光學(xué)國際PPT課件

1、1第十一章第十一章波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)2上一張下一張返回光的基本知識(shí)光的基本知識(shí) 光是電磁波，是光是電磁波，是橫橫波。波。 可見光：可見光：頻率（頻率（3.9 3.9 7.57.5） 101014 14 hz hz 波長波長 4000 4000 7600 7600 光速光速：真空中：真空中299792458 299792458 m/s (3m/s (3 10108 8 ) ) 介質(zhì)中介質(zhì)中 u = c/n u = c/n 光強(qiáng)：光強(qiáng)： 2 2 光矢量：光矢量：e 矢量矢量3相干光的獲得：相干光的獲得：1）波陣面分割波陣面分割：2）振幅分割法振幅分割法：托馬斯托馬斯. .揚(yáng)實(shí)驗(yàn)揚(yáng)實(shí)驗(yàn)菲涅耳雙鏡實(shí)驗(yàn)菲

2、涅耳雙鏡實(shí)驗(yàn) 洛埃鏡實(shí)驗(yàn)洛埃鏡實(shí)驗(yàn) 牛頓環(huán)牛頓環(huán) 劈尖膜的干涉劈尖膜的干涉邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀上一張下一張返回4光的疊加光的疊加 p 3231，非相干光的疊加非相干光的疊加： = i1 + i2 （無干涉條紋）2，相干光的疊加相干光的疊加：)cos(2)cos(2)(2)(212121222121212iiiiiaaaaarr上一張下一張返回5定義定義1 1： 光程光程 = n l ( (同種介質(zhì)）同種介質(zhì)）不同種介質(zhì)：光程不同種介質(zhì)：光程 = ni li定義定義2： 為光程差。為光程差。 12意義：意義：把光在不同介質(zhì)的問題，全部折算到真空把光在不同介質(zhì)的問題，全部折算到真空中來。中

3、來。2上一張下一張返回光程光程（s1s2p6 光程差與光程差與相位差的關(guān)系：相位差的關(guān)系： 干涉加強(qiáng)干涉加強(qiáng): k (kz ) k (kz ) (明明) 干涉減弱干涉減弱: : ( k +1) (k+ 1/2) （暗）（暗）2干涉判據(jù)干涉判據(jù): :（p340p340）上一張下一張返回711-2 11-2 楊氏雙縫干涉楊氏雙縫干涉英國，英國，thomas young (1773-1829)(1773-1829)1.1.楊氏實(shí)驗(yàn)楊氏實(shí)驗(yàn) 上一張下一張返回18011801年，托馬年，托馬斯斯 楊，判別光的楊，判別光的波動(dòng)性質(zhì)的關(guān)鍵性實(shí)波動(dòng)性質(zhì)的關(guān)鍵性實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)。 在觀察屏上有明暗在觀察屏上有明暗相間的

4、等間距條紋。相間的等間距條紋。8ss1s2dr1r2dxo = 2 - 1 = r2- r1 d sin d x / d = k ( 明明紋）紋）上一張下一張返回9揚(yáng)氏雙縫干涉揚(yáng)氏雙縫干涉特點(diǎn)：特點(diǎn)： 干涉條紋是平行線。干涉條紋是平行線。 明暗條紋的間距為明暗條紋的間距為 x d /d 光強(qiáng)分布光強(qiáng)分布：i max = 4 i0 ， i min = 0101111-3 11-3 薄膜干涉薄膜干涉 日常生活中較常見。日常生活中較常見。如：水面上的油膜，肥皂泡或昆蟲翅膀在陽光照如：水面上的油膜，肥皂泡或昆蟲翅膀在陽光照射下呈現(xiàn)的彩色花紋就是薄膜干涉的結(jié)果。射下呈現(xiàn)的彩色花紋就是薄膜干涉的結(jié)果。 肥

5、皂泡上的彩色干涉條紋油膜上的彩色 干涉條紋蟬翼上的彩色 干涉條紋上一張下一張返回12dn2n1n1光光垂直垂直入射：入射：明明條紋：條紋： = k 暗暗條紋：條紋： = ( k+1/2) ( k ) = 2 n2 d + / 2 可見，同一級(jí)次（可見，同一級(jí)次（k 一定一定）的條紋，對(duì)應(yīng)于）的條紋，對(duì)應(yīng)于薄膜上厚度相同點(diǎn)的連線，因此該種條紋稱薄膜上厚度相同點(diǎn)的連線，因此該種條紋稱為為等厚等厚干涉條紋干涉條紋。上一張下一張返回131 1，劈尖干涉，劈尖干涉上一張下一張返回 很小，很小， 入射光入射光垂直入射垂直入射. .14劈尖干涉劈尖干涉 d薄膜上下兩表面反射薄膜上下兩表面反射光的光程差為：光

