波動(dòng)光學(xué)課件

1、北極光北極光邁克耳孫干涉儀是邁克耳孫干涉儀是根據(jù)光的干涉原理制成的精密測(cè)量?jī)x器，它可根據(jù)光的干涉原理制成的精密測(cè)量?jī)x器，它可以精密地測(cè)量長(zhǎng)度及長(zhǎng)度的微小變化等以精密地測(cè)量長(zhǎng)度及長(zhǎng)度的微小變化等。14.1 光是電磁波光是電磁波主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：2. 光是一種電磁波光是一種電磁波1. 平面簡(jiǎn)諧電磁波的性質(zhì)平面簡(jiǎn)諧電磁波的性質(zhì)u電磁波的產(chǎn)生及傳播電磁波的產(chǎn)生及傳播 凡作加速運(yùn)動(dòng)的電荷或電荷系都是發(fā)射電磁波的波源。凡作加速運(yùn)動(dòng)的電荷或電荷系都是發(fā)射電磁波的波源。StBtlESmLdddd變化磁場(chǎng)可以激發(fā)渦旋電場(chǎng)變化磁場(chǎng)可以激發(fā)渦旋電場(chǎng)SLd)(dSjlHtD傳導(dǎo)電流和變化電場(chǎng)可以激發(fā)渦旋磁場(chǎng)傳導(dǎo)電流

2、和變化電場(chǎng)可以激發(fā)渦旋磁場(chǎng)一一. 電磁波電磁波14.1 光是電磁波光是電磁波u電磁波譜電磁波譜uEHu平面簡(jiǎn)諧波平面簡(jiǎn)諧波電磁波電磁波的描述的描述)(cos0urtEE)(cos0urtHH(1)(3) 真空中的電磁波是真空中的電磁波是橫波橫波EH和和變化同步，相位相同。變化同步，相位相同。uHE/OxyzHE(2) E 和和H 的關(guān)系的關(guān)系說(shuō)明說(shuō)明(4) 波速波速1u182/100sm109979.2)(c真空中真空中(5) 非強(qiáng)磁性介質(zhì)的折射率非強(qiáng)磁性介質(zhì)的折射率ucn 00rrr221Ewu電磁波的能量密度電磁波的能量密度221H 能量密度能量密度 能流密度能流密度HES坡印亭矢量坡印亭

3、矢量 （坡印亭矢量）（坡印亭矢量）S 波的強(qiáng)度波的強(qiáng)度 I (平均能流密度平均能流密度) )TtttSTSSId1TttturtHET)d(cos12002021EI 正比于正比于 E02 或或 H02, 通常采用其相對(duì)強(qiáng)度通常采用其相對(duì)強(qiáng)度2021EI 說(shuō)明說(shuō)明wuS 1)(2122HE HE光色光色 波長(zhǎng)波長(zhǎng)(nm) 頻率頻率(Hz) 中心波長(zhǎng)中心波長(zhǎng) (nm) 紅紅 760622 660 橙橙 622597 610 黃黃 597577 570 綠綠 577492 540 青青 492470 480 蘭蘭 470455 460 紫紫 455400 430 141410841093.1414

4、10051084.141410451005.141410161045.141410461016.141410661046.141410571066.u可見(jiàn)光七彩顏色的波長(zhǎng)和頻率范圍可見(jiàn)光七彩顏色的波長(zhǎng)和頻率范圍u諸多的現(xiàn)象和理論研究表明：光是電磁波。諸多的現(xiàn)象和理論研究表明：光是電磁波。(1)光與電磁波的傳播速度相等；都有反射，折射，干涉，光與電磁波的傳播速度相等；都有反射，折射，干涉， 衍射，偏振性質(zhì)。衍射，偏振性質(zhì)。(2)用電磁波理論研究光學(xué)現(xiàn)象的結(jié)果都說(shuō)明光是電磁波。用電磁波理論研究光學(xué)現(xiàn)象的結(jié)果都說(shuō)明光是電磁波。二二. .光是電磁波光是電磁波 在我國(guó)，每年春分、秋分前后，太陽(yáng)、地球和同

