大學物理第四版祝之光第十一章-波動光學

11-1光的相干性光程11-2分波面干涉11-3分振幅干涉4-0第四章教學基本要求11-4光的衍射第十一章波動光學4-0第四章教學基本要求11-5衍射光柵4-0第四章教學基本要求11-6光的偏振11-1光的相干性光程要點普通光源發(fā)光的特點，實現(xiàn)穩(wěn)定干涉的條件。獲得相干光的方法.光程，如何用光程差表示兩初相位相同的相干光的相位差以及干涉的加強和減弱的條件。一、光的相干性兩束光頻率相同，振動方向一致，有恒定的相位差.1.產(chǎn)生相干光的條件2.獲得相干光的方法

把由光源上同一點發(fā)的光分成兩部分，然后再使這兩部分疊加起來.分波面法

在同一波面上取兩固定點光源，發(fā)出的光構(gòu)成相干光，這種方法為分波面法.如楊氏雙縫干涉實驗.*SAB分波陣面法P分振幅法

一束光線經(jīng)過介質(zhì)薄膜的反射與折射，形成的兩束光線為相干光，這種方法為分振幅法.如薄膜干涉、等厚干涉.*S分振幅法二、光程和光程差

兩相干光波在介質(zhì)中以波長傳播r1r2PS1S21.光程則S1、S2傳到P點的光振動的相位差：r1r2PS1S2若,由以n表示的折射率且

用介質(zhì)中的波長計算相位差比較麻煩，統(tǒng)一用光在真空中的波長計算相位差可簡化計算.所以介質(zhì)中的波長為定義光程:

介質(zhì)折射率n與光的幾何路程r之積nr.

光程物理意義：光程是在引起相同相位改變的條件下，與光在折射率為n的介質(zhì)中的幾何路程r相當?shù)耐粏紊庠谡婵罩械膫鞑ヂ烦蘮r.光程就是光在介質(zhì)中通過的幾何路程按相位差相等折合到真空中的路程.

如果光線穿過多種介質(zhì)時，其光程為r1n1r2n2rinirnnn對應(yīng)的相位改變2.光程差與相位差假設(shè)光在兩種不同介質(zhì)中傳播，則設(shè)光程差為則3.用光程差表示干涉加強和減弱的條件明紋暗紋

干涉加強

干涉減弱11-2分波面干涉要點由楊氏雙縫干涉和洛埃鏡實驗裝置領(lǐng)會分波面干涉裝置的基本特征.楊氏雙縫干涉條紋分布規(guī)律注意半波損失現(xiàn)象的發(fā)生條件.一、楊氏雙縫干涉光程差DOS1S2Pdr1r2x雙縫屏*

加強減弱DOS1S2Pdr1r2x雙縫屏*（暗紋）（明紋）k=0時,明暗條紋中心的位置零級明紋位于屏幕中央，而且只有一條.其他各級明紋和暗紋都有兩條，且對稱分布.條紋間距

可以看出相鄰明紋與相鄰暗紋中心的間距都相同，所以條紋明暗相間平行等距.在雙縫干涉實驗中，波長為600nm的單色平行光垂直入射到縫間距a＝0.2mm的雙縫上，屏到雙縫的距離D＝6m。求：中央明紋兩側(cè)的兩條第10級明紋中心的間距。三、洛埃鏡實驗

LPK(平面鏡)**屏移至L處L處的相位差有的突變，稱半波損失.

L處似應(yīng)出現(xiàn)明條紋，實際上卻為暗條紋，說明直接射向屏的光與反射光在LPK(平面鏡)**

一般光從光疏介質(zhì)(光速較大，n較小)正入射或掠入射(入射角為零或接近90。)到光密介質(zhì)(光速較小，n較大)的界面上發(fā)生反射時會發(fā)生相位為的突變，相當于光程增加或減少了半個波長.11-3分振幅干涉要點等厚干涉。劈尖的等厚干涉條紋具有的特點。劈尖干涉的主要應(yīng)用。增透膜與增反膜的基本原理。一、等厚干涉

