【大學(xué)】波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ)

第14章波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ)北極光編輯ppt§14.1

光是電磁波一.電磁波1.電磁波的產(chǎn)生凡做加速運(yùn)動(dòng)的電荷都是電磁波的波源例如：天線中的振蕩電流分子或原子中電荷的振動(dòng)2.對(duì)電磁波平面簡(jiǎn)諧電磁波的性質(zhì)(1)(2)

電磁波是橫波?的描述（平面簡(jiǎn)諧波）和傳播速度相同、相位相同編輯ppt(3)量值上(4)波速(5)電磁波具有波的共性——在介質(zhì)分界面處有反射和折射3.電磁波的能量密度真空中折射率編輯ppt能流密度dA波的強(qiáng)度

I結(jié)論：I

正比于E02

或H02,通常用其相對(duì)強(qiáng)度坡印亭矢量表示（坡印亭矢量）編輯ppt二.光是電磁波光色波長(zhǎng)(nm)

頻率(Hz)中心波長(zhǎng)(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(jiàn)光七彩顏色的波長(zhǎng)和頻率范圍編輯ppt§14.2

光源光波的疊加一.光源(1)熱輻射(2)電致發(fā)光(3)光致發(fā)光(4)化學(xué)發(fā)光能級(jí)躍遷波列波列長(zhǎng)

L=c自發(fā)輻射非相干(不同原子發(fā)的光)非相干(同一原子先后發(fā)的光)..(5)同步輻射光源(6)激光光源受激輻射自發(fā)輻射E2E1編輯ppt·二.光波的疊加光強(qiáng)P12r1r2··當(dāng)干涉項(xiàng),非相干疊加,相干疊加當(dāng)干涉項(xiàng)編輯ppt討論1.非相干疊加即不恒定

非相干疊加時(shí)(1)(2)(3)編輯ppt(1)相長(zhǎng)干涉（明）(2)相消干涉（暗）2.相干疊加如果如果相干條件:(1)頻率相同(2)相位差恒定(3)光矢量振動(dòng)方向平行相干光源:同一原子的同一次發(fā)光3.相干條件、相干光源編輯ppt§14.3

獲得相干光的方法楊氏實(shí)驗(yàn)

（分波陣面法）一.楊氏實(shí)驗(yàn)明條紋位置明條紋位置明條紋位置獲得相干光的方法1.分波陣面法（楊氏實(shí)驗(yàn))2.分振幅法（薄膜干涉)?實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象編輯ppt光強(qiáng)極?。ü鈴?qiáng)極大位置）光強(qiáng)極大（光強(qiáng)極小位置）?理論分析編輯ppt(1)屏上相鄰明條紋中心或相鄰暗條紋中心間距為一系列平行的明暗相間條紋(4)當(dāng)用白光作為光源時(shí)，在零級(jí)白色中央條紋兩邊對(duì)稱地排列著幾條彩色條紋Ik012-1-24I0x0x1x2x-2x-1光強(qiáng)分布討論(2)已知d,D

及Δx,可測(cè)(3)Δx

正比

,D;反比d?編輯ppt二.洛埃鏡（洛埃鏡實(shí)驗(yàn)結(jié)果與楊氏雙縫干涉相似）接觸處,

屏上O點(diǎn)出現(xiàn)暗條紋半波損失有半波損失相當(dāng)于入射波與反射波之間附加了一個(gè)半波長(zhǎng)的波程差無(wú)半波損失入射波反射波透射波透射波沒(méi)有半波損失??編輯ppt(1)明紋間距分別為(2)雙縫間距

d

為雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，用鈉光燈作單色光源，其波長(zhǎng)為589.3nm，屏與雙縫的距離D=600mm解例求

(1)d=1.0mm和d=10mm，兩種情況相鄰明條紋間距分別為多大？(2)若相鄰條紋的最小分辨距離為

0.065mm，能分清干涉條紋的雙縫間距

d最大是多少？編輯ppt用白光作光源觀察楊氏雙縫干涉。設(shè)縫間距為d

，縫面與屏距離為D解

最先發(fā)生重疊的是某一級(jí)次的紅光和高一級(jí)次的紫光清晰的可見(jiàn)光譜只有一級(jí)例在400~760nm范圍內(nèi)，明紋條件為求能觀察到的清晰可見(jiàn)光譜的級(jí)次編輯ppt§14.4

