波動光學(xué)醫(yī)學(xué)

1、波動光學(xué)波動光學(xué)【掌握】單縫衍射、光柵衍射、和【掌握】單縫衍射、光柵衍射、和x射線衍射現(xiàn)象產(chǎn)生的條件和計(jì)算方射線衍射現(xiàn)象產(chǎn)生的條件和計(jì)算方法，馬呂斯定律法，馬呂斯定律【了解】了解光的偏振和物質(zhì)的旋【了解】了解光的偏振和物質(zhì)的旋光現(xiàn)象光現(xiàn)象第二節(jié)第二節(jié) 光的衍射光的衍射 一、光的衍射現(xiàn)象、惠更斯一、光的衍射現(xiàn)象、惠更斯-菲涅耳原菲涅耳原理理（一）光的衍射現(xiàn)象（一）光的衍射現(xiàn)象 波在傳播過程中遇到障礙物時(shí)，波在傳播過程中遇到障礙物時(shí)，能夠繞過障礙物的邊緣前進(jìn)，這種偏能夠繞過障礙物的邊緣前進(jìn)，這種偏離直線傳播的現(xiàn)象稱為波的衍射現(xiàn)象。離直線傳播的現(xiàn)象稱為波的衍射現(xiàn)象。 光繞過障礙物而偏離直線傳播，光繞

2、過障礙物而偏離直線傳播，并且出現(xiàn)光強(qiáng)度分布不均勻的現(xiàn)象并且出現(xiàn)光強(qiáng)度分布不均勻的現(xiàn)象稱為光的衍稱為光的衍射。射。 光的單縫衍射現(xiàn)象所觀察到的亮光的單縫衍射現(xiàn)象所觀察到的亮暗相間的條紋稱為衍射圖樣。暗相間的條紋稱為衍射圖樣。（二）菲涅耳（二）菲涅耳- -惠更斯原理惠更斯原理惠更斯原理惠更斯原理: :在波的傳播過程中在波的傳播過程中, ,波波陣面陣面( (波前波前) )上的每一點(diǎn)都可看作是上的每一點(diǎn)都可看作是發(fā)射子波的波源發(fā)射子波的波源, ,在其后的任一時(shí)刻在其后的任一時(shí)刻, ,這些子波的包跡就成為新的波陣面。這些子波的包跡就成為新的波陣面。 在波的傳播過程中在波的傳播過程中, ,從同一波陣從同一

3、波陣面上的各點(diǎn)發(fā)出的子波，經(jīng)傳播在面上的各點(diǎn)發(fā)出的子波，經(jīng)傳播在空間某點(diǎn)相遇時(shí)，這些次級子波要空間某點(diǎn)相遇時(shí)，這些次級子波要相干疊加，這一點(diǎn)的振動即是相干相干疊加，這一點(diǎn)的振動即是相干疊加的結(jié)果。這個(gè)發(fā)展了的惠更斯疊加的結(jié)果。這個(gè)發(fā)展了的惠更斯原理稱為惠更斯原理稱為惠更斯- -菲涅耳原理。菲涅耳原理。菲涅耳衍射菲涅耳衍射夫瑯和費(fèi)衍射夫瑯和費(fèi)衍射中央亮條紋中央亮條紋衍射角衍射角波陣面波陣面abab分割成小的波陣面分割成小的波陣面稱為波稱為波帶。帶。2 2個(gè)半波帶，個(gè)半波帶，p p點(diǎn)暗紋。點(diǎn)暗紋。fxtg3 3個(gè)半波帶，個(gè)半波帶，p p點(diǎn)亮紋，亮度點(diǎn)亮紋，亮度比中央亮條紋弱。比中央亮條紋弱。4 4

4、個(gè)半波帶，個(gè)半波帶，p p點(diǎn)暗紋。點(diǎn)暗紋。對于某些方向，波陣面對于某些方向，波陣面abab不不能分成整數(shù)個(gè)半波帶，則光線會能分成整數(shù)個(gè)半波帶，則光線會聚后得到的光強(qiáng)介于亮條紋和暗聚后得到的光強(qiáng)介于亮條紋和暗條紋之間。條紋之間。暗紋條件：暗紋條件：,.)3 , 2 , 1(22sinkka亮紋條件：亮紋條件：,.)3 , 2 , 1(2) 12(sinkka中央明紋位置：中央明紋位置：0中央明條紋的半角寬度中央明條紋的半角寬度0 0即第即第一暗紋的衍射角。一暗紋的衍射角。中央明紋的寬度中央明紋的寬度x x：正負(fù)第一級：正負(fù)第一級暗紋的位置距離。暗紋的位置距離。11xxxaffftgxkk111s