5、步通信衛(wèi)星將會(huì)成一線在我國(guó)，每年春分、秋分前后，太陽(yáng)、地球和同步通信衛(wèi)星將會(huì)成一線排列，而通信衛(wèi)星處于太陽(yáng)和地球之間時(shí)，由于地球站將天線指向衛(wèi)星排列，而通信衛(wèi)星處于太陽(yáng)和地球之間時(shí)，由于地球站將天線指向衛(wèi)星時(shí)，也正面直對(duì)太陽(yáng)，因此太陽(yáng)較強(qiáng)電磁波輻射也將被接收，即時(shí)，也正面直對(duì)太陽(yáng)，因此太陽(yáng)較強(qiáng)電磁波輻射也將被接收，即“噪聲噪聲進(jìn)入接收系統(tǒng)進(jìn)入接收系統(tǒng)”，通信業(yè)務(wù)信號(hào)因噪聲的增大而無(wú)法被接收解調(diào)系統(tǒng)順，通信業(yè)務(wù)信號(hào)因噪聲的增大而無(wú)法被接收解調(diào)系統(tǒng)順利識(shí)別出來(lái)，嚴(yán)重時(shí)就會(huì)出現(xiàn)信號(hào)中斷，發(fā)生所謂的利識(shí)別出來(lái)，嚴(yán)重時(shí)就會(huì)出現(xiàn)信號(hào)中斷，發(fā)生所謂的“日凌日凌”現(xiàn)象。現(xiàn)象。 一一. 光源光源光源：光源：1.

6、光源的分類(lèi)光源的分類(lèi)任何發(fā)光的物體都可以稱(chēng)為光源。任何發(fā)光的物體都可以稱(chēng)為光源。光譜：光譜：使光波中不同頻率的光分開(kāi)，形成光譜使光波中不同頻率的光分開(kāi)，形成光譜.按光譜分為按光譜分為線譜光源線譜光源連續(xù)譜光源連續(xù)譜光源(1) 線譜光源線譜光源氫原子的巴耳末線系照片氫原子的巴耳末線系照片14.2 光源光源 光波的疊加光波的疊加(2) 連續(xù)譜光源連續(xù)譜光源按激發(fā)按激發(fā)方式分方式分熱輻射熱輻射 電致發(fā)光電致發(fā)光 光致發(fā)光光致發(fā)光 化學(xué)發(fā)光化學(xué)發(fā)光 例如：太陽(yáng)，白熾燈。例如：太陽(yáng)，白熾燈。例如：閃電，霓虹燈，發(fā)光二極管等。例如：閃電，霓虹燈，發(fā)光二極管等。例如：日光燈，鱗光物質(zhì)。例如：日光燈，鱗光物質(zhì)

7、。例如：例如：燃燒，燃燒，鱗自燃，鱗自燃，螢火蟲(chóng)螢火蟲(chóng)。自自發(fā)發(fā)輻輻射射2.發(fā)光機(jī)理發(fā)光機(jī)理(1) 熱輻射熱輻射 (2) 電致發(fā)光電致發(fā)光 (3) 光致發(fā)光光致發(fā)光 (4) 化學(xué)發(fā)光化學(xué)發(fā)光 能級(jí)躍遷能級(jí)躍遷波列波列波列長(zhǎng)波列長(zhǎng) L = c 10-8自自發(fā)發(fā)輻輻射射(5) 同步輻射光源同步輻射光源 (6) 激光光源激光光源 受受激激輻輻射射自發(fā)輻射自發(fā)輻射E E2 2E E1 1h/EE12非相干非相干(不同原子發(fā)的光不同原子發(fā)的光)非相干非相干(同一原子先后發(fā)的光同一原子先后發(fā)的光)二二. .光波的疊加光波的疊加)cos(1111011crtEE)cos(2222022crtEE21EEEP

