大學(xué)物理-光學(xué)

一光是一種電磁波平面電磁波方程真空中的光速可見光的范圍

光矢量用矢量表示光矢量,它在引起人眼視覺和底片感光上起主要作用.13－4相干光P21二相干光普通光源發(fā)光特點(diǎn)：原子發(fā)光是斷續(xù)的，每次發(fā)光形成一長度有限的波列,各原子各次發(fā)光相互獨(dú)立，各波列互不相干.1）普通光源的發(fā)光機(jī)制原子能級(jí)及發(fā)光躍遷基態(tài)激發(fā)態(tài)躍遷自發(fā)輻射2）相干光的產(chǎn)生波陣面分割法*光源振幅分割法p實(shí)驗(yàn)裝置一楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)波程差13－5楊氏雙縫干涉減弱加強(qiáng)暗紋明紋p討論條紋間距明暗條紋的位置白光照射時(shí)，出現(xiàn)彩色條紋暗紋明紋1）條紋間距與的關(guān)系;若變化，則將怎樣變化？一定時(shí)，一定時(shí)，若變化，則將怎樣變化？1）2）

條紋間距與的關(guān)系如何？一定時(shí)，二雙縫干涉光強(qiáng)分布合光強(qiáng)干涉項(xiàng)若其中則光強(qiáng)分布圖紫光光強(qiáng)分布圖波長不同條紋間距不同紅光光強(qiáng)分布圖P三雙鏡四勞埃德鏡

半波損失：光從光速較大的介質(zhì)射向光速較小的介質(zhì)時(shí)反射光的相位較之入射光的相位躍變了，相當(dāng)于反射光與入射光之間附加了半個(gè)波長的波程差，稱為半波損失.PML

例1以單色光照射到相距為0.2mm的雙縫上,雙縫與屏幕的垂直距離為1m.(1)從第一級(jí)明紋到同側(cè)的第四級(jí)明紋的距離為7.5mm,求單色光的波長;(2)若入射光的波長為600nm,求相鄰兩明紋間的距離.解（1）（2）一光程真空中的波長介質(zhì)的折射率介質(zhì)中的波長*P*13-6光程波程差相位差物理意義：光程就是光在媒質(zhì)中通過的幾何路程,按波數(shù)相等折合到真空中的路程.*P*介質(zhì)中的波長1)光程:媒質(zhì)折射率與光的幾何路程之積=2）光程差

(兩光程之差)光程差*P*干涉加強(qiáng)相位差干涉減弱AB二透鏡不引起附加的光程差A(yù)B焦平面PL三薄膜干涉DC34E5A1B2反射光的光程差加強(qiáng)減弱PLDC34E5A1B2透射光的光程差注意：透射光和反射光干涉具有互補(bǔ)性，符合能量守恒定律.根據(jù)具體情況而定PLDC34E5A1B2當(dāng)光線垂直入射時(shí)當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)解(1)例一油輪漏出的油(折射率=1.20)污染了某海域,在海水(=1.30)表面形成一層薄薄的油污.(1)如果太陽正位于海域上空,一直升飛機(jī)的駕駛員從機(jī)上向下觀察,他所正對(duì)的油層厚度為460nm,則他將觀察到油層呈什么顏色?(2)如果一潛水員潛入該區(qū)域水下,又將看到油層呈什么顏色?綠色(2)透射光的光程差紅光紫光紫紅色

增透膜和增反膜利用薄膜干涉可以提高光學(xué)器件的透光率.取（增強(qiáng)）氟化鎂為增透膜例為了增加透射率,求氟化鎂膜的最小厚度.已知空氣,氟化鎂,減弱解

則23玻璃SM劈尖角一劈尖明紋暗紋13－7劈尖牛頓環(huán)劈尖干涉（明紋）（暗紋）討論1）劈尖為暗紋.3）條紋間距（明紋或暗紋）2）相鄰明紋（暗紋）間的厚度差劈尖干涉