5、inafx1afx2第第k k級明紋的寬度：第級明紋的寬度：第k+1k+1級暗紋級暗紋與第與第k k級暗紋的位置距離。級暗紋的位置距離。afafkafkxxxkk) 1(1白色光照射單縫，中央條紋中間是白色光照射單縫，中央條紋中間是白色邊緣是彩帶，兩側(cè)出現(xiàn)彩色條白色邊緣是彩帶，兩側(cè)出現(xiàn)彩色條紋，靠內(nèi)是紫光，靠外是紅光。紋，靠內(nèi)是紫光，靠外是紅光。例例11-311-3：設(shè)有一單色平行光垂直：設(shè)有一單色平行光垂直照射于一單縫，若其第三級亮條照射于一單縫，若其第三級亮條紋位置正好和紋位置正好和600nm600nm的單色光的第的單色光的第二級亮條紋位置相同，求單色平二級亮條紋位置相同，求單色平行光的波

6、長。行光的波長。解：根據(jù)單縫衍射亮條紋的條件：解：根據(jù)單縫衍射亮條紋的條件：,.3 , 2 , 12) 12(sinkka2) 132(2600) 122(nm6 .428三、衍三、衍射光柵射光柵（一）光柵常數(shù)（一）光柵常數(shù) 由大量等寬等間距的平行狹縫由大量等寬等間距的平行狹縫構(gòu)成的光學(xué)器件稱為光柵。構(gòu)成的光學(xué)器件稱為光柵。 一般常用的光柵是在玻璃片一般常用的光柵是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成，刻痕不上刻出大量平行刻痕制成，刻痕不透光，相當(dāng)狹縫。透光，相當(dāng)狹縫。光柵縫寬為光柵縫寬為a a，縫間不透光部分寬，縫間不透光部分寬度為度為b b，d=a+bd=a+b稱為光柵常數(shù)。稱為光柵常數(shù)。光柵常

7、數(shù)一般為光柵常數(shù)一般為1010-5-51010-6-6m m之間。之間。abd光柵衍射為單縫衍射和多縫干涉的光柵衍射為單縫衍射和多縫干涉的總效應(yīng)?？傂?yīng)。（三）光柵公式（三）光柵公式亮條紋的衍射角：亮條紋的衍射角：,.2 , 1 , 0sin)(kkba衍射級次限制：衍射級次限制：1sin單縫衍射暗紋條件：單縫衍射暗紋條件：a a sinsin = =k k 若同時(shí)在該處滿足光柵主極大：若同時(shí)在該處滿足光柵主極大：(a+b)sin (a+b)sin = = k k 則這個(gè)主極大不亮則這個(gè)主極大不亮, ,稱為缺級稱為缺級. .暗的相暗的相干相長干相長仍為暗！仍為暗！kbasin)(,.3 , 2

8、 , 1sinkka,.3 , 2 , 1kkabak若若(a+b)/a(a+b)/a是整數(shù)，將發(fā)生缺級現(xiàn)象是整數(shù)，將發(fā)生缺級現(xiàn)象如如a+b=3aa+b=3a，則第三級、第六級、，則第三級、第六級、.亮條紋不出現(xiàn)。亮條紋不出現(xiàn)。（四）衍射光譜（四）衍射光譜1.1.光柵衍射光譜光柵衍射光譜白光照射光柵時(shí)除中央條紋為各色白光照射光柵時(shí)除中央條紋為各色混合的白光外，其他各級的亮條紋混合的白光外，其他各級的亮條紋都形成彩色的光譜帶稱為衍射光譜。都形成彩色的光譜帶稱為衍射光譜。2.2.光柵衍射光譜與棱鏡色散光譜的光柵衍射光譜與棱鏡色散光譜的比較比較棱鏡對白光有分光的色散作用，所棱鏡對白光有分光的色散作用