8、21222122EEEEEPP12r1r2兩波在兩波在P 點(diǎn)的光振動(dòng)點(diǎn)的光振動(dòng)P 點(diǎn)的合光矢量點(diǎn)的合光矢量?jī)蛇吰椒絻蛇吰椒絇 點(diǎn)光強(qiáng)點(diǎn)光強(qiáng)21212EEIIIp21EE)()cos(21221121210201crrtEE)()cos(22112121crrt21EE0201 EE21(1)(2)01. .非相干疊加非相干疊加討論討論0)(21若若 ，但，但 不恒定不恒定 (3)2121EE=01212cos2EEE ETttcrrtEET)()cos(212211212102011 12 21212cos()()drrttc12EE021IIIP2. .相干疊加相干疊加相干條件：相干條件：

9、頻率相同；頻率相同； 相位差相位差 恒定；恒定； 光矢量方向平行；光矢量方向平行；P 處波的強(qiáng)度處波的強(qiáng)度021EE010212tcos dtt TPEEIIITcos 22121IIII)()()()(12121212rrcrcr其中其中(1) 相長(zhǎng)干涉（相長(zhǎng)干涉（明明） 2k2121max2IIIII(2) 相消干涉（相消干涉（暗暗） )12(k2121min2IIIII021III04II 021III0I若若若若則則則則相干的必要條件相干的必要條件: :(1) 頻率相同；頻率相同； (2) 相位差恒定；相位差恒定； (3)光矢量振動(dòng)方向平行。光矢量振動(dòng)方向平行。u相干條件相干條件問(wèn)題問(wèn)

10、題：頻率相同，相位差恒定，光矢量振動(dòng)方向介于頻率相同，相位差恒定，光矢量振動(dòng)方向介于 垂直和平行之間的兩列波是否相干垂直和平行之間的兩列波是否相干？答案答案：光矢量振動(dòng)方向平行是干涉最好的情況，而光光矢量振動(dòng)方向平行是干涉最好的情況，而光 矢量振動(dòng)方向垂直是絕對(duì)不可以相干的，所以矢量振動(dòng)方向垂直是絕對(duì)不可以相干的，所以 光矢量振動(dòng)方向介于垂直和平行之間的兩列波光矢量振動(dòng)方向介于垂直和平行之間的兩列波 是可以相干的，只是干涉的情況差些而已。是可以相干的，只是干涉的情況差些而已。 (2) 兩疊加光波的兩疊加光波的振幅振幅不能相差太大。不能相差太大。相干的補(bǔ)充條件相干的補(bǔ)充條件: : (1) 兩疊加

11、光波的兩疊加光波的光程差光程差不能太大；不能太大；14.3 獲得相干光的方法獲得相干光的方法 楊氏實(shí)驗(yàn)楊氏實(shí)驗(yàn) （分波陣面法）（分波陣面法） 一一. 楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)楊氏雙縫實(shí)驗(yàn) 1s2s明條紋位置明條紋位置明條紋位置明條紋位置明條紋位置明條紋位置獲得相干光的方法獲得相干光的方法1. 分波陣面法分波陣面法（楊氏實(shí)驗(yàn)（楊氏實(shí)驗(yàn)) )2. 分振幅法分振幅法（薄膜干涉（薄膜干涉) )Sd2S1SP1r2rDOx2222)2/(dxDr2221)2/(dxDr222212)2/()2/(dxDdxDrrDxdDxd222222)2/()2/(2dxDdxDxd兩波在兩波在P點(diǎn)的相位差恒定不變，為點(diǎn)的相位差

