第十二章波動光學(xué)-1

大學(xué)物理學(xué)電子教案波動光學(xué)

光學(xué)緒言12-1光的本性12-2光的相干性緒言一、光學(xué)的研究內(nèi)容研究光的本性；研究光的產(chǎn)生、傳輸與接收規(guī)律；研究光與物質(zhì)的相互作用；研究光學(xué)的應(yīng)用。光究竟是什么？自古以來人們對此有著種種的猜測和爭論，進入17世紀，對于光的本性的爭論主要有以下兩種：

直到19世紀才逐步完善，由此形成波動光學(xué)理論牛頓的微粒說：光是由發(fā)光物發(fā)出的遵循力學(xué)規(guī)律的粒子流?；莞沟牟▌诱f：光是機械波，在彈性介質(zhì)“以太”中傳播。二、光的兩種學(xué)說三、光的本性光的電磁理論——波動性：干涉、衍射、偏振光的量子理論——粒子性：黑體輻射、光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)

1801年，英國物理學(xué)家托馬斯·楊（T.Young，1773—1829）首先利用雙縫實驗觀察到了光的干涉條紋，從實驗上證實了光的波動性。

1865年，英國物理學(xué)家麥克斯韋從他的電磁場理論預(yù)言了電磁波的存在，并認為光就是一種電磁波。四、光學(xué)的分類幾何光學(xué)以光的直線傳播和反射、折射定律為基礎(chǔ)，研究光學(xué)儀器成象規(guī)律。物理光學(xué)以光的波動性和粒子性為基礎(chǔ)，研究光現(xiàn)象基本規(guī)律。波動光學(xué)——光的波動性：研究光的傳輸規(guī)律及其應(yīng)用的學(xué)科量子光學(xué)——光的粒子性：研究光與物質(zhì)相互作用規(guī)律及其應(yīng)用的學(xué)科光的干涉光的衍射光的偏振第十二章波動光學(xué)一、光波1．光波的概念：紅外光：λ>760nm可見光：400nm與760nm之間紫外光：λ<400nm§12－1相干光2．光的顏色：單色光——只含單一波長的光：激光復(fù)色光——不同波長單色光的混合：白光3．光的速度與折射率：v=c/n二、光矢量1．光矢量電場強度E的振動稱為光振動，電場強度稱為光矢量。2．光強光的平均能流密度，表示單位時間內(nèi)通過與傳播方向垂直的單位面積的光的能量在一個周期內(nèi)的平均值

I=E02三、光的干涉現(xiàn)象1．什么是光的干涉現(xiàn)象兩束光的相遇區(qū)域形成穩(wěn)定的、有強有弱的光強分布。2．相干條件①振動方向相同②振動頻率相同③相位相同或相位差保持恒定3．相干光與相干光源兩束滿足相干條件的光稱為相干光相應(yīng)的光源稱為相干光源4．明暗條紋條件用相位差表示：明條紋：Δ=±2kk=0,1,2,…暗條紋：Δ=±(2k-1)k=1,2,3,…用波程差表示：根據(jù)波程差與相位差的關(guān)系Δ=2δ/λ明條紋：δ=±kλk=0,1,2,…暗條紋：δ=±(2k-1)λ/2k=1,2,3,…四、相干光的獲得1．普通光源的發(fā)光機理光波列長度：m結(jié)論：普通光源發(fā)出的光波不滿足相干條件，不是相干光，不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。特點：同一原子發(fā)光具有瞬時性和間歇性、偶然性和隨機性，而不同原子發(fā)光具有獨立性。2．獲得相干光源的兩種方法原理：將同一光源上同一點或極小區(qū)域發(fā)出的一束光分成兩束，讓它們經(jīng)過不同的傳播路徑后，再使它們相遇，它們是相干光。方法：分波陣面法：把光波的陣面分為兩部分分振幅法：利用兩個反射面產(chǎn)生兩束反射光SE§12－2楊氏雙縫干涉、勞埃德鏡一、楊氏雙縫干涉托馬斯·楊（ThomasYoung）英國物理學(xué)家、醫(yī)生和考古學(xué)家，光的波動說的奠基人之一波動光學(xué)：楊氏雙縫干涉實驗生理光學(xué)：三原色原理材料力學(xué)：楊氏彈性模量考古學(xué)：破譯古埃及石碑上的文字1、楊氏簡介