9、，所形成的彩色光譜帶稱為色散光譜。形成的彩色光譜帶稱為色散光譜。光柵衍射光譜與棱鏡色散光譜的區(qū)光柵衍射光譜與棱鏡色散光譜的區(qū)別：別：（1 1）衍射光譜是勻排光譜，棱鏡）衍射光譜是勻排光譜，棱鏡色散紫光附近的光譜比紅光附近的色散紫光附近的光譜比紅光附近的光譜展開得大些，是非勻排光譜。光譜展開得大些，是非勻排光譜。（2 2）衍射光譜中各譜線的排列次）衍射光譜中各譜線的排列次序由紫到紅，而在棱鏡的色散光譜序由紫到紅，而在棱鏡的色散光譜中由紅到紫，正好相反。中由紅到紫，正好相反。3.3.光譜分析光譜分析各種類型光源發(fā)出的光經(jīng)光柵后形各種類型光源發(fā)出的光經(jīng)光柵后形成的光譜：成的光譜：熾熱物體發(fā)射的光：連

10、續(xù)光譜熾熱物體發(fā)射的光：連續(xù)光譜在火焰中加熱或通過放電管中通電在火焰中加熱或通過放電管中通電激發(fā)形成的原子發(fā)光，其譜線由一激發(fā)形成的原子發(fā)光，其譜線由一些明線組成，稱為明線光譜。些明線組成，稱為明線光譜。 讓熾熱物體所發(fā)出連續(xù)光譜的讓熾熱物體所發(fā)出連續(xù)光譜的光，通過一定的物質(zhì)后，再經(jīng)過光光，通過一定的物質(zhì)后，再經(jīng)過光柵，則在形成的光譜中出現(xiàn)一系列柵，則在形成的光譜中出現(xiàn)一系列暗線，稱為吸收光譜。暗線，稱為吸收光譜。 利用某種物質(zhì)的明線光譜或吸利用某種物質(zhì)的明線光譜或吸收光譜的譜線情況，可以定性地分收光譜的譜線情況，可以定性地分析出該物質(zhì)所含的元素或化合物，析出該物質(zhì)所含的元素或化合物，由譜線的

11、強(qiáng)度可定量分析出所含元由譜線的強(qiáng)度可定量分析出所含元素的多少，這種分析方法稱為光譜素的多少，這種分析方法稱為光譜分析。分析。（五）閃耀光柵（五）閃耀光柵 具有一定形狀刻槽的反射光柵，具有一定形狀刻槽的反射光柵，能將能量較多地集中到所應(yīng)用的那能將能量較多地集中到所應(yīng)用的那一級光譜帶上，這種光柵稱為閃耀一級光譜帶上，這種光柵稱為閃耀光柵。光柵。（六）光柵光譜儀（六）光柵光譜儀 用光柵作色散元件的單色儀、用光柵作色散元件的單色儀、分光計(jì)和攝譜儀等系統(tǒng)稱為光柵光分光計(jì)和攝譜儀等系統(tǒng)稱為光柵光譜儀。譜儀。常用光柵光譜儀有凹面光柵和常用光柵光譜儀有凹面光柵和平面光柵兩種。平面光柵兩種。埃伯特光柵單色儀埃伯

12、特光柵單色儀ss處攝譜為光柵攝譜儀處攝譜為光柵攝譜儀例例11-411-4當(dāng)紅光垂直照射到每厘米有當(dāng)紅光垂直照射到每厘米有40004000條刻線的透射光柵上，觀察到條刻線的透射光柵上，觀察到第二級光譜線的衍射角第二級光譜線的衍射角36360 0，求照，求照射紅光的波長。射紅光的波長。解：光柵常數(shù)：解：光柵常數(shù)：mcmd6105 . 240001nmkd735236sin105 . 2sin06例例11-511-5一光柵每毫米長有一光柵每毫米長有600600條刻條刻線，用波長為線，用波長為589nm589nm的黃色光垂直的黃色光垂直照射，求各級光譜線的衍射角。照射，求各級光譜線的衍射角。解：光柵常

13、數(shù)：解：光柵常數(shù)：md3106001dksin第一級光譜線第一級光譜線k=1k=1：353. 0sin1d017 .20第二級光譜線第二級光譜線k=2k=2：706. 02sin2d0245k=3k=3：1059. 13sin3d只能得到二級光譜線。只能得到二級光譜線。例例11-611-6設(shè)計(jì)一個(gè)平面透射光柵，使設(shè)計(jì)一個(gè)平面透射光柵，使得該光柵能將光波波長范圍為得該光柵能將光波波長范圍為430nm430nm680nm680nm的光波的第一級衍射的光波的第一級衍射光譜展開為光譜展開為20.020.00 0的角度范圍。的角度范圍。解：解：nmnm6804302111sin)(ba201)20sin