12、恒定不變，為2S波程差波程差Ddx,)(2)(21221rrPSPSdP1r2rDOx兩波在兩波在P點(diǎn)的相位差恒定不變，為點(diǎn)的相位差恒定不變，為 明紋明紋 dDkxkdDkxk)21( 暗紋暗紋Dxd222k ) 12(kk = 0, 1， 2，k = 0, 1， 2，相鄰暗條紋中心間距相鄰暗條紋中心間距相鄰明紋中心間距相鄰明紋中心間距dDxxxkk1dDxxxkk12S1SSx明x暗(2) 相鄰明條紋間距相鄰明條紋間距 正比于正比于 dDx (3) 當(dāng)用白光作為光源時(shí)，在零級(jí)白色中央條紋兩邊對(duì)稱(chēng)地當(dāng)用白光作為光源時(shí)，在零級(jí)白色中央條紋兩邊對(duì)稱(chēng)地排列著幾條彩色條紋排列著幾條彩色條紋 討論討論條

13、紋周期性排列是光波空間周期性的體現(xiàn)條紋周期性排列是光波空間周期性的體現(xiàn)0級(jí)級(jí)明明紋紋(1) 為了能為了能分辨各級(jí)，得到干涉圖像，要求分辨各級(jí)，得到干涉圖像，要求 d D1級(jí)級(jí)明明紋紋2級(jí)級(jí)明明紋紋二二. 洛埃鏡洛埃鏡O（洛埃鏡實(shí)驗(yàn)結(jié)果與楊氏雙縫干涉相似）（洛埃鏡實(shí)驗(yàn)結(jié)果與楊氏雙縫干涉相似） 接觸處接觸處, , 屏上屏上O 點(diǎn)點(diǎn)出現(xiàn)暗條紋出現(xiàn)暗條紋 半波損失半波損失 有半波損失有半波損失相當(dāng)于入射波與反射波之間附加了一個(gè)半波長(zhǎng)的波程差相當(dāng)于入射波與反射波之間附加了一個(gè)半波長(zhǎng)的波程差無(wú)半波損失無(wú)半波損失1n2n入射波入射波反射波反射波21nn 21nn 透射波沒(méi)有半波損失透射波沒(méi)有半波損失1S2S

14、反射鏡反射鏡觀察屏觀察屏用白光作光源觀察楊氏雙縫干涉。設(shè)縫間距為用白光作光源觀察楊氏雙縫干涉。設(shè)縫間距為d ，縫面與屏，縫面與屏距離為距離為 D紫kk ) 1( 紅1 . 1400760400 紫紅紫k解解 清晰的可見(jiàn)光譜只有一級(jí)清晰的可見(jiàn)光譜只有一級(jí) 例例在在400 760 nm 范圍內(nèi)，范圍內(nèi)，最先發(fā)生重疊的是某最先發(fā)生重疊的是某一級(jí)次的紅光和高一級(jí)次的紫光一級(jí)次的紅光和高一級(jí)次的紫光.明紋條件為明紋條件為求求 能觀察到的清晰可見(jiàn)光譜的級(jí)次能觀察到的清晰可見(jiàn)光譜的級(jí)次dDkxk紅紅dDkxk紫紫）（11紅紫kkxx10 級(jí)明紋級(jí)明紋k+1級(jí)明紋級(jí)明紋k 級(jí)明紋級(jí)明紋紫1kx紅kxx(1)

15、明紋間距分別為明紋間距分別為mm35. 00 . 110893. 56004dDxmm035. 01010893. 56004dDx(2) 雙縫間距雙縫間距 d 為為mm4 . 5065. 010893. 56004xDd雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，用鈉光燈作單色光源，其波長(zhǎng)為雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，用鈉光燈作單色光源，其波長(zhǎng)為589.3 nm，屏與雙縫的距離屏與雙縫的距離 D=600 mm解解 例例求求 (1) d =1.0 mm 和和 d =10 mm，兩種情況相鄰明條紋間距分別，兩種情況相鄰明條紋間距分別為多大？為多大？(2) 若相鄰條紋的最小分辨距離為若相鄰條紋的最小分辨距離為 0.065 mm，能，能分