相干光：能夠滿足干涉條件的光。

相干光源：能產(chǎn)生相干光的光源。兩個獨立光源發(fā)出的光不可能產(chǎn)生干涉干涉條件：頻率相同，振動方向相同，相位相同或恒定的相位差。激光光源是相干光源2、楊氏雙縫干涉實驗裝置

1801年，楊氏巧妙地設(shè)計了一種把單個波陣面分解為兩個波陣面以鎖定兩個光源之間的相位差的方法來研究光的干涉現(xiàn)象。楊氏用疊加原理解釋了干涉現(xiàn)象，在歷史上第一次測定了光的波長，為光的波動學(xué)說的確立奠定了基礎(chǔ)。楊氏雙縫實驗3、雙縫干涉的波程差兩光波在P點的波程差為：

δ=r2-r1r12=D2+(x-d/2)2

r22=D2+(x+d/2)2所以r22-r12=2xd即(r2-r1)(r2+r1)=2xd采用近似r2+r1≈2D波程差為：r2r1OPxdS2S1D4、干涉條紋的位置（1）明條紋：

中心位置：（2）暗條紋：

中心位置：

（3）條紋間距：

相鄰明紋中心或相鄰暗紋中心的距離稱為條紋間距5、干涉條紋的特點雙縫干涉條紋是與雙縫平行的一組明暗相間彼此等間距的直條紋，上下對稱。012345-5-4-3-2-1①光源S位置改變：S下移時，零級明紋上移，干涉條紋整體向上平移；S上，干涉條紋整體向下平移，條紋間距不變。②雙縫間距d改變：當d

增大時，Δx減小，零級明紋中心位置不變，條紋變密。當d

減小時，Δx增大，條紋變稀疏。③雙縫與屏幕間距D改變：當D

減小時，Δx減小，零級明紋中心位置不變，條紋變密。當D

增大時，Δx增大，條紋變稀疏。Δx=Dλ/d6、討論

（1）波長及裝置結(jié)構(gòu)變化時干涉條紋的移動和變化

一定時,條紋間距與的關(guān)系如何？

一定時，若變化,則將怎樣變化？對于不同的光波，若滿足k1λ1=k2λ2

出現(xiàn)干涉條紋的重疊。④入射光波長改變：

當λ增大時，Δx增大，條紋變疏；當λ減小時，Δx減小，條紋變密。若用復(fù)色光源，則干涉條紋是彩色的。條紋位置和波長有關(guān)，不同波長的同一級亮條紋位置不同。因此，如果用白光照射，則屏上中央出現(xiàn)白色條紋，而兩側(cè)則出現(xiàn)彩色條紋。條紋間距與波長成正比，因此紫光的條紋間距要小于紅光的條紋間距。測量出d和D以及條文在光屏上的位置x或條紋間距△x，就可以計算出波長λ。

（歷史上正是通過楊氏雙縫試驗第一次測量出可見光的波長）說明：（2）介質(zhì)對干涉條紋的影響①在S1后加透明介質(zhì)薄膜，干涉條紋如何變化？零級明紋上移至點P，屏上所有干涉條紋同時向上平移。移過條紋數(shù)目Δk=(n-1)b/λ條紋移動距離OP=Δk·Δx若S2后加透明介質(zhì)薄膜，干涉條紋下移。r2r1OPxdS2S1②若把整個實驗裝置置于折射率為n的介質(zhì)中，