14、()(banmba913)(四、圓孔衍射四、圓孔衍射艾里斑艾里斑dfd22. 12 光的衍射現(xiàn)象限制了光學(xué)儀器光的衍射現(xiàn)象限制了光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)。的分辨本領(lǐng)。五、五、x x射線的衍射射線的衍射x x射線：波長為射線：波長為0.01nm0.01nm10nm10nm之間之間的電磁輻射，也稱為倫琴射線。的電磁輻射，也稱為倫琴射線。勞厄利用晶體原子的周期性排列作勞厄利用晶體原子的周期性排列作為為x x射線的光柵，成功進(jìn)行射線的光柵，成功進(jìn)行x x射線衍射線衍射實(shí)驗(yàn)。射實(shí)驗(yàn)。勞厄斑（勞厄斑（a a）紅寶石晶體）紅寶石晶體 （b b）單晶硅）單晶硅符合反射定律，且光程差符合布喇格公符合反射定律，且光程差

15、符合布喇格公式的衍射子波加強(qiáng)。式的衍射子波加強(qiáng)。,.2 , 1sin2kkd倫琴射線攝譜儀倫琴射線攝譜儀x x射線光譜分析射線光譜分析x x射線晶體結(jié)構(gòu)分析射線晶體結(jié)構(gòu)分析第三節(jié)第三節(jié) 光的偏振光的偏振一、光的偏振性一、光的偏振性（一）自然光（一）自然光 由波的傳播方向和波的振動方向由波的傳播方向和波的振動方向所確定的平面稱為波的振動面。所確定的平面稱為波的振動面。 光的振動方向在振動面內(nèi)不具有光的振動方向在振動面內(nèi)不具有對稱性，這稱為偏振。對稱性，這稱為偏振。 橫波和縱波都可以產(chǎn)生干涉和橫波和縱波都可以產(chǎn)生干涉和衍射現(xiàn)象。衍射現(xiàn)象。 只有橫波才有偏振現(xiàn)象，這是只有橫波才有偏振現(xiàn)象，這是橫波區(qū)

16、別于縱波的一個(gè)最明顯的標(biāo)橫波區(qū)別于縱波的一個(gè)最明顯的標(biāo)志。志。光振動：電場強(qiáng)度光振動：電場強(qiáng)度e e的振動稱為光的振動稱為光振動。振動。光波是橫波。光波是橫波。自然光：統(tǒng)計(jì)平均來看，無論哪一自然光：統(tǒng)計(jì)平均來看，無論哪一個(gè)方向的振動都不比其他方向更占個(gè)方向的振動都不比其他方向更占優(yōu)勢，光矢量的振動在各方向的分優(yōu)勢，光矢量的振動在各方向的分布對稱，振幅相等。布對稱，振幅相等。 自然光可看作是無數(shù)多個(gè)振幅自然光可看作是無數(shù)多個(gè)振幅相等、振動方向任意、彼此沒有固相等、振動方向任意、彼此沒有固定相位關(guān)系的光振動之和。定相位關(guān)系的光振動之和。 只有某有一確定方向振動的光只有某有一確定方向振動的光稱為線偏

17、振光，簡稱為偏振光。稱為線偏振光，簡稱為偏振光。 若某一方向的光振動比與之相若某一方向的光振動比與之相垂直方向上的光振動占優(yōu)勢，這種垂直方向上的光振動占優(yōu)勢，這種光稱為部分偏振光。光稱為部分偏振光。（二）偏振光（二）偏振光起偏：把自然光轉(zhuǎn)化為偏振光。起偏：把自然光轉(zhuǎn)化為偏振光。檢偏：檢查一光束是否是偏振光。檢偏：檢查一光束是否是偏振光。二向色性：某些晶體對某一振動方二向色性：某些晶體對某一振動方向的光吸收強(qiáng)烈，而與這一方向垂向的光吸收強(qiáng)烈，而與這一方向垂直的光振動則很少吸收，這一現(xiàn)象直的光振動則很少吸收，這一現(xiàn)象稱為二向色性。稱為二向色性。 利用晶體二向色性所制成的光學(xué)利用晶體二向色性所制成的

18、光學(xué)元件稱為偏振片。元件稱為偏振片。 偏振片通過光振動的方向稱為偏振片通過光振動的方向稱為偏振化方向。偏振化方向。 凡是能使自然光變成偏振光的凡是能使自然光變成偏振光的裝置稱為起偏器。裝置稱為起偏器。 b b：檢偏器：檢偏器二、馬呂斯定律二、馬呂斯定律22022020210coscoseeeeii20cosii 馬呂斯定律馬呂斯定律例例11-711-7設(shè)自然光強(qiáng)度為設(shè)自然光強(qiáng)度為i i0 0，通過偏振，通過偏振化方向成化方向成20200 0夾角的兩偏振片，問透過夾角的兩偏振片，問透過第二個(gè)偏振片的光強(qiáng)多大？第二個(gè)偏振片的光強(qiáng)多大？解：解：002044. 020cos2iii200i0i0/2i

