大二上所有學習-工科物理2光學

第15章波動光學邁克耳孫干涉儀是根據(jù)光的干涉原理制成的精密測量儀器，它可以精密地測量長度及長度的微小變化等.光學發(fā)展簡史公元前400多年,中國的《墨經(jīng)》有光學實驗等記載公元前300年,希臘《反射光學》有光直線傳播和反射定律記載1100年，阿拉伯人阿爾-海茲恩(Al-hazen)發(fā)明第一個透鏡1590年瓊森(Jonsen)和李普塞(Lippershey)發(fā)明第一架望遠鏡十七世紀初馮特納(Fontana)發(fā)明第一架顯微鏡1621年斯涅耳(Snell)給出了光的反射定律和折射定律十七世紀費馬(Fermat)提出了費馬原理—光程極值原理●光學早期發(fā)展1665年，牛頓(IsaacNewton)提出光的微粒學說●光的微粒說牛頓認為：光是一種微粒流，微粒從光源飛出來,

在均勻物質內以力學定律作等速運動。從光直線傳播性推測4對光的反射定律解釋：光微?！鷱椥耘鲎病鷮獾恼凵涠山忉專汗馕⒘Ｍㄟ^界面受阻→但對于水面：(實驗結果)光在水中速度光在空氣中速度1690年，惠更斯(ChristianHuggens)提出光的波動學說●光的波動說惠更斯原理惠更斯認為：光同聲一樣,是以球面波傳播的,

如同石子投入水面時看到的波相似。從聲現(xiàn)象和光現(xiàn)象有許多類似而推測聲在大氣中傳播，水波在水面上傳播，光在什么介質中傳播呢？惠更斯提出光在“以太”中傳播，“以太”充滿宇宙的全部空間?；莞乖?媒質中波動傳到的各點,都可以看作是發(fā)射子波的波源,在其后的任一時刻,這些子波的包絡面就決定了新的波陣面.ChristianHuygens,(荷),1690

平面波:球面波:7惠更斯原理對光的反射定律解釋：包絡面DC由AC間次波元構成→光線2：B→C光線1：A→D速度同∴△ABC≌△ADC8惠更斯原理對光的折射定律解釋：光線2：B→C光線1：A→D包絡面DC由AC間次波元構成→速度不同光在水中速度光在空氣中速度對于水面：(實驗結果)1801.Young第一次用實驗支持光的波動說,疊加原理。1815.Fresnel解釋衍射，1818.提出H-F原理,確立波動說（Poisson斑,用牛頓的力學擊敗了牛頓的光學）●波動說的決定性勝利波動說結論:水空氣1850年，傅科(J.B.L.Foucault法)實驗測得：微粒學結論:空氣水水空氣波動學說正確1865年，麥克斯韋(英)①光與電磁波都橫波②光與電磁波傳播速度相同③光與電磁波都有干涉、衍射現(xiàn)象光是電磁波●光學的現(xiàn)代發(fā)展光的波動學說不能解釋的現(xiàn)象：黑體輻射現(xiàn)象；光電效應；…1900年普朗克(德)提出輻射的量子論,

解釋了黑體輻射現(xiàn)象1905年愛因斯坦提出光子理論,

解釋了光電效應光具有波粒二象性激光器半導體芯片…光學各領域蓬勃發(fā)展…計算機時代…原子彈爆炸原子能利用…核電站…光粒子遵從新的量子規(guī)律,而不符合牛頓力學量子力學狹義相對論原子物理學●現(xiàn)代光學分類:§15.1光是電磁波§15.2光波的疊加§15.3分波前干涉空間相干性§15.4光程與光程差§15.5分振幅干涉§15.6邁克耳孫干涉儀時間相干性§15.7光的衍射惠更斯－菲涅耳原理§15.8夫瑯禾費衍射§15.9衍射光柵光柵光譜本章內容§15.10X射線在晶體上的衍射§15.11光的偏振線偏振光和自然光§15.12偏振片的起偏和檢偏馬呂斯定律§15.13光在反射和折射時的偏振布儒斯特定律§15.14光的雙折射§15.15尼科耳棱鏡渥拉斯頓棱鏡波晶片§15.16偏振光的干涉人工雙折射§15.17旋光效應簡介本章內容§15.1

光是電磁波主要內容：1.光是一種電磁波2.平面簡諧電磁波的性質3.光源和發(fā)光機理15.1.1光是一種電磁波1.電磁波電磁波的產生及傳播凡作加速運動的電荷或電荷系都是發(fā)射電磁波的波源.變化磁場可以激發(fā)渦旋電場傳導電流和變化電場可以激發(fā)渦旋磁場電磁波譜2.光是電磁波光色

