过。按马吕斯定律，透过检偏器的光强分别是检偏器的光强分别是第84页，本讲稿共88页按题意按题意 I1=I2，所以有所以有由此得由此得第85页，本讲稿共88页三、布儒斯特定律三、布儒斯特定律-反射光和折射光的偏振反射光和折射光的偏振自然光自然光部分部分偏振光偏振光反射和折射过程会使入射的自然光一定程度的偏振化。反射和折射过程会使入射的自然光一定程度的偏振化。部分部分偏振光偏振光偏振化程度与入射角和两种介质的折射率有关。偏振

27、化程度与入射角和两种介质的折射率有关。第86页，本讲稿共88页反射光是振动方向垂直于入射面的线偏振光。反射光是振动方向垂直于入射面的线偏振光。起偏振角起偏振角布儒斯特角布儒斯特角布儒斯特定律布儒斯特定律布儒斯特发现：当入射角等于某一布儒斯特发现：当入射角等于某一特定值特定值i0 0时，时，且反射光传播方向与折射光传播方向垂直。且反射光传播方向与折射光传播方向垂直。自然光自然光线偏振光线偏振光部分偏振光部分偏振光第87页，本讲稿共88页ib(接近线偏振光接近线偏振光)玻璃片堆玻璃片堆最后获得两束振动面互相垂直的线偏振光最后获得两束振动面互相垂直的线偏振光利用玻璃片堆产生线偏振光利用玻璃片堆产生线偏振光第88页，本讲稿共88页