明條紋：

δ=n(r2-r1)=±kλk=0,1,2,…

暗條紋：δ=n(r2-r1)=±(2k-1)λ/2k=1,2,3,…或明條紋：

r2-r1=xd/D=±kλ/n=±kλ’k=0,1,2,…

暗條紋：r2-r1=xd/D=±(2k-1)λ/2n=±(2k-1)λ’k=1,2,3,…（λ’為入射光在介質(zhì)中的波長）條紋間距為Δx=Dλ/(nd)=Dλ’/d

干涉條紋變密。7、光強分布合光強為

I=I1+I2+2sqrt(I1I2)cosΔ當I1=I2=I0時I=2I0(1+cosΔ)=4I0cos2(Δ/2)=4I0cos2(δ/λ)當δ=±kλ時，I=Imax=4I0當δ=±(2k-1)λ/2時，I=Imin=08、楊氏雙縫干涉的應(yīng)用（1）測量波長：（2）測量薄膜的厚度和折射率：（3）長度的測量微小改變量。[例1]、求光波的波長在楊氏雙縫干涉實驗中，已知雙縫間距為0.60mm，縫和屏相距1.50m，測得條紋寬度為1.50mm，求入射光的波長。解：由楊氏雙縫干涉條紋間距公式可以得到光波的波長為代入數(shù)據(jù)，得λ=1.50×10-3×0.60×10-3/1.50=6.00×10-7m=600nm

例2

楊氏雙縫的間距為0.2mm，距離屏幕為1m。（1）若第一到第四明紋距離為7.5mm，求入射光波長；（2）若入射光的波長為600nm，求相鄰兩明紋的間距。解：由楊氏雙縫干涉條紋間距公式當雙縫干涉裝置的一條狹縫后面蓋上折射率為n=1.58的云母片時，觀察到屏幕上干涉條紋移動了9個條紋間距，已知波長λ=5500A0，求云母片的厚度。[例3]、根據(jù)條紋移動求縫后所放介質(zhì)片的厚度解：沒有蓋云母片時，零級明條紋在O點；當S1縫后蓋上云母片后，光線1的光程增大。由于零級明條紋所對應(yīng)的光程差為零，所以這時零級明條紋只有上移才能使光程差為零。依題意，S1縫蓋上云母片后，零級明條紋由O點移動原來的第九級明條紋位置P點，當x<<D時，S1發(fā)出的光可以近似看作垂直通過云母片，光程增加為(n-1)b，從而有

(n-1)b=kλ所以：b=kλ/(n-1)=9×5500×10-10/(1.58-1)=8.53×10-6mr2r1OPxdS2S1二、*菲涅耳雙面鏡干涉實驗(了解)引入

菲涅耳提出了的獲得相干光的方法。實驗裝置原理:屏幕上O點在兩個虛光源連線的垂直平分線上，屏幕上明暗條紋中心對O點的偏離

x為：明條紋中心的位置暗條紋中心的位置三、勞埃德鏡實驗實驗裝置與原理AB為一背面涂黑的玻璃片，從狹縫S1射出的光，一部分直接射到屏幕X上，另一部分經(jīng)過玻璃片反射后到達屏幕，反射光看成是由虛光源S2發(fā)出的，S1、S2構(gòu)成一對相關(guān)光源，在屏幕上可以看到明、暗相間的干涉條紋。光欄半波損失原因：當光從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)時，反射光的相位發(fā)生了π躍變，或者反射光產(chǎn)生了λ/2附加的光程差，即“半波損失”。解釋：光的電磁理論（菲涅耳公式）可以解釋半波損失。現(xiàn)象：當屏幕W移至B處，從S和S’到B點的光程差為零，但是觀察到暗條紋，驗證了反射時有半波損失存在。情況1：n1<n2<n3

有有沒有情況2：n1>n2>n3

無無沒有情況3：n1<n2>n3

有無有