大學(xué)物理波動光學(xué)

關(guān)于大學(xué)物理波動光學(xué)第一頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日光矢量的振動相對于傳播方向的不對稱性，稱為光的偏振性。1、線偏振光（完全偏振光）2、自然光3、部分偏振光偏振度第二頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日二、偏振片的起偏和檢偏1、偏振片工作原理只允許沿某一特定方向的光矢量通過的光學(xué)器件2、起偏自然光偏振光偏振化方向具有豎直偏振方向的偏振膜第三頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日3、檢偏（旋轉(zhuǎn)偏振片）自然光：透射光強度不發(fā)生變化線偏振光：透射光發(fā)生明暗變化??????部分偏振光：透射光發(fā)生明暗變化第四頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日三、馬呂斯定律定量研究線偏振光通過偏振片后光強的變化規(guī)律P12I0自然光I0EE//P2——馬呂斯定律第五頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日§10－2反射光和折射光的偏振1、反射光中垂直振動強于平行的振動；2、折射光中平行的振動強于垂直振動；3、反射光、折射光偏振化的程度隨入射角變化。n2n1第六頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日布儒斯特定律這個特定的角稱為布儒斯特角；此時折射光仍為部分偏振光；此時反射光與折射光互相垂直。n2n1入射角為某一特定值時，反射光中只有垂直振動第七頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日§10－3光的雙折射現(xiàn)象自然光O光e光方解石一、雙折射現(xiàn)象——同一束光線通過折射后分為兩束的現(xiàn)象結(jié)論：o光、e光都是線偏振光第八頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日二、雙折射現(xiàn)象的解釋光在各向異性介質(zhì)中的傳播速度與光的傳播方向、光矢量的振動方向有關(guān)，現(xiàn)象：o光、e光在晶體中的傳播速度不同本質(zhì)：晶體各向異性及電矢量對晶體極化程度共同作用所致第九頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日回顧：振動疊加，波的疊加同頻率的平行簡諧振動的合成第十頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日波的疊加相遇點分振動的相位差：干涉相長干涉相消若波程差

第十一頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日§10－4光波的疊加光程一、光波的相干疊加相干光必須滿足的條件：光振動的頻率相同，振動方向相同，相位差恒定?？梢姸?/p>

第十二頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日光強分布曲線，以及干涉圖樣第十三頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日二、光波的非相干疊加1、普通光源的發(fā)光機制——自發(fā)輻射2、普通光源的發(fā)光特點——間歇性、無規(guī)則性3、從普通光源獲得相干光的方法分波振面法分振幅法第十四頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日光程：光在媒質(zhì)中傳播的距離與媒質(zhì)折射率的乘積光程差：兩個相干光的光程之差三、光程意義：把光波在媒質(zhì)中傳播的距離折算為在相同時間內(nèi)在真空中傳播的相應(yīng)距離注意：考慮反射可能引發(fā)的半波損失第十五頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日使用薄透鏡不引起附加光程差第十六頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日§10－5雙縫干涉一、楊氏雙縫干涉第十七頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日二、干涉圖樣分析1.干涉條紋的形狀：與雙縫平行的一組明暗相間彼此等間距的直條紋，對稱分布2.明、暗條紋位置r2r1OPxdS2S1D明條紋(中心)位置：暗條紋(中心)位置：3、同類條紋間距：第十八頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日4.光強分布曲線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，對稱分布。第十九頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日①光源S位置改變②雙縫間距d改變③雙縫與屏幕間距D改變④入射光波長改變6、討論

（1）波長及裝置結(jié)構(gòu)變化（2）介質(zhì)的影響①在S1后加透明介質(zhì)薄膜②把整個實驗裝置置于折射率為n的介質(zhì)中第二十頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日三、雙縫性的其它干涉裝置1、菲涅耳雙面鏡干涉實驗兩個虛光源的干涉現(xiàn)象2、洛埃鏡實驗實光源與虛光源的干涉現(xiàn)象反相位的相干光源第二十一頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日§10－6等厚干涉和等傾干涉一、薄膜干涉薄膜干涉屬于分振幅法光程差相同的入射角對應(yīng)同一級條紋。因此，稱為薄膜等傾干涉第二十二頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日對于同一厚度的薄膜，在某一方向觀察到某一波長對應(yīng)反射光相干相長，則該波長在對應(yīng)方向的透射光一定相干相消。滿足能量守恒。應(yīng)用：增透膜、增反膜二、等厚干涉1、劈尖干涉透射光的干涉：第二十三頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日明紋中心暗紋中心特點：空氣劈尖相鄰明條紋對應(yīng)的厚度差：若劈尖間是折射率為

