波動(dòng)光學(xué)-課件

波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)1/84概述：人們對光的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了一個(gè)否定的否定過程1）光的機(jī)械微粒學(xué)說（17世紀(jì)---18世紀(jì)末）代表：牛頓對立面：惠更斯--波動(dòng)說2）光的機(jī)械波動(dòng)說（19世紀(jì)初--后半世紀(jì)）

英國人楊（T.Young)和法國人菲涅爾(A.T.Fresnel)通過干涉、衍射、偏振等實(shí)驗(yàn)證明了光的波動(dòng)性及光的橫波性。性質(zhì)：彈性機(jī)械波，在機(jī)械以太中傳播。3）光的電磁說（19世紀(jì)的后半期---）19世紀(jì)后半期Maxwell建立電磁理論，提出了光的電磁性，1887年赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)。波動(dòng)光學(xué)2/844）光的量子說（20世紀(jì)初---）

電磁波動(dòng)說在解釋“熱幅射實(shí)驗(yàn)”及“光電效應(yīng)”等實(shí)驗(yàn)遇到困難。1900年普朗克提出了“熱幅射量子理論”;愛因斯坦提出了光子理論，將光看成一束粒子流。1924年法國人德布羅意（De.Broglie)大膽地提出了“物質(zhì)波”的概念，爾后薛定諤、海森伯等人創(chuàng)建了量子力學(xué)，終將二者統(tǒng)一起來。

光是一個(gè)復(fù)雜性的客體，它的本性只能通過它所表現(xiàn)的性質(zhì)來確定，它的某些方面象波而另一方面又表現(xiàn)的象微粒（波粒二象性）。但它既不是波，也不是微粒。波動(dòng)光學(xué)3/84光學(xué)理論分類：1）幾何光學(xué)--研究光的直線傳播及光學(xué)儀器的制造；2）波動(dòng)光學(xué)--研究光的波動(dòng)性；3）量子光學(xué)--研究光與物質(zhì)的相互作用。分類：幾何光學(xué)（h≈0,λ≈0）物理光學(xué)波動(dòng)光學(xué)（h≈0,λ≠0）量子光學(xué)（h≠0,λ≠0）光學(xué)是研究光的本性、光的傳播、光與物質(zhì)相互作用以及光在科學(xué)研究和技術(shù)中各種應(yīng)用的科學(xué)。波動(dòng)光學(xué)4/84?

光是電磁橫波，它具有相互垂直的電場強(qiáng)度矢量和磁場強(qiáng)度矢量。?能產(chǎn)生感光和生理作用的是電場強(qiáng)度。稱為光矢量。?光在人眼視覺范圍內(nèi)的波段為400nm

~760nm。

光的波動(dòng)特性?人眼及物理儀器檢測光的強(qiáng)度是由光的能流密度決定的。定義：光強(qiáng)度波動(dòng)光學(xué)5/84光源的最基本發(fā)光單元是分子、原子

=(E2-E1)/hE1E2能級躍遷輻射波列波列長L=cA)普通光源：自發(fā)輻射獨(dú)立(不同原子發(fā)的光)··獨(dú)立(同一原子先后發(fā)的光)

光源的發(fā)光機(jī)制波動(dòng)光學(xué)6/84

=(E2-E1)/hE1E2完全一樣(頻率,位相,振動(dòng)方向,傳播方向)B)激光光源：受激輻射結(jié)論：普通光源發(fā)光具有獨(dú)立性、隨機(jī)性、間歇性(1)一個(gè)分子(或原子)在一段時(shí)間內(nèi)發(fā)出一列光波,發(fā)光時(shí)間持續(xù)約10－8~10－10s.(間歇性)(2)同一分子在不同時(shí)刻所發(fā)光的頻率、振動(dòng)方向不一定相同。（隨機(jī)性、獨(dú)立性）(3)各分子在同一時(shí)刻所發(fā)光的頻率、振動(dòng)方向、相位也不一定相同.(獨(dú)立性、隨機(jī)性)激光光源能發(fā)出頻率、相位、振動(dòng)方向、傳播方向相同的光。普通相干光的獲得波動(dòng)光學(xué)7/84

