《大學物理學》課件第十三章 波動光學

1、第十三章 波動光學 13.1 光源 光的相干性 13.2 楊氏雙縫干涉 光程 13.3 薄膜干涉(等傾干涉) 13.4 劈尖 牛頓環(huán)(等厚干涉) 13.5 邁克耳孫干涉儀 13.6 光的衍射 13.7 單縫衍射 13.8 圓孔衍射 光學儀器的分辨本領 13.9 光柵衍射 13.10 X射線的衍射 13.11 光的偏振 馬呂斯定律 13.12 反射光和折射光的偏振 13.13 雙折射 213.1 光源 光的相干性 自身能夠發(fā)光的物體叫光源。 一、光源 光的本質：原子或分子的運動狀態(tài)發(fā)生變化時的一種電磁輻射。 光的來源 熱輻射（太陽、蠟燭、白熾燈） 非熱輻射（電致發(fā)光、熒光、磷光、化學發(fā)光、激光等

2、） 3普通光源發(fā)光的機理：分子或原子的自發(fā)輻射 自發(fā)輻射的特點：各原子(或分子)的發(fā)光是自發(fā)并獨立進行的，具有間歇性和隨機性。各光波列互不相干。 基態(tài) 激發(fā)態(tài) 4二、光的相干性 1. 相干光 兩束滿足相干條件的光稱為相干光。 相干條件( Coherent Condition )： 兩束光在相遇區(qū)域：振動方向相同；振動頻率相同； 相位相同或相位差保持恒定。那么在兩束光相遇的區(qū)域內就會產生干涉現(xiàn)象。 52. 獲得相干光的方法 分波陣面法 *S1S2S分振幅法 613.2 楊氏雙縫干涉 光程 一、楊氏雙縫干涉 SOS1S2dDOx波程差： r1r2D d D x 很小 78干涉加強和減弱條件（ 時）

3、 加強 減弱 明紋中心位置： 暗紋中心位置： k 代表條紋級次 9相鄰明紋（或相鄰暗紋）之間的距離 波長越長、雙縫間距 d 越小、屏距 D 越大，則條紋間距越大，干涉現(xiàn)象越明顯。 若入射光為白光，除了中央明紋中心為白色以外，兩側同級條紋將出現(xiàn)由紫色向紅色順序變化的彩色條紋。 10菲涅耳雙鏡和勞埃德鏡 dOOS1S2SM1M2擋板屏S2S1M屏半波損失：當光從折射率較低的光疏介質掠射或正入射到折射率較高的光密介質時，反射光相對于入射光的相位躍變了 ，相當于反射過程中附加了半個波長的波程差。 11例13.1 波長為 600nm 的平行光垂直入射到間距為 d = 0.25mm 的雙縫上，在相距 D

4、= 50cm 處放置屏幕，求相鄰兩明紋的間距。若入射的是白光，波長范圍從 400nm 到 760nm，求第一級和第五級明紋彩色帶的寬度。 解：相鄰兩明紋的間距 第 k 級明紋彩色帶的寬度 12光程 波速： 光在介質中通過的幾何路程為 r ，相應的相位變化為 光程差： 二、光程 光程差 光在折射率為 n 的介質中傳播(頻率不變)， 波長： 若 ，則 干涉加強 干涉減弱 13例13.2 如圖所示是利用楊氏干涉測氣體折射率的原理圖。在 S1 后面放置長度為 l 的透明容器，當待測氣體注入容器時將空氣排出，可觀察到接收屏上的干涉條紋發(fā)生移動。由干涉條紋移動的數(shù)目可以算出待測氣體的折射率。設待測氣體為氯

5、氣，折射率為 n，n 大于空氣的折射率 n0。已知 l = 2.0cm，條紋移動的數(shù)目m = 20，光波波長 = 589.3nm，空氣的折射率 n0 = 1.000276，求： 干涉條紋如何移動？ 待測氯氣的折射率是多少？ 14解： 充氣后，S1 射出的光線光程增加，零級明紋將上移，所以整個條紋上移。 條紋整體上移了m = 20 條，則原中央明紋處變?yōu)?-20 級明紋，即 O 處的光程差為 SS1S2OPl得折射率 1513.3 薄膜干涉(等傾干涉)a , b 兩束光發(fā)生干涉，它們的光程差為： 為附加的光程差，若 n1n2n2n3 ，則= 0，若 n1n3 或 n1n2n3 ，則=/ 2 。

6、一、等傾干涉 aibdn1n2n3ACBD16aibdn1n2n3ACBD由折射定律： 由幾何關系： 上下表面反射光的光程差： 17對于厚度均勻的薄膜，光程差僅與光的入射角 i 有關，具有相同入射角的光線經(jīng)薄膜上下表面反射后的光程差相等，干涉加強或減弱情況相同，稱為等傾干涉。明紋 暗紋 18例13.3 彩色電視機的三基色分光系統(tǒng)常用如圖所示的結構，用鍍膜方法對不同波長的光進行分色。現(xiàn)要求紅光的波長為 640nm，綠光的波長為560nm，已知玻璃基片的折射率n3 = 1.50，膜的折射率 n2 = 2.12，空氣的折射率為n1 = 1.00，設平行白光的入射角為 i = 45，玻璃基片和膜厚度均

7、勻，求膜的厚度。 白光藍光紅光i綠光19解：由 n1 n3 ，反射光有附加光程差 光程差 明紋條件 取 k = 1 ，則 所以，對于紅光，膜厚度為 d = 80 nm ，對于綠光，膜厚度為 d = 70 nm 。 20二、增透膜和增反膜 d空氣 n1=1.00MgF2 n2=1.38玻璃 n3=1.50由 n1 n2 n3 ，膜上下表面的反射光的附加光程差 光程差 增透膜使反射光干涉減弱，透射光干涉加強。 增透膜的厚度 增反膜使反射光干涉加強，透射光干涉減弱。 21例13.4 平行白光從空氣垂直入射到玻璃表面的油膜上，在反射的可見光中波長為 630nm 的紅光和波長為 525nm 的綠光干涉加強，兩波長間沒有另外干涉加強的波長。假定膜的厚度是均勻的，油膜的折射率為 1.30 ，玻璃的折射率為 1.50 ，求油膜的厚度。 解：光程差 得 油膜厚度 2213.4 劈尖 牛頓環(huán)(等厚干涉)對于厚度不均勻的薄膜，只要上下表面的夾角很小，則兩束反射光的光程差仍可近似為： 對于薄膜表面不同的入射點，如果入射角 i 都相同，則光程差僅與膜的厚