n2

的介質(zhì)，則：劈尖干涉條紋是一系列等間距、明暗相間的平行直條紋明紋或暗紋之間間距第二十四頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日反射光干涉公式2、牛頓環(huán)第二十五頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日明環(huán)中心暗環(huán)中心（反射光牛頓環(huán)）討論:中心為暗環(huán)，級次最低。離開中心越遠，圓條紋間距越小。透射光干涉條紋與反射光的明暗互補。用白光時將產(chǎn)生彩色條紋。玻璃片與平凸透鏡間距變化反射牛頓環(huán)半徑oR曲率半徑re應(yīng)用：測量光的波長；測量平凸透鏡的曲率半徑；檢查透鏡的質(zhì)量第二十六頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日三、等傾干涉不同傾角的透射光穿過等厚薄膜產(chǎn)生干涉四、干涉現(xiàn)象的應(yīng)用

測定氣態(tài)物質(zhì)的折射率檢查表面質(zhì)量測量長度的微小變化牛頓環(huán)測平凸透鏡的曲率半徑鍍膜光學(xué)元件ab第二十七頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日§10－7邁克耳孫干涉儀時間相干性一、邁克耳孫干涉儀fG1G2M2M1光源1212T第二十八頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日M1與M2嚴格垂直——等傾干涉M1與M2不垂直——等厚干涉記下平移的距離,可測量入射光的波長測樣品參數(shù)測定光譜線的波長；測定遠距離星體的直徑以及檢查透鏡和棱鏡的光學(xué)質(zhì)量邁克耳孫干涉儀的應(yīng)用二、時間相干性2、相干長度——波列長度L3、相干時間——原子發(fā)光的持續(xù)時間Δt

1、光源發(fā)光特點第二十九頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日§10－8惠更斯——菲涅爾原理一、光的衍射現(xiàn)象單縫KabS光源(a)屏幕E屏幕E單縫KaS光源(b)b波在傳播過程中遇到障礙物，能夠繞過障礙物的邊緣前進這種偏離直線傳播的現(xiàn)象稱為衍射現(xiàn)象。條件：d∽λ第三十頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日從同一波面上各點發(fā)出的子波，在傳播到空間某一點時，各個子波之間也可以相互疊加而產(chǎn)生干涉——惠更斯－菲涅耳原理二、惠更斯-菲涅耳原理“子波相干”數(shù)學(xué)表達式第三十一頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日三、衍射的分類1.菲涅耳衍射2.夫瑯和費衍射光源—衍射屏—接收屏距離為有限遠。光源—衍射屏—接收屏距離為無限遠。光源障礙物接收屏光源障礙物接收屏障礙物接收屏第三十二頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日§10－9單縫和圓孔的夫瑯和費衍射2.實驗現(xiàn)象明暗相間平行于單縫的衍射條紋；中央明紋明亮且較寬；兩側(cè)對稱分布著其它明紋。一、單縫夫瑯和費衍射1.實驗裝置光源在透鏡1的物方焦平面接收屏在2的像方焦平面12第三十三頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日菲涅耳半波帶作圖3、菲涅耳半波帶法解釋單縫衍射ABФaasinФC單縫①②PBAA,B兩條平行光線之間的光程差BC=asinФ第三十四頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日第三十五頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日第三十六頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日半波原理：任何兩個相鄰半波帶所發(fā)出的光線在匯聚點相互抵消.推廣：當(dāng)BC是/2的偶數(shù)倍，所有波帶成對抵消，P點暗當(dāng)BC是/2的奇數(shù)倍，所有波帶成對抵消后留下一個波帶，P點明③特點：將波面分成整數(shù)個半波帶，相鄰波帶的相位差為π④明暗條紋條件暗紋中心明紋中心第三十七頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日第三十八頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日半波原理：任何兩個相鄰半波帶所發(fā)出的光線在匯聚點相互抵消.推廣：當(dāng)BC是/2的偶數(shù)倍，所有波帶成對抵消，P點暗當(dāng)BC是/2的奇數(shù)倍，所有波帶成對抵消后留下一個波帶，P點明③特點：將波面分成整數(shù)個半波帶，相鄰波帶的相位差為π④明暗條紋條件暗紋中心明紋中心中央明紋區(qū)第三十九頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日明，暗條紋在接收屏上的位置暗紋中心明紋中心單縫半角寬度第四十頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日中央明條紋的寬度：(焦距f)其它各級明條紋的寬度為中央明條紋寬度的一半。條紋寬度幾何光學(xué)是波動光學(xué)在a>>λ時的極限情況。第四十一頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日條紋亮度中央明紋：asinθ=0所有子波干涉加強；第一級明紋：k=1，三個半波帶，兩個干涉相消(1/3)第二級明紋：k=2，五個半波帶，四個干涉相消(1/5)衍射光譜波長對衍射條紋的影響第四十二頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日2愛里斑：第一暗環(huán)對應(yīng)的衍射角θ0稱為愛里斑的半角寬度愛里斑的半徑：中央明區(qū)集中了衍射光能的83.5%二、圓孔夫瑯和費衍射1、實驗裝置及衍射圖樣衍射圖象：中央是個明亮的圓斑，外圍是一組明暗相間的同心圓。第四十三頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日點物S像S’L1、物與像的關(guān)系物理光學(xué)