如圖：單色光在厚度不均勻的上下兩個表面形成①、②兩束反射光。當單色光垂直射入薄膜表面時，①和②近乎平行①A薄膜②在A處相遇，e為該處薄膜的厚度,則光程差為等厚干涉：同一干涉條紋對應(yīng)的薄膜厚度相同.上下表面都存在或都不存在半波損失兩反射光之一存在半波損失光程差為:二、劈尖

用單色平行光垂直照射兩玻璃片G1和G2間的空氣劈尖，形成干涉條紋為平行于劈棱的一系列等厚干涉條紋.劈尖下表面G2反射時有半波損失，因此光程差為玻璃片G1玻璃片G2空氣劈尖明紋暗紋1.條紋位置2.相鄰明紋（暗紋）中心對應(yīng)的空氣厚度差3.條紋間距（明紋或暗紋）

越小，條紋越疏，反之越密.過大，條紋將密集，難以區(qū)分.4.條紋移動

膜上某處光程差改變一個波長，該處將移過一條條紋，如某處移過m條條紋，則該處膜厚改變量條紋向棱邊方向移動，膜厚增加；反之膜厚減少.

測量微小物體的厚度

將微小物體夾在兩薄玻璃片間，形成劈尖，用單色平行光照射.由有

劈尖干涉的應(yīng)用

劈尖干涉的應(yīng)用

檢驗光學元件表面的平整度

由于同一條紋下的空氣薄膜厚度相同，當待測平面上出現(xiàn)溝槽時條紋彎曲.三、牛頓環(huán)牛頓環(huán)干涉圖樣顯微鏡SLM半透半反鏡T加強減弱由于①、②兩束反射光的光程差附加項.平板玻璃面上反射光有半波損失,1.與的關(guān)系討論2.牛頓環(huán)半徑明環(huán)由暗環(huán)由r=0的地方，是零級暗紋.若兩玻璃之間為空氣時，n2=111-4光的衍射要點光的衍射具有的特點，夫瑯禾費衍射。注意領(lǐng)會惠更斯-費涅耳原理的主要內(nèi)容，以及由此原理處理衍射問題的基本思想.理解費涅耳半波帶法，注意怎樣用此方法分析單縫衍射圖樣的形成.單縫衍射明暗紋位置如何確定，其條紋的特點。一、光的衍射現(xiàn)象

光在傳播過程中遇到障礙物，光波會繞過障礙物繼續(xù)傳播，如果波長與障礙物相當，衍射現(xiàn)象最明顯.

二、惠更斯-費涅耳原理

惠更斯原理---波在介質(zhì)中傳播到的各點，都可看成新的子波源.

惠更斯原理只能解釋波的衍射，不能給出波的強度.

菲涅耳原理---波傳播到某一點的光強為各個子波在觀察點的干涉疊加.三、夫瑯禾費單縫衍射光源、屏與縫相距無限遠，平行光的衍射.

在屏幕上某點P距屏幕中心O點為x，對應(yīng)該點的衍射角(衍射線與縫平面法線的夾角)為，AB間兩條光線的光程差為

.

P點的光強是單縫處各面元上平行光的疊加.

用/2分割，過等分點作BC

的平行線，等分點將單縫（即AB波面）分割成數(shù)個半波帶.

相鄰兩波帶的對應(yīng)點上發(fā)出的子波在P點的相位差為，即相鄰半波帶上對應(yīng)點光程相差半個波長，所產(chǎn)生的光振動完全抵消.1.半波帶分析法分割成半波帶有三種情況：（1）可分為偶數(shù)個半波帶；（2）可分為奇數(shù)個半波帶；（3）不能分為整數(shù)個半波帶.暗紋明紋

在P點形成明紋還是暗紋決定于能將BC分成奇數(shù)個半波帶還是偶數(shù)個半波帶,即由衍射角的大小決定.零級明紋

不能分為整數(shù)個半波帶P處光強將會介于相鄰的極大和極小之間.2.光強分布

由中央到兩側(cè),光強迅速下降,中央明條紋集中了絕大部分光能,這是因為k越大,縫被分成的半波帶越多,而未被抵消的波帶面積越小的緣故.10.0470.0173.條紋的角寬度（條紋對透鏡L光心所張的角度）中央明紋的角的寬度1.縫寬對衍射圖樣的影響