波長/nm

頻率/Hz中心波長/nm

紅760~622

660

橙622~597610

黃597~577

570

綠577~492540

青492~470

480

蘭470~455

460

紫455~400

430可見光七彩顏色的波長和頻率范圍諸多的現(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、衍射、偏振性質.(2)用電磁波理論研究光學現(xiàn)象的結果都說明光是電磁波.人眼視見函數(shù).反映人眼對不同波長光相對靈敏度的差別.波長/nm相對靈敏度附加：麥克斯韋的電磁波方程組—這正是波動方程設傳播介質內：∴介質中傳播速度為：在真空中：=光速15.1.2平面簡諧電磁波的性質波函數(shù)表示的平面電磁波電磁波是橫波

和同相位，幅值成比例電磁波的傳播速度電磁波在真空中的傳播速度介質折射率電磁波的能量電磁波能量密度電磁波能流密度坡印亭矢量電磁波平均能流密度(波的強度)有時，電磁波的強度也可表示為15.1.3光源和發(fā)光機理1.光源光源：光源的分類任何發(fā)光的物體都可以稱為光源.光譜：使光波中不同頻率的光分開，形成光譜.按光譜分為線譜光源連續(xù)譜光源(1)線譜光源氫原子的巴耳末線系照片(2)連續(xù)譜光源按激發(fā)方式分熱輻射電致發(fā)光光致發(fā)光化學發(fā)光例如：太陽，白熾燈.例如：閃電，霓虹燈，發(fā)光二極管等.例如：日光燈，鱗光物質.例如：燃燒，鱗自燃，螢火蟲.自發(fā)輻射2.光源發(fā)光機理波列E2E1(1)光波列長度(2)光波列長度與其單色性關系由傅立葉分析可知c光波單色性(3)光源中各光波列之間關系非相干(不同原子發(fā)的光)非相干(同一原子先后發(fā)的光)激光的特點：高定向性；高單色性；高亮度；高相干性.新型光源(1)激光：基于特定能級間粒子數(shù)反轉體系的受激輻射.(2)同步輻射光：同步加速器產生的輻射光.強度高；方向性好；偏振性好；穩(wěn)定性好；波譜寬等.同步輻射光的特點：§15.2

光波的疊加主要內容：1.光波的疊加2.光波的相干條件15.2.1光波的疊加干涉項PS1S2r1r2···P點合光強為非相干疊加不恒定

兩疊加光波的光矢量相互垂直或頻率不相等或相位差不恒定，光波為非相干疊加，P點合光強為(1)(2)(3)結論相干疊加如果兩光波頻率相同;相位差恒定;光矢量振動方向平行,則其中兩光波疊加區(qū)域P點的光強為(1)相長干涉(明紋)(2)相消干涉(暗紋)如果如果

討論(1)光波的頻率相同；(2)光矢量振動方向平行，且振幅相差不大；(3)光波之間的相位差恒定.光的相干的條件15.2.2光波的相干條件

說明(1)各光波的頻率相同是任何波動疊加產生干涉的必要條件.(2)對光矢量振動方向平行條件，一般只要疊加光波的振動方向存在平行分量即可.(3)光波之間的相位差恒定是保證干涉圖樣穩(wěn)定所必須的.豐富多彩的干涉現(xiàn)象白光照射肥皂薄膜的等厚干涉花樣★實現(xiàn)光干涉的條件為什么通?？床坏焦獾南喔涩F(xiàn)象?光源發(fā)光機理:

由量子理論知：發(fā)光基本單元的原子能量是分立的,如圖高能級→低能級躍遷→能量釋放→發(fā)光其特點：

(波列長度)②各個原子輻射---獨立性、隨機性即：

①輻射過程短：△t=10-9～10-8

秒，∴每次輻射出的波的長度有限，即：各波列頻率不同,振向不同,相位差不恒定∴一般光源為非相干光源P波列長度怎樣獲得相干光?

構思：同一波列→分成兩束→重疊→干涉現(xiàn)象頻率相同振動方向相同相位差恒定兩種方法：⑴分波前干涉法:取同一波面的不同部分作為子光源→⑵分振幅干涉法:利用折射/反射把同一束光一分為二再使其相遇→pS

*薄膜上表面下表面12分束§15.3

分波前干涉空間相干性主要內容：1.楊氏干涉實驗2.菲涅耳雙面鏡實驗3.勞埃德鏡實驗*4.光波的空間相干性15.3.1楊氏干涉實驗通過一些技術方法(例如:通過并排的兩個小孔)從一個光源發(fā)出的同一光波列的波前上取出兩個子波源，該獲得相干光的方法為分波前法.1.楊氏干涉實驗裝置及實驗現(xiàn)象AB光源2.干涉圖樣極值位置光強極小位置光強極大位置

只在z軸附近觀察由上式得在實際的干涉實驗中d<<

D

,光強分布圖Ik012-1-24I0x0x1x2x-2x-1

屏上z軸附近分布著一系列平行、等間距、等強度的條紋.(2)干涉條紋中，在極大與極小值之間，光強逐漸過渡變化，且是非線性的變化.