19、. . .例例11-811-8以強(qiáng)度為以強(qiáng)度為i i0 0的偏振光入射一檢的偏振光入射一檢偏器，若要求透射光的強(qiáng)度為原光強(qiáng)偏器，若要求透射光的強(qiáng)度為原光強(qiáng)的三分之一，求起偏器和檢偏器的兩的三分之一，求起偏器和檢偏器的兩個(gè)偏振片的偏振化方向之間的夾角為個(gè)偏振片的偏振化方向之間的夾角為多少？多少？解：解：i0i0/3. . .200cos3ii0007 .2343 .1257 .54或或三、光的雙折射現(xiàn)象三、光的雙折射現(xiàn)象（一）雙折射現(xiàn)象（一）雙折射現(xiàn)象 當(dāng)光入射到各向異性介質(zhì)，折射光當(dāng)光入射到各向異性介質(zhì)，折射光將分裂成為兩束光線，這種現(xiàn)象稱為將分裂成為兩束光線，這種現(xiàn)象稱為雙折射現(xiàn)象。雙折射現(xiàn)

20、象。尋常光：遵守折射定律的折射光。簡尋常光：遵守折射定律的折射光。簡稱稱o o光。光。非常光：不遵守折射定律的折射光。非常光：不遵守折射定律的折射光。簡稱簡稱e e光。光。光軸：沿著該方向，光軸：沿著該方向，o o光光e e光折射率相光折射率相等，傳播速度相等。晶體內(nèi)任一條與等，傳播速度相等。晶體內(nèi)任一條與光軸方向平行的直線都可以表示光軸。光軸方向平行的直線都可以表示光軸。 晶體中只有一個(gè)光軸方向的晶體稱晶體中只有一個(gè)光軸方向的晶體稱為單軸晶體，如方解石、石英等。為單軸晶體，如方解石、石英等。 有些晶體具有兩個(gè)光軸方向稱為雙有些晶體具有兩個(gè)光軸方向稱為雙軸晶體。如云母、硫黃等。軸晶體。如云母、

21、硫黃等。 在晶體中，由光軸和晶體表面的法在晶體中，由光軸和晶體表面的法線所組成的平面，稱為晶體的主截面。線所組成的平面，稱為晶體的主截面。 某光線的傳播方向和光軸所組成的某光線的傳播方向和光軸所組成的平面，稱為該光線的主平面。平面，稱為該光線的主平面。 在垂直于晶體光軸的方向上，在垂直于晶體光軸的方向上，o o光折光折射率與射率與e e光的折射率差最大，這一方向光的折射率差最大，這一方向上上e e光的折射率光的折射率n ne e稱為稱為e e光的主折射率。光的主折射率。 o o光和光和e e光都是偏振光，光都是偏振光，o o光振動方向光振動方向垂直于主平面，垂直于主平面，e e光振動方向平行于

22、主光振動方向平行于主平面。當(dāng)光軸位于入射面內(nèi)時(shí)，兩個(gè)平面。當(dāng)光軸位于入射面內(nèi)時(shí)，兩個(gè)主平面互相重合。主平面互相重合。（二）尼科耳棱鏡（二）尼科耳棱鏡 一種用單軸晶體制成的偏振棱鏡。一種用單軸晶體制成的偏振棱鏡。 o o光折射率大于加拿大樹膠的折射率，光折射率大于加拿大樹膠的折射率，而而e e光的折射率在此方向上小于樹膠的光的折射率在此方向上小于樹膠的折射率，折射率，o o光在加拿大樹膠界面發(fā)生全光在加拿大樹膠界面發(fā)生全反射。反射。 可用尼科耳棱鏡起偏和檢偏?？捎媚峥贫忡R起偏和檢偏。a a：起偏器：起偏器 b b：檢偏器：檢偏器四、物質(zhì)的旋光性四、物質(zhì)的旋光性（一）旋光現(xiàn)象（一）旋光現(xiàn)象 某些物質(zhì)，如石英晶體、有機(jī)物質(zhì)某些物質(zhì)，如石英晶體、有機(jī)物質(zhì)的溶液等，當(dāng)