16、清干涉條紋的雙縫間距分清干涉條紋的雙縫間距 d 最大是多少？最大是多少？在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，兩條縫的寬度原來(lái)是相等的，若其中在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，兩條縫的寬度原來(lái)是相等的，若其中一縫的寬度一縫的寬度略略變窄，但保持縫間距不變，則變窄，但保持縫間距不變，則例例(1) 干涉條紋的間距變寬。干涉條紋的間距變寬。(2) 干涉條紋的間距變窄。干涉條紋的間距變窄。(3) 干涉條紋的間距不變，但原極小處的強(qiáng)度不再為零。干涉條紋的間距不變，但原極小處的強(qiáng)度不再為零。(4) 不再發(fā)生干涉現(xiàn)象。不再發(fā)生干涉現(xiàn)象。14.4 光程與光程差光程與光程差介質(zhì)中介質(zhì)中ur2在相位改變相同的條件下，把光在介質(zhì)中傳播的路程折在相位改

17、變相同的條件下，把光在介質(zhì)中傳播的路程折合為光在真空中傳播的相應(yīng)路程合為光在真空中傳播的相應(yīng)路程n在介質(zhì)中傳播距離在介質(zhì)中傳播距離 r 時(shí)，時(shí)， 相位的改變?yōu)橄辔坏母淖優(yōu)楣獬坦獬陶婵罩姓婵罩衏 )(2/2nrrn1S2Snn1r2rPd)(21221rnnddrn光程光程 iiirn 1nin1r2rir在多種介質(zhì)中在多種介質(zhì)中 2n例例 兩光源兩光源 1 = 2 ，初相分別為，初相分別為 1、 2。 求兩波在求兩波在P點(diǎn)相位差點(diǎn)相位差光程差光程差初相差初相差解解 S2P光程光程n (r2 d) + nd 兩波在兩波在P點(diǎn)相位差為點(diǎn)相位差為S2發(fā)出的波在發(fā)出的波在P點(diǎn)的相位點(diǎn)的相位nddrnt

18、)(2222S1發(fā)出的波在發(fā)出的波在P點(diǎn)的相位點(diǎn)的相位)(2111rntAA例例 物象之間等光程原理物象之間等光程原理物點(diǎn)象點(diǎn)間物點(diǎn)象點(diǎn)間 所有光線的光程相等所有光線的光程相等SSSS AA 波面上各點(diǎn)到象點(diǎn)的光線的光程相等波面上各點(diǎn)到象點(diǎn)的光線的光程相等用折射率用折射率 n =1.58 的很薄的云母片覆蓋在雙縫實(shí)驗(yàn)中的一條的很薄的云母片覆蓋在雙縫實(shí)驗(yàn)中的一條縫上，這時(shí)屏上的第縫上，這時(shí)屏上的第七七級(jí)亮條紋移到原來(lái)的級(jí)亮條紋移到原來(lái)的零零級(jí)亮條紋的級(jí)亮條紋的位置上。如果入射光波長(zhǎng)為位置上。如果入射光波長(zhǎng)為 550 nm解解 設(shè)云母片厚度為設(shè)云母片厚度為 d 。 無(wú)云母片時(shí)，零級(jí)亮紋在屏上無(wú)云母片時(shí)，零級(jí)亮紋在屏上 P 點(diǎn)，點(diǎn)，則到則到 P 點(diǎn)的兩束光的光程差為零；點(diǎn)的兩束光的光程差為零； 加上云母片后，光程變加上云母片后，光程變化化 (n - -1) d , 則到則到P點(diǎn)的兩光束的光程差為點(diǎn)的兩光束的光程差為當(dāng)當(dāng) P 點(diǎn)為第七級(jí)明紋位置時(shí)點(diǎn)為第七級(jí)明紋位置時(shí) 7mm106 . 6158. 11055071736nd例例求求