相干光的獲得1.頻率相同；2.振動(dòng)方向一致；3.有恒定的相位差；5.光程差不太大；4.光強(qiáng)差不太大?？砂l(fā)生干涉1.產(chǎn)生相干光的條件不能發(fā)生干涉實(shí)際上，滿足上述條件要求同原子，同時(shí)刻所發(fā)的光。波動(dòng)光學(xué)8/84思路：使同一個(gè)點(diǎn)光源發(fā)出的光分成兩個(gè)或兩個(gè)以上的相干光束，使它們各經(jīng)過不同的路徑后再相遇，一定條件下可以滿足相干條件。2.產(chǎn)生相干光的方法分波陣面法*光源分振幅法波動(dòng)光學(xué)9/84雙縫干涉（分波陣面法）波動(dòng)光學(xué)10/84DoS1S2Pdr1r2x雙縫單縫S屏干涉條紋I光強(qiáng)分布點(diǎn)光源一、楊氏雙縫干涉

楊氏在1801年首先用實(shí)驗(yàn)的方法研究了光的干涉現(xiàn)象，為光的波動(dòng)理論奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。1.楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置波動(dòng)光學(xué)11/84DoS1S2PSdr1r2x雙縫單縫屏I點(diǎn)光源RQ波程差：2.干涉相長、相消條件

在P點(diǎn)的合光強(qiáng)：干涉加強(qiáng)干涉減弱波動(dòng)光學(xué)12/84當(dāng)時(shí)：干涉加強(qiáng)，該處出現(xiàn)明條紋干涉減弱，出現(xiàn)暗條紋由幾何關(guān)系得：DoS1S2PSdr1r2x干涉加強(qiáng)波動(dòng)光學(xué)13/843.條紋間距a.相鄰明紋間距：b.相鄰暗紋間距：相鄰明紋與相鄰暗紋的間距都相同，相鄰明（或暗）條紋，即k=1時(shí)的距離稱為條紋間距。條紋明暗相間平行等距。總之，楊氏雙縫條紋間距為：波動(dòng)光學(xué)14/844.復(fù)色光源的干涉條紋若用復(fù)色光源，則干涉條紋是彩色的。干涉級次越高重疊越容易發(fā)生。白光入射的楊氏雙縫干涉照片波動(dòng)光學(xué)15/84虛光源、平行于光欄二、分波陣面干涉的其它一些實(shí)驗(yàn)1.菲涅耳雙面鏡實(shí)驗(yàn)光欄

當(dāng)屏幕W移至B處，從S和S’到B點(diǎn)的光程差為零，但是觀察到暗條紋，驗(yàn)證了反射時(shí)有半波損失存在。2.洛埃鏡實(shí)驗(yàn)波動(dòng)光學(xué)16/84楊氏雙縫花樣雙棱鏡花樣勞埃鏡花樣波動(dòng)光學(xué)17/84例：波長為632.8

nm的激光，垂直照射在間距為1.2mm的雙縫上，雙縫到屏幕的距離為500mm，求兩條第4級明紋的距離。解：44Io由明紋公式：兩條4級明紋的距離為：波動(dòng)光學(xué)18/84例：白色平行光垂直入射到間距為d=0.25mm的雙縫上，距縫50cm處放置屏幕，分別求第一級和第五級明紋彩色帶的寬度。（設(shè)白光的波長范圍是從400nm到760nm）。解：由公式可知波長范圍為時(shí)，明紋彩色寬度為當(dāng)k=1時(shí)，第一級明紋彩色帶寬度為k=5第五級明紋彩色帶寬度為波動(dòng)光學(xué)19/84光程半波損失波動(dòng)光學(xué)20/84