4）干涉條紋的移動(dòng)每一條紋對(duì)應(yīng)劈尖內(nèi)的一個(gè)厚度，當(dāng)此厚度位置改變時(shí)，對(duì)應(yīng)的條紋隨之移動(dòng)

例1有一玻璃劈尖,放在空氣中,劈尖夾角,用波長的單色光垂直入射時(shí),測(cè)得干涉條紋的寬度,求這玻璃的折射率.解2）測(cè)膜厚1）干涉膨脹儀劈尖干涉的應(yīng)用空氣3）檢驗(yàn)光學(xué)元件表面的平整度4）測(cè)細(xì)絲的直徑二牛頓環(huán)由一塊平板玻璃和一平凸透鏡組成光程差

牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置牛頓環(huán)干涉圖樣顯微鏡SLM半透半反鏡TR光程差明紋暗紋rd暗環(huán)半徑明環(huán)半徑

4）應(yīng)用例子:可以用來測(cè)量光波波長，用于檢測(cè)透鏡質(zhì)量，曲率半徑等.

1）從反射光中觀測(cè)，中心點(diǎn)是暗點(diǎn)還是亮點(diǎn)？從透射光中觀測(cè)，中心點(diǎn)是暗點(diǎn)還是亮點(diǎn)？2）屬于等厚干涉，條紋間距不等，為什么？3）將牛頓環(huán)置于的液體中，條紋如何變？工件標(biāo)準(zhǔn)件暗環(huán)半徑明環(huán)半徑討論測(cè)量透鏡的曲率半徑

例2用氦氖激光器發(fā)出的波長為633nm的單色光做牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)，測(cè)得第個(gè)k

暗環(huán)的半徑為5.63mm,第k+5暗環(huán)的半徑為7.96mm，求平凸透鏡的曲率半徑R.解總結(jié)

1）干涉條紋為光程差相同的點(diǎn)的軌跡，即厚度相等的點(diǎn)的軌跡2）厚度線性增長條紋等間距，厚度非線性增長條紋不等間距3）條紋的動(dòng)態(tài)變化分析（變化時(shí)）4）半波損失需具體問題具體分析單色光源反射鏡反射鏡11－5邁克耳孫干涉儀與成角補(bǔ)償板分光板移動(dòng)導(dǎo)軌反射鏡反射鏡單色光源光程差的像當(dāng)不垂直于時(shí)，可形成劈尖型等厚干涉條紋.反射鏡反射鏡單色光源干涉條紋移動(dòng)數(shù)目邁克爾孫干涉儀的主要特性