6、的光程差為： = 2 d + / 2明明條紋：條紋： = k 暗暗條紋：條紋： = ( k+1/2) ( k )結(jié)論結(jié)論1，相臨條紋（，相臨條紋（明明或或暗暗）對(duì)應(yīng)的高度差為：）對(duì)應(yīng)的高度差為：21kkddd上一張下一張返回nn空氣空氣15條紋的間距條紋的間距:a sin = / 2相臨條紋對(duì)應(yīng)的高度差：相臨條紋對(duì)應(yīng)的高度差：2相臨條紋的間距：相臨條紋的間距：與劈尖角與劈尖角 有關(guān)有關(guān). .2sin2a上一張下一張返回1617劈尖干涉條紋劈尖干涉條紋特點(diǎn)特點(diǎn)： 明暗條紋平行于交棱，且同一條條紋對(duì)應(yīng)于同一明暗條紋平行于交棱，且同一條條紋對(duì)應(yīng)于同一個(gè)高度，因而是個(gè)高度，因而是等厚條紋等厚條紋。 相

7、臨條紋對(duì)應(yīng)的高度差為相臨條紋對(duì)應(yīng)的高度差為 / 2，故相臨條紋的間，故相臨條紋的間距距 a = /（2 sin ）= /（2 ），與劈尖角，與劈尖角 有有關(guān)關(guān)。 越越小小，條紋越，條紋越疏疏； 越大，條紋越密。越大，條紋越密。 * 若劈尖間若劈尖間介質(zhì)為介質(zhì)為n，則，則 a = /（2 n ） 交棱處為交棱處為暗暗條紋。條紋。上一張下一張返回 a / 2dkdk+1 明紋明紋 暗紋暗紋ab18上一張下一張返回19劈尖干涉的劈尖干涉的應(yīng)用應(yīng)用: 測波長或折射率或劈尖角。測波長或折射率或劈尖角。 測定微細(xì)金屬絲的直徑（或薄膜測定微細(xì)金屬絲的直徑（或薄膜厚度）。厚度）。 檢測金屬表面的光潔度。檢測金

8、屬表面的光潔度。 干涉膨脹儀。干涉膨脹儀。判斷：判斷：a 點(diǎn)是凹、凸？點(diǎn)是凹、凸？答案：答案：a 點(diǎn)點(diǎn)凸起凸起。a金屬表面上一張下一張返回dla20o11nn12 2，牛頓環(huán)牛頓環(huán)上一張下一張返回21牛頓環(huán)的實(shí)驗(yàn)裝置：牛頓環(huán)的實(shí)驗(yàn)裝置：上一張下一張返回22en2n1n31 2 = 2 n2 e + ( / 2 ? )3 3，增透膜增透膜 薄膜上下兩表面反薄膜上下兩表面反射光的光程差為：射光的光程差為：1, 當(dāng)當(dāng) n1 n2 n3 或或 n1 n2 n2 n3 或或 n1 n3時(shí)時(shí), = 2 n2 e + / 2 上一張下一張返回23 要使黃綠光要使黃綠光增透增透，即：反射光光強(qiáng)最小，即：反射光

9、光強(qiáng)最小， 則光程差應(yīng)滿足：則光程差應(yīng)滿足： 增透膜增透膜)21(22ken( 暗暗條紋，條紋，k=0,1,2,)m 0.1nm 10038.1455042minne反射光中由于缺少黃綠光而呈反射光中由于缺少黃綠光而呈藍(lán)紫色藍(lán)紫色。上一張下一張返回24許多現(xiàn)代化大樓的窗戶許多現(xiàn)代化大樓的窗戶玻璃常常顯藍(lán)色，且樓玻璃常常顯藍(lán)色，且樓外的人看不清大樓內(nèi)部外的人看不清大樓內(nèi)部的情況，而樓內(nèi)的人員的情況，而樓內(nèi)的人員卻可以看清樓外的情況，卻可以看清樓外的情況，就是因?yàn)椴Ａ獗砻嬗芯褪且驗(yàn)椴Ａ獗砻嬗幸粚幽ぃ▽?duì)于射向大樓一層膜（對(duì)于射向大樓的藍(lán)光是增反膜）的緣的藍(lán)光是增反膜）的緣故。故。 254. 4.