光程與光程差若時(shí)間

t

內(nèi)光波在介質(zhì)中傳播的路程為r

,則相應(yīng)在真空中傳播的路程應(yīng)為光程是一個(gè)折合量，在相位改變相同的條件下，把光在介質(zhì)中傳播的路程折合為光在真空中傳播的相應(yīng)路程改變相同相位的條件下真空中光波長(zhǎng)光程編輯ppt由光程差計(jì)算物象之間等光程原理光程1光程2光程3光程1=光程2=光程3相位差光程……多種介質(zhì)編輯ppt用折射率

n=1.58

的很薄的云母片覆蓋在雙縫實(shí)驗(yàn)中的一條縫上，這時(shí)屏上的第七級(jí)亮條紋移到原來(lái)的零級(jí)亮條紋的位置上。如果入射光波長(zhǎng)為

550nm解

設(shè)云母片厚度為

d

。無(wú)云母片時(shí)，零級(jí)亮紋在屏上P點(diǎn)，則到達(dá)P

點(diǎn)的兩束光的光程差為零。加上云母片后，到達(dá)P點(diǎn)的兩光束的光程差為當(dāng)P點(diǎn)為第七級(jí)明紋位置時(shí)例求此云母片的厚度是多少？編輯ppt§14.6邁克耳遜干涉儀一.干涉儀結(jié)構(gòu)二.工作原理光束1和2發(fā)生干涉d加強(qiáng)減弱光程差(無(wú)半波損)(有半波損)編輯ppt2.若M1、M'2有小夾角3.若M1平移d時(shí)，干涉條紋移過(guò)N條，則有當(dāng)M1和M'2不平行，且光平行入射,此時(shí)為等厚條紋1.若M1、M2平行三.條紋特點(diǎn)等傾條紋編輯ppt五.應(yīng)用1.微小位移測(cè)量3.測(cè)折射率2.測(cè)波長(zhǎng)四.時(shí)間相干性兩光束產(chǎn)生干涉效應(yīng)的最大光程差稱為相干長(zhǎng)度,與相干長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的光傳播時(shí)間稱為相干時(shí)間相干長(zhǎng)度L和譜線寬度之間的關(guān)系為編輯ppt§14.7

惠更斯—菲涅耳原理一.光的衍射現(xiàn)象1.現(xiàn)象衍射屏觀察屏2.衍射光在傳播過(guò)程中繞過(guò)障礙物的邊緣而偏離直線傳播的現(xiàn)象衍射現(xiàn)象是否明顯取決于障礙物線度與波長(zhǎng)的對(duì)比，波長(zhǎng)越大，障礙物越小，衍射越明顯。說(shuō)明光源(剃須刀邊緣衍射)編輯ppt二.惠更斯—菲涅耳原理

同一波前上的各點(diǎn)發(fā)出的都是相干次波。設(shè)初相為零,面積為s的波面

Q，其上面元ds

在P點(diǎn)引起的振動(dòng)為

各次波在空間某點(diǎn)的相干疊加，就決定了該點(diǎn)波的強(qiáng)度。1.原理內(nèi)容2.原理數(shù)學(xué)表達(dá)取決于波面上ds處的波強(qiáng)度,為傾斜因子.??編輯pptP處波的強(qiáng)度說(shuō)明(1)

對(duì)于一般衍射問(wèn)題，用積分計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，實(shí)際中常用半波帶法和振幅矢量法分析。(2)惠更斯—菲涅耳原理在惠更斯原理的基礎(chǔ)上給出了次波源在傳播過(guò)程中的振幅變化及位相關(guān)系。編輯ppt(遠(yuǎn)場(chǎng)衍射)2.夫瑯禾費(fèi)衍射(近場(chǎng)衍射)1.菲涅耳衍射