兩相干光束在空間完全分開，并可用移動(dòng)反射鏡或在光路中加入介質(zhì)片的方法改變兩光束的光程差.移動(dòng)距離移動(dòng)反射鏡干涉條紋的移動(dòng)當(dāng)與之間距離變大時(shí)，圓形干涉條紋從中心一個(gè)個(gè)長出,并向外擴(kuò)張,干涉條紋變密;距離變小時(shí)，圓形干涉條紋一個(gè)個(gè)向中心縮進(jìn),干涉條紋變稀.插入介質(zhì)片后光程差光程差變化干涉條紋移動(dòng)數(shù)目介質(zhì)片厚度光程差圓孔衍射單縫衍射*13-6光的衍射現(xiàn)象*二惠更斯—菲涅爾原理：波陣面上面元(子波波源)菲涅爾指出衍射圖中的強(qiáng)度分布是因?yàn)檠苌鋾r(shí)，波場(chǎng)中各點(diǎn)的強(qiáng)度由各子波在該點(diǎn)的相干疊加決定.點(diǎn)振動(dòng)是各子波在此產(chǎn)生的振動(dòng)的疊加.子波在點(diǎn)引起的振動(dòng)振幅并與有關(guān).：時(shí)刻波陣面*三菲涅爾衍射和夫瑯禾費(fèi)衍射夫瑯禾費(fèi)衍射光源、屏與縫相距無限遠(yuǎn)縫在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)夫瑯禾費(fèi)衍射菲涅爾衍射縫光源、屏與縫相距有限遠(yuǎn)夫瑯禾費(fèi)單縫衍射衍射角（衍射角：向上為正，向下為負(fù).）菲涅爾波帶法13－7單縫衍射一半波帶法縫長干涉相消（暗紋）干涉加強(qiáng)（明紋）（介于明暗之間）（個(gè)半波帶）個(gè)半波帶個(gè)半波帶中央明紋中心二光強(qiáng)分布干涉相消（暗紋）干涉加強(qiáng)（明紋）當(dāng)較小時(shí)，干涉相消（暗紋）干涉加強(qiáng)（明紋）討論（1）第一暗紋距中心的距離第一暗紋的衍射角一定，越大，越大，衍射效應(yīng)越明顯.光直線傳播增大，減小一定減小，增大衍射最大第一暗紋的衍射角角范圍線范圍中央明紋的寬度（2）中央明紋（的兩暗紋間）單縫寬度變化，中央明紋寬度如何變化？越大，越大，衍射效應(yīng)越明顯.入射波長變化，衍射效應(yīng)如何變化?（4）單縫衍射的動(dòng)態(tài)變化單縫上移，零級(jí)明紋仍在透鏡光軸上.單縫上下移動(dòng)，根據(jù)透鏡成像原理衍射圖不變.（3）條紋寬度（相鄰條紋間距）干涉相消（暗紋）干涉加強(qiáng)（明紋）除了中央明紋外的其它明紋、暗紋的寬度（5）入射光非垂直入射時(shí)光程差的計(jì)算（中央明紋向下移動(dòng)）（中央明紋向上移動(dòng)）如圖所示，用波長為的單色光垂直入射到單縫AB上，（1）若AP-BP=2，問對(duì)P點(diǎn)而言，狹縫可分幾個(gè)半波帶？P點(diǎn)是明是暗？（2）若AP-BP=1.5，則P點(diǎn)又是怎樣？對(duì)另一點(diǎn)Q來說，AQ-BQ=2.5，則Q點(diǎn)是明是暗？P、Q二點(diǎn)相比哪點(diǎn)較亮？13-8衍射光柵許多等寬度、等距離的狹縫排列起來形成的光學(xué)元件.衍射角明紋位置相鄰兩縫間的光程差：光柵常數(shù)：光柵常數(shù)衍射角：透光部分的寬度：不透光部分的寬度二光柵衍射條紋的形成光柵的衍射條紋是衍射和干涉的總效果條紋最高級(jí)數(shù)討論光強(qiáng)分布1條縫20條縫3條縫5條縫光柵中狹縫條數(shù)越多，明紋越亮.亮紋的光強(qiáng)：單縫光強(qiáng)）（：狹縫數(shù)，一定，減少，增大．一定，

增大，

增大．光柵常數(shù)越小，明紋越窄，明紋間相隔越遠(yuǎn)入射光波長越大，明紋間相隔越遠(yuǎn)入射光為白光時(shí)，不同，不同，按波長分開形成光譜.一級(jí)光譜二級(jí)光譜三級(jí)光譜三衍射光譜例如二級(jí)光譜重疊部分光譜范圍二級(jí)光譜重疊部分:一級(jí)光譜二級(jí)光譜三級(jí)光譜連續(xù)光譜：熾熱物體光譜線狀光譜：鈉鹽、分立明線帶狀光譜：分子光譜衍射光譜分類光譜分析由于不同元素（或化合物）各有自己特定的光譜，所以由譜線的成分，可分析出發(fā)光物質(zhì)所含的元素或化合物；還可從譜線的強(qiáng)度定量分析出元素的含量．