10、 邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀上一張下一張返回26邁克耳邁克耳遜遜干涉儀光路圖干涉儀光路圖s光源光源 g1-分光板分光板g2-補(bǔ)償板補(bǔ)償板m1, m2-平面反射鏡平面反射鏡 m1 為為m1 相對(duì)相對(duì)g1鍍銀層的虛象鍍銀層的虛象上一張下一張返回27當(dāng)當(dāng)m2 與與m1 平行時(shí)，出現(xiàn)平行時(shí)，出現(xiàn)等傾等傾干涉條紋干涉條紋。當(dāng)當(dāng)m2 與與m1 有一夾角時(shí)，出現(xiàn)有一夾角時(shí)，出現(xiàn)等厚等厚干涉條紋干涉條紋；類似類似劈尖劈尖的等厚干涉條紋。的等厚干涉條紋。dm2m1兩束光的光程差兩束光的光程差 = 2 d ( (垂直入射）垂直入射）上一張下一張返回28等厚等厚干涉條紋干涉條紋從從左左到到右右的變化圖中，等厚條紋

11、的變化圖中，等厚條紋左移左移。上一張下一張返回29等傾等傾干涉條紋干涉條紋當(dāng)當(dāng)m2 靠近靠近m1 （距離距離變小變?。r(shí)，條紋（時(shí)，條紋（等傾等傾條紋）向內(nèi)收縮，條紋）向內(nèi)收縮，（吞吞條紋）；反之，條紋）；反之，距離距離變大變大時(shí)時(shí)吐吐條紋。條紋。上一張下一張返回30什么人在那什么人在那邊說話？邊說話？只聞其聲，不見其人。只聞其聲，不見其人。11-4 11-4 光的衍射光的衍射 31 波在前進(jìn)中遇到障礙物時(shí)，能繞過障礙波在前進(jìn)中遇到障礙物時(shí)，能繞過障礙物的邊緣繼續(xù)向前傳播的現(xiàn)象，稱為波的物的邊緣繼續(xù)向前傳播的現(xiàn)象，稱為波的衍射衍射現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 水波通過狹縫后的衍射水波通過狹縫后的衍射32 光能

12、繞過障礙物的邊緣而偏離直線傳播光能繞過障礙物的邊緣而偏離直線傳播, ,而且在屏而且在屏上出現(xiàn)明暗相間的條紋上出現(xiàn)明暗相間的條紋, ,這種現(xiàn)象叫光的衍射。這種現(xiàn)象叫光的衍射。 上一張下一張返回一一. .光的衍射現(xiàn)象：光的衍射現(xiàn)象：ss33(1690(1690年年) )34二、惠更斯二、惠更斯菲涅耳原理（菲涅耳原理（18181818）惠更斯：惠更斯：菲涅耳：菲涅耳：波陣面上各點(diǎn)都看成是子波波源波陣面上各點(diǎn)都看成是子波波源. .能能定性定性解釋光的傳播方向問題解釋光的傳播方向問題. .波場中各點(diǎn)的強(qiáng)度由各子波在該點(diǎn)波場中各點(diǎn)的強(qiáng)度由各子波在該點(diǎn)的相干疊加決定的相干疊加決定. .能能定量定量解釋衍射圖

13、樣中的強(qiáng)度分布解釋衍射圖樣中的強(qiáng)度分布. .子波子波 + + 相干疊加相干疊加上一張下一張返回35惠更斯惠更斯菲涅耳原理菲涅耳原理 ( huygens-fresnel principle )上一張下一張返回36三、單縫衍射三、單縫衍射37上一張下一張返回38i0= 100 %i1= 4.7 %i2= 1.62 %i3= 0.83 %只能看到有限的幾級(jí)明紋只能看到有限的幾級(jí)明紋.上一張下一張返回390.16 mm0.08 mm0.04 mm0.02 mm中央明紋中央明紋的線寬度：的線寬度：afx2（正比于波長，反比于（正比于波長，反比于縫寬縫寬）上一張下一張返回40圓孔（圓孔（a a）單縫（單縫

14、（b b）方孔衍射方孔衍射上一張下一張返回41正三邊形孔正三邊形孔 正六邊形孔正六邊形孔 正四邊形孔正四邊形孔 正八邊形孔正八邊形孔 上一張下一張返回42方形網(wǎng)絡(luò)的衍射圖樣：方形網(wǎng)絡(luò)的衍射圖樣：上一張下一張返回4344 x 射線是倫琴于射線是倫琴于 1895 1895 年發(fā)現(xiàn)的，它年發(fā)現(xiàn)的，它是在真空管中高速電子撞擊金屬靶時(shí)產(chǎn)生是在真空管中高速電子撞擊金屬靶時(shí)產(chǎn)生的一種射線，波長為的一種射線，波長為 0.1100 ，人眼看不人眼看不見，具有很強(qiáng)的穿透能力。見，具有很強(qiáng)的穿透能力。上一張下一張返回45單縫單縫衍射：衍射：（單色光）（單色光）（白光）（白光）上一張下一張返回46波長波長 的的測量方