討論條紋間距(3)當用白光作為光源時，在中央零級白色條紋兩邊對稱地排列著幾條彩色條紋.同級條紋由中心向兩側的色序為紫

紅.若有(4)間距與波長關系4I0Ix0x1x2x-2x-1當d和D保持不變時，由于，(5)間距Δx與兩縫間距d關系當和D保持不變時，由于，光源S位置偏移對稱軸的情況光源S→S',偏移量為ξ,條紋何變動?關?。河嬎愎饩€1,2之間的光程差(注：S和S'不在同一波面上)兩θ約等=零級亮紋位置:表明:新零級亮紋在x=-D/R處條紋間距不變當S→S'時,條紋整體向下平移15.3.2其它分波前干涉1.菲涅耳雙面鏡實驗S???dS1S2LrxO(1)調節(jié)兩平面鏡之間的夾角j

，可改變S1和S2間距，從而改變屏幕上干涉條紋的疏密程度.說明(2)j必須很小，否則干涉條紋過密，將觀察不到明顯的干涉現(xiàn)象.2.勞埃德鏡實驗S??xO接觸處,

屏上O

點出現(xiàn)暗條紋

半波損失

半波損失:光波從折射率小的光疏介質向折射率大的光密介質入射時，反射光要產生數(shù)值為

的相位突變.這相當于反射光波多走了(或少走了)半個波長.O?*15.3.3光波的空間相干性1.干涉條紋的可見度兩束相干光波疊加時，光強分布為可見度(描述條紋清晰度的物理量)則兩束光波的強度越接近，可見度越大，干涉條紋就越清晰.

結論2.空間相干性OBS1S2??dSBSC???SAbD?I此時，整個屏幕上處處強度相等，觀察不到干涉條紋，該光源線度為干涉容許的光源最大尺度.此時滿足：由幾何關系可得：由于結果表明：光源的線度滿足B在雙縫干涉實驗中，屏幕E上的P點處是明條紋.若將縫S2

蓋住，并在

S1S2

連線的垂直平分面處放一反射鏡M，如圖所示，則此時例(A)P點處仍為明條紋.(B)P點處為暗條紋.(C)不能確定P點處是明條紋還是暗條紋.(D)無干涉條紋.EM由于在原來光程差上多(少)了半個波長,所以P點處為暗條紋.解(1)波長為600nm的平行光垂直入射在間距為0.2mm的雙縫上時，在縫后1m處的像屏上形成干涉條紋.解例(1)第十級明紋中心的位置和第十級明紋的寬度(2)波長改為

400~760nm

的白光時，第二級譜線寬度、第二級譜線與第三級譜線重疊部分的寬度和重疊部分各波長范圍.求明條紋中心條件為

相鄰條紋間距為第十級明紋的寬度(2)明條紋中心條件第二級譜線的寬度為23bOa第二級λ2波長譜線與第三級λ3波長譜線重合，即同理有：第二級譜線與第三級譜線重疊部分各波長范圍為第二級譜線與第三級譜線重疊部分的寬度為⑴設兩縫間的距離為d，條紋的寬度得(m)(m)由⑵設共經(jīng)過的距離為l(m)⑶條紋間距為條紋間距不變，整體平移。，若光波斜射到鋼片上，(1)求兩縫間的距離。(2)從任一明條紋(計作0)向一邊數(shù)到第20條明條紋，共經(jīng)過多少距離?(3)如果使光波斜入射到鋼片上，條紋間距將如何改變?薄鋼片上有兩條緊靠的平行細縫，用波長為λ=546.1nm的平面光波正入射到鋼片上。屏幕距雙縫的距離為D=2.00m，測得中央明條紋兩側的第五級明條紋間的距離為§15.4

光程與光程差主要內容：1.光程2.光程差15.4.1光程便于研究同一光波在幾種不同介質中傳播或者計算幾個經(jīng)過不同介質的干涉光相遇時的相位差.1.目的：若時間

t內光波在介質中傳播的路程為

r

,則相應在真空中傳播的路程應為可見:光程是一個折合量，將光波在介質中傳播的路程折合為同一時間內在真空中通過的相應路程。光程PQ??2.光程：15.4.2光程差2.相位差與光程差關系1.光程差3.物象之