例1用白光垂直照射在每厘米有6500條刻痕的平面光柵上，求第三級(jí)光譜的張角.解紅光第三級(jí)光譜的張角第三級(jí)光譜所能出現(xiàn)的最大波長綠光紫光不可見13-8圓孔衍射X射線衍射艾里斑：艾里斑直徑二瑞利判據(jù)對(duì)于兩個(gè)強(qiáng)度相等的不相干的點(diǎn)光源（物點(diǎn)），一個(gè)點(diǎn)光源的衍射圖樣的主極大剛好和另一點(diǎn)光源衍射圖樣的第一極小相重合，這時(shí)兩個(gè)點(diǎn)光源（或物點(diǎn)）恰為這一光學(xué)儀器所分辨.**三光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)最小分辨角（兩光點(diǎn)剛好能分辨）光學(xué)儀器分辨率光學(xué)儀器的通光孔徑1990年發(fā)射的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的凹面物鏡的直徑為2.4m，最小分辨角，在大氣層外615km高空繞地運(yùn)行,可觀察130億光年遠(yuǎn)的太空深處,發(fā)現(xiàn)了500億個(gè)星系.四1885年倫琴發(fā)現(xiàn)，受高速電子撞擊的金屬會(huì)發(fā)射一種穿透性很強(qiáng)的射線稱Ｘ射線．勞厄斑點(diǎn)鉛板單晶片照像底片單晶片的衍射1912年勞厄?qū)嶒?yàn)X射線冷卻水<布拉格反射入射波散射波

1913年英國布拉格父子提出了一種解釋Ｘ射線衍射的方法，給出了定量結(jié)果，并于1915年榮獲物理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)．掠射角晶格常數(shù)相鄰兩個(gè)晶面反射的兩X射線干涉加強(qiáng)的條件布拉格公式用途測(cè)量射線的波長研究X射線譜，進(jìn)而研究原子結(jié)構(gòu)；研究晶體的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步研究材料性能.例如對(duì)大分子DNA晶體的成千張的X射線衍射照片的分析，顯示出DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu).DNA晶體的X衍射照片DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)布拉格公式光的波動(dòng)性

光的干涉、衍射.光波是橫波光的偏振.機(jī)械橫波與縱波的區(qū)別機(jī)械波穿過狹縫13－9光的偏振性馬呂斯定律一自然光偏振光

自然光：一般光源發(fā)出的光中，包含著各個(gè)方向的光矢量在所有可能的方向上的振幅都相等（軸對(duì)稱）這樣的光叫自然光.

自然光以兩互相垂直的互為獨(dú)立的（無確定的相位關(guān)系）振幅相等的光振動(dòng)表示,并各具有一半的振動(dòng)能量.符號(hào)表示注意各光矢量間無固定的相位關(guān)系.

二互相垂直方向是任選的

.

偏振光（線偏振光）符號(hào)表示

部分偏振光：某一方向的光振動(dòng)比與之垂直方向上的光振動(dòng)占優(yōu)勢(shì)的光為部分偏振光.符號(hào)表示光振動(dòng)只沿某一固定方向的光.振動(dòng)面

起偏二偏振片起偏與檢偏

二向色性

:某些物質(zhì)能吸收某一方向的光振動(dòng),而只讓與這個(gè)方向垂直的光振動(dòng)通過,這種性質(zhì)稱二向色性.

偏振片：涂有二向色性材料的透明薄片.

偏振化方向：當(dāng)自然光照射在偏振片上時(shí)，它只讓某一特定方向的光通過，這個(gè)方向叫此偏振片的偏振化方向.偏振化方向起偏器檢偏器

檢偏起偏器NM三馬呂斯定律（1880年）檢偏器起偏器NM馬呂斯定律強(qiáng)度為的偏振光通過檢偏振器后,出射光的強(qiáng)度為例1有兩個(gè)偏振片,一個(gè)用作起偏器,一個(gè)用作檢偏器.當(dāng)它們偏振化方向間的夾角為時(shí),一束單色自然光穿過它們,出射光強(qiáng)為;當(dāng)它們偏振化方向間的夾角為時(shí),另一束單色自然光穿過它們,出射光強(qiáng)為,且.求兩束單色自然光的強(qiáng)度之比.解設(shè)兩束單色自然光的強(qiáng)度分別為和