15、法：測量方法：（4 4）光柵光譜）光柵光譜（1）雙縫干涉）雙縫干涉（2）單縫衍射）單縫衍射（3）邁氏干涉）邁氏干涉上一張下一張返回4711-5 11-5 衍射光柵衍射光柵一、光柵一、光柵上一張下一張返回48上一張下一張返回49狹縫數(shù)狹縫數(shù)n 與譜線亮度和分布的關(guān)系：與譜線亮度和分布的關(guān)系：結(jié)論：結(jié)論：n 越大，譜線越越大，譜線越細(xì)細(xì)越越亮亮.上一張下一張返回50ab）oq 光柵常數(shù)光柵常數(shù) d = a + b相鄰兩狹縫的相干光，到達(dá)相鄰兩狹縫的相干光，到達(dá) q 點(diǎn)的光程差：點(diǎn)的光程差： = d sin 二、光譜二、光譜上一張下一張返回51d）oq 光柵常數(shù)光柵常數(shù) d = a + b當(dāng)相鄰兩狹

16、縫的光到達(dá)當(dāng)相鄰兩狹縫的光到達(dá) q 點(diǎn)的光程差點(diǎn)的光程差 ： = d sin 光柵衍射光柵衍射明條紋明條紋的條件：衍射角的條件：衍射角 必須滿足必須滿足（p369p369） -光柵方程光柵方程d sin = k ( k )= k ( k ) q 點(diǎn)出現(xiàn)點(diǎn)出現(xiàn)明明條紋條紋.上一張下一張返回52光柵光譜特點(diǎn)：光柵光譜特點(diǎn)： 1 1，明紋，明紋細(xì)細(xì)而而亮亮。 光柵常數(shù)光柵常數(shù)d 越小，明紋分的越開越小，明紋分的越開. . 光柵光譜的測量是測波長光柵光譜的測量是測波長 精度最高精度最高的實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn) 。 要進(jìn)一步提高測量精度，還可選用較要進(jìn)一步提高測量精度，還可選用較小小的的光柵常光柵常數(shù)數(shù)d . .

17、2 2，最大明紋級(jí)次，最大明紋級(jí)次 k d / 上一張下一張返回53k=0k=-1k=-2k=-3k=1k=2k=3白光照射白光照射上一張下一張返回54一、光的偏振性一、光的偏振性光是特定頻率范圍內(nèi)的電磁波。光是特定頻率范圍內(nèi)的電磁波。起光作用的是電場強(qiáng)度矢量，稱為起光作用的是電場強(qiáng)度矢量，稱為光矢量光矢量。 光矢量的振動(dòng)方向與光的傳播方向垂直，光矢量的振動(dòng)方向與光的傳播方向垂直，這一特征稱為光的這一特征稱為光的偏振偏振。偏振性是偏振性是橫波橫波區(qū)別于區(qū)別于縱波縱波的重要特征。的重要特征。11-6 11-6 光的偏振光的偏振上一張下一張返回55 光矢量只沿某一固定方向振動(dòng)的光為光矢量只沿某一固

18、定方向振動(dòng)的光為線偏振光線偏振光。 偏振光的振動(dòng)方向與傳播方向組成的平面稱為偏振光的振動(dòng)方向與傳播方向組成的平面稱為 振動(dòng)面振動(dòng)面。 1、線偏振光、線偏振光上一張下一張返回562、自然光、自然光 由于原子發(fā)光的由于原子發(fā)光的獨(dú)立性獨(dú)立性與與隨機(jī)性隨機(jī)性，對(duì)于普通光，對(duì)于普通光源所發(fā)的光，光矢量分布各向均勻。源所發(fā)的光，光矢量分布各向均勻。 各光矢量之間各光矢量之間無無固定固定的相位關(guān)系。的相位關(guān)系。 任何取向的一個(gè)光矢任何取向的一個(gè)光矢量都可分解為兩個(gè)相互垂量都可分解為兩個(gè)相互垂直方向上的分量。直方向上的分量。 由于自然光的對(duì)稱性，所有取向的光矢量在這由于自然光的對(duì)稱性，所有取向的光矢量在這兩