縫越窄，衍射就越顯著；縫越寬，衍射就越不明顯.當縫寬時，各級衍射條紋向中間靠攏，密集得無法分辨，只顯出單一的明條紋.即光的直線傳播現(xiàn)象是衍射現(xiàn)象的極限情形.討論2.波長對條紋的影響

當縫寬不變時,各級條紋的角位置和角寬度因波長而異.如果用白光入射,中央明條紋仍為白色,但由中央至兩側(cè)的其他各級明紋會因波長不同位置相互錯開而呈紫到紅的彩色衍射圖樣,即衍射光譜.11-5衍射光柵要點光柵衍射條紋的特點，注意關(guān)于光柵衍射條紋形成的分析.推導光柵方程.衍射光譜，光柵的主要應(yīng)用。一、光柵衍射條紋的形成和特點

大量等寬等間距的平行狹縫(或反射面)構(gòu)成的光學元件.2.光柵常數(shù)

透光縫寬度a,不透光縫寬度b,光柵常數(shù):1.光柵各單縫分別同時產(chǎn)生單縫衍射.

單獨開放任一縫時，屏上的光強分布即衍射圖樣不變.各單縫衍射的平行光產(chǎn)生多光干涉.3.衍射條紋的形成光柵的衍射條紋是衍射和干涉的總效果.I1245-1-2-4-50

圖中虛線與單縫衍射光強分布相似，實線表示實際光強分布.各縫衍射光線相干使原單縫兩相鄰極小之間又分裂出若干干涉的極大和極小，這些極大值光強受到單縫衍射光強分布的調(diào)制，因此實際光強分布體現(xiàn)了單縫衍射和多縫干涉的綜合效應(yīng).

兩兩相鄰光線的光程差都相同.如果在某個方向上，相鄰兩光線光程差為k，則所有光線在該方向上都滿足加強條件.4.光柵方程明紋(主極大)光柵中狹縫條數(shù)越多，明紋越亮.11-6光的偏振要點自然光、偏振光和部分偏振光，如何鑒別。馬呂斯定律的內(nèi)容。光在兩種介質(zhì)的分界面上發(fā)生反射和折射時，反射光和折射光的偏振情況，布儒斯特定律。一、自然光與偏振光1.光波的特點

由于光源發(fā)光是由大量原子發(fā)光組成，每個原子發(fā)光的振動方向都是隨機的，電場和磁場在各個方向的振動都存在。平均看來，在垂直于傳播方向平面內(nèi)各方向振動概率相等，振動能量也均勻分布在各振動方向上，稱為自然光，不具有偏振性。光波中引起人的視覺的只有電場的振動矢量，因此其稱為光矢量。

每個光矢量可分解為兩等幅的相互垂直的振動。

光振動可用交替配置的點和短線表示.點表示垂直于紙面的光振動，短線表示紙面內(nèi)的光振動.2.偏振光--線偏振光振動方向在紙面內(nèi)的線偏振光振動方向垂直紙面的線偏振光

在垂直于其傳播方向的平面內(nèi)，光矢量只沿著某個確定的方向振動，這種光是一種完全偏振光，叫線偏振光.自然光3.部分偏振光在紙面內(nèi)振動較強的部分偏振光垂直紙面振動較強的部分偏振光

如果在垂直于其傳播方向的平面內(nèi)，光矢量在某一方向的振動比與之垂直方向上的振動占優(yōu)勢的光為部分偏振光。二、起偏與檢偏

某些物質(zhì)能吸收某一方向的光振動,而只讓與這個方向垂直的光振動通過,形成偏振光,這種性質(zhì)稱二向色性.1.二向色性2.偏振片和起偏器

涂有二向色性材料的透明薄片.偏振片用來產(chǎn)生偏振光時叫起偏器.

3.偏振化方向

當自然光照射在偏振片上時，它只讓某一特定方向的光通過，這個方向叫此偏振片的偏振化方向.通常在偏振片上用記號“

”表示.4.起偏將自然光轉(zhuǎn)變成偏振光的過程.5.檢偏檢測偏振光的過程.檢偏器起偏器三、馬呂斯定律

兩偏振片偏振化方向夾角為.

將通過M的光矢量振幅A0，