像點是愛理斑S’LSO幾何光學(xué)

像點是幾何點S’LSO問題的出現(xiàn)：點物S和S1在透鏡的焦平面上呈現(xiàn)兩個愛理斑，屏上總光強為兩衍射光斑的非相干迭加。S1’S’S1SAf1f2OS1SS’S1’LO當(dāng)兩個物點距離足夠小時，就有能否分辨的問題。三、光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)第四十四頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日點物S1的愛里斑中心剛好與另一個點物S2的愛里斑邊緣（第一級暗環(huán)）重合時，恰可分辨兩物點2、瑞利判據(jù)第四十五頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日滿足瑞利判據(jù)的兩像點間的距離，就是光學(xué)儀器所能分辨的最小距離。分辨率3、光學(xué)儀器的分辨率人眼的分辨本領(lǐng)設(shè)人眼瞳孔直徑為D，可把人眼看成一枚凸透鏡，焦距為20毫米，其成象為夫瑯和費衍射的圖樣。yn=1n'=1.336'L121'2'兩物點對透鏡中心所張的角Ф0

稱為最小分辨角。Ф0=1.22/D第四十六頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日光學(xué)鏡頭直徑越大，分辨率越高。地面觀測用哈勃望遠鏡觀測電子顯微鏡拍攝的照片采用波長較短的光，也可提高分辨率。第四十七頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日圓孔衍射公式對人眼、顯微鏡、望遠鏡、拋物面式的天線，雷達均成立第四十八頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日光的干涉與衍射一樣，本質(zhì)上都是光波相干疊加的結(jié)果。干涉是有限個分立光束的相干疊加，衍射是連續(xù)的無限個子波的相干疊加。干涉強調(diào)的是不同光束相互影響而形成相長或相消的現(xiàn)象；衍射強調(diào)的是光線偏離直線而進入陰影區(qū)域。四、干涉與衍射的本質(zhì)第四十九頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日上下移動狹縫，明暗條紋位置不變第五十頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日反射光柵透射光柵1、光柵2、光柵衍射的實驗裝置與衍射圖樣§10－10光柵一、光柵衍射

光柵常數(shù)第五十一頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日3、光柵衍射圖樣的形成衍射圖樣，不隨縫的上下移動而變化單縫衍射多縫干涉相鄰狹縫對應(yīng)點在衍射角方向上滿足：則形成明條紋(a+b)sin=±kk=0,1,2,3···abPOf第五十二頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日光柵衍射圖樣是多縫干涉光強分布受單縫衍射光強分布調(diào)制的結(jié)果。光柵衍射缺極第五十三頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日abPOfθφ垂直入射時的光柵方程abPOfθ(a+b)sin=±k

k=0,1,2,3···斜入射時的光柵方程(a+b)(sin+sinφ)=±k

k=0,1,2,3···4、光柵方程一般只討論垂直入射情況第五十四頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日①主極大明條紋中心位置：(a+b)sin=±kk=0,1,2,3···5、討論光柵常數(shù)越小，條紋間隔越大

波長越大條紋間隔越寬縫數(shù)增大只是使條紋亮度增大與條紋變窄

衍射暗紋干涉明紋k=(a+b)·k'

/ak為所缺的級次光柵的缺極缺極時衍射角同時滿足：(a)1條縫(f)20條縫(e)6條縫(c)3條縫(b)2條縫(d)5條縫第五十五頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日6、衍射光譜第五十六頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日二、X射線的衍射倫琴（W.K.Rontgen，1845-1923）勞厄（M.V.Laue，1879-1960）

布拉格父子（W.H.Bragg，W.L.Bragg）第五十七頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期日在乳膠板上形成對稱分布的若干衍射斑點，稱為勞厄斑。勞厄?qū)嶒炞C明了X射線的波動性，同時還證實了晶體中原子排列的規(guī)則性。1、勞厄?qū)嶒灥谖迨隧?，共六十四頁，編輯?023年，星期日2、布拉格公式AB123dCDMNP當(dāng)2d·sinφ=±kλ時各層面上的反射光相干相長，形成亮點，稱為