19、個(gè)方向上的分量的時(shí)間兩個(gè)方向上的分量的時(shí)間平均值平均值彼此相等。彼此相等。 因此自然光可分解為兩個(gè)因此自然光可分解為兩個(gè)任意垂直任意垂直方向上的、方向上的、能量相等的獨(dú)立線偏振光。能量相等的獨(dú)立線偏振光。 上一張下一張返回573、部分偏振光、部分偏振光 介于線偏振光與自然光之間的情形，可看成介于線偏振光與自然光之間的情形，可看成線偏振光與自然光的混合。線偏振光與自然光的混合。上一張下一張返回584、表示方法：、表示方法： 自然光自然光 線偏振光線偏振光 部分偏振光部分偏振光上一張下一張返回59二、偏振片二、偏振片 某些物質(zhì)吸收光振動(dòng)有某些物質(zhì)吸收光振動(dòng)有選擇性選擇性，自然光通過這，自然光通過這

20、類物質(zhì)時(shí)，只有一個(gè)方向的光振動(dòng)吸收得最少，其類物質(zhì)時(shí)，只有一個(gè)方向的光振動(dòng)吸收得最少，其他方向的光振動(dòng)都被吸收，物質(zhì)的這種性質(zhì)稱他方向的光振動(dòng)都被吸收，物質(zhì)的這種性質(zhì)稱選擇選擇吸收性吸收性或或二色性二色性。如：。如：電氣石電氣石.上一張下一張返回利用這種物質(zhì)制成的透明薄膜，稱為利用這種物質(zhì)制成的透明薄膜，稱為偏振片偏振片. . 偏振片只讓某一方向的光振動(dòng)通過。該方向稱為偏振片只讓某一方向的光振動(dòng)通過。該方向稱為偏振片的偏振片的偏振化方向偏振化方向。用用“ ”表示表示. 自然光經(jīng)過偏振片后變?yōu)榫€偏振光。自然光經(jīng)過偏振片后變?yōu)榫€偏振光。 偏振片的作用：偏振片的作用：起偏起偏 和和 檢偏檢偏. .6

21、0出射光強(qiáng)：出射光強(qiáng)：021ii 上一張下一張返回自然光自然光線偏振光線偏振光偏振化方向偏振化方向偏振片偏振片 pi0i1，自然光經(jīng)過偏振片后變?yōu)榫€偏振光。自然光經(jīng)過偏振片后變?yōu)榫€偏振光。2 2，自然光可分解為兩個(gè)，自然光可分解為兩個(gè)任意垂直任意垂直方向上的、方向上的、 能量相等的獨(dú)立線偏振光。能量相等的獨(dú)立線偏振光。3 3，自然光經(jīng)過偏振片后，光強(qiáng)，自然光經(jīng)過偏振片后，光強(qiáng)減半減半。（1 1）起偏）起偏61 自然光經(jīng)過偏振片后，出射光為線偏振光，自然光經(jīng)過偏振片后，出射光為線偏振光，且光強(qiáng)且光強(qiáng)減半減半. . 但旋轉(zhuǎn)偏振片（起偏器），屏上亮暗但旋轉(zhuǎn)偏振片（起偏器），屏上亮暗無無變化變化. .

22、 起偏器起偏器ii0021ii 上一張下一張返回62（2 2）檢偏）檢偏 線偏振光經(jīng)過偏振片后，透出光為線偏振光，線偏振光經(jīng)過偏振片后，透出光為線偏振光，但光強(qiáng)為但光強(qiáng)為i=i0cos2 馬呂斯定律馬呂斯定律 為入射線偏振光和出射線偏振光為入射線偏振光和出射線偏振光, ,光振動(dòng)方向之間的夾角光振動(dòng)方向之間的夾角. .ii0 若旋轉(zhuǎn)偏振若旋轉(zhuǎn)偏振片（檢偏器）片（檢偏器）一周，一周， 光強(qiáng)光強(qiáng)消光兩次消光兩次。上一張下一張返回6364=900=450=00i=i0cos2( (馬呂斯定律馬呂斯定律) )上一張下一張返回65一束光經(jīng)過一束光經(jīng)過偏振片偏振片后的光強(qiáng)變化后的光強(qiáng)變化 1，自然光（，自然光（i0） 線偏振光，線偏振光， 起偏起偏 i= i0 / 2 2，線偏振光，線偏振光(i0) 線偏振光，線偏振光， 檢偏檢偏 i=i0cos2 偏振片作用偏振片作用總結(jié)：總