三.光的衍射分類無(wú)限遠(yuǎn)光源無(wú)限遠(yuǎn)相遇光源O,觀察屏E(或二者之一)到衍射屏S的距離為有限的衍射，如圖所示。光源O,觀察屏E到衍射屏S的距離均為無(wú)窮遠(yuǎn)的衍射，如圖所示。(菲涅耳衍射

)(夫瑯禾費(fèi)衍射

)編輯ppt·*§14.8

單縫的夫瑯禾費(fèi)衍射一.典型裝置(單縫夫瑯禾費(fèi)衍射典型裝置)的光程差二.菲涅耳半波帶法1.衍射暗紋、明紋條件——中央明紋?(

a為縫AB的寬度)編輯ppt此時(shí)縫分為兩個(gè)“半波帶”,P為暗紋。暗紋條件半波帶半波帶P

為明紋。此時(shí)縫分成三個(gè)“半波帶”,明紋條件??λ|2λ|2λ|2λ|2λ|2λ|2λ|2λ|2λ|2編輯ppt(1)得到的暗紋和中央明紋位置精確,其它明紋位置只是近似(2)單縫衍射和雙縫干涉條紋比較。單縫衍射條紋雙縫干涉條紋說(shuō)明編輯ppt2.單縫衍射明紋角寬度和線寬度衍射屏透鏡觀測(cè)屏中央明紋角寬度線寬度角寬度相鄰兩暗紋中心對(duì)應(yīng)的衍射角之差線寬度觀察屏上相鄰兩暗紋中心的間距第k級(jí)明紋

角寬度請(qǐng)寫(xiě)出線寬度編輯ppt三.單縫衍射強(qiáng)度(振幅矢量法)設(shè)每個(gè)窄帶在P點(diǎn)引起的振幅為令P處的合振幅為A、B

點(diǎn)處窄帶在P點(diǎn)引起振動(dòng)的相位差為相鄰窄帶的相位差為1.單縫衍射強(qiáng)度公式將縫

AB均分成

N個(gè)窄帶，每個(gè)窄帶寬度為·編輯ppt對(duì)于O點(diǎn)對(duì)于其它點(diǎn)

P令┏(如當(dāng)

N

取

5

時(shí)

)N取無(wú)窮大時(shí)編輯ppt相對(duì)光強(qiáng)曲線中央明紋暗紋條件和半波帶法得到的暗紋條件一致。2.明、暗紋條件-1.431.43-2.462.46??I/I0編輯ppt解得相應(yīng)半波帶法得到的明紋位置是較好的近似明紋條件?編輯ppt(1)波長(zhǎng)越長(zhǎng)，縫寬越小,條紋寬度越寬。波動(dòng)光學(xué)退化到幾何光學(xué)。觀察屏上不出現(xiàn)暗紋。討論(2)(4)縫位置變化不影響條紋位置分布(3)(單縫夫瑯禾費(fèi)衍射典型裝置)·編輯ppt求對(duì)于暗紋有則如圖示，設(shè)有一波長(zhǎng)為

的單色平面波沿著與縫平面的法線成

角的方向入射到寬為a

的單縫AB上。解在狹縫兩個(gè)邊緣處，衍射角為

的兩光的光程差為例寫(xiě)出各級(jí)暗條紋對(duì)應(yīng)的衍射角

所滿足的條件。編輯ppt四.光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)1.圓孔的夫瑯禾費(fèi)衍射孔徑為D衍射屏中央亮斑(愛(ài)里斑)2.透鏡的分辯本領(lǐng)幾何光學(xué)物點(diǎn)相對(duì)光強(qiáng)曲線經(jīng)圓孔衍射后,一個(gè)點(diǎn)光源對(duì)應(yīng)一個(gè)愛(ài)里斑波動(dòng)光學(xué)物點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)像點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)像斑愛(ài)里斑的半角寬度為編輯ppt瑞利判據(jù):對(duì)于兩個(gè)等光強(qiáng)的非相干物點(diǎn),如果一個(gè)像斑中