在真空中光的波長為，光速為c，進(jìn)入折射率為n的介質(zhì)中后，波長為n

,光速為v

,則有：

一、光程同一頻率的光在不同介質(zhì)中波長不相同。1.光程問題：若光在前進(jìn)過程中經(jīng)歷了不同的介質(zhì)，如何方便的考慮位相變化？波動(dòng)光學(xué)21/84光程：光在介質(zhì)中傳播的波程與介質(zhì)折射率的乘積。設(shè)光在折射率為n的介質(zhì)中傳播的幾何路程為

l，有：定義：光在t時(shí)間內(nèi)在介質(zhì)中通過路程l就相當(dāng)于光在真空中在相同的時(shí)間內(nèi)通過nl的路程。波動(dòng)光學(xué)22/84問：原來的零級條紋移至何處？若移至原來的第

k

級明條紋處，其厚度

h為多少？例：已知：S2縫上覆蓋的介質(zhì)厚度為

h

，折射率為

n

，設(shè)入射光的波長為

解：從S1和S2發(fā)出的相干光所對應(yīng)的光程差零級條紋對應(yīng)零光程差，所以：零級明條紋下移現(xiàn)有介質(zhì)時(shí)零級明條紋與原來第

k級明紋重合，所以：波動(dòng)光學(xué)23/84例.在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，波長=5500?的單色平行光垂直入射到縫間距d=210-4m的雙縫上，屏到雙縫的距離D=2m．用一厚度為e=6.610-6m、折射率為n=1.58的玻璃片覆蓋一縫后,零級明紋將移到原來的第幾級明紋處?

解覆蓋玻璃后,零級明紋應(yīng)滿足:

設(shè)不蓋玻璃片時(shí),此點(diǎn)為第k級明紋，則應(yīng)有所以

零級明紋移到原第7級明紋處.波動(dòng)光學(xué)24/84分振幅法干涉波動(dòng)光學(xué)25/84水膜在白光下白光下的肥皂膜波動(dòng)光學(xué)26/84蟬翅在陽光下蜻蜓翅膀在陽光下白光下的油膜肥皂泡波動(dòng)光學(xué)27/84i①②一、薄膜干涉dir①②

在薄膜的上下兩表面產(chǎn)生的反射光①光、②光，滿足相干光的條件，經(jīng)透鏡匯聚，能在焦平面上產(chǎn)生等傾干涉條紋。若不考慮半波損失，①光、②光在P點(diǎn)的光程差為：波動(dòng)光學(xué)28/84diir①②ri折射定律：波動(dòng)光學(xué)29/84若考慮半波損失：i①②光程差干涉的加強(qiáng)減弱條件:加強(qiáng)減弱波動(dòng)光學(xué)30/841.若平行光入射，對應(yīng)不同的薄膜厚度就有不同的光程差，也就有不同的干涉條紋。這種一組干涉條紋的每一條對應(yīng)一定厚度的薄膜的干涉，稱為等厚干涉。2.若光源是擴(kuò)展光源，每一點(diǎn)都可以發(fā)出一束近似平行的光線，以不同的入射角入射薄膜，在反射方向上放一透鏡，每一束平行光會(huì)在透鏡焦平面上會(huì)取聚一點(diǎn)。當(dāng)薄膜厚度一定時(shí)，在透鏡焦平面上每一干涉條紋都與一入射角對應(yīng)，稱這種干涉為等傾干涉。討論：波動(dòng)光學(xué)31/84觀察等傾條紋的實(shí)驗(yàn)裝置和光路inMLSf屏幕波動(dòng)光學(xué)32/84例:為增強(qiáng)照相機(jī)鏡頭的透射光，往往在鏡頭（n3=1.52）上鍍一層MgF2薄膜（n2=1.38），使對人眼和感光底片最敏感的黃綠光=555nm反射最小，假設(shè)光垂直照射鏡頭，求：MgF2薄膜的最小厚度。解：不考慮半波損失。k=1,膜最薄波動(dòng)光學(xué)33/84

用單色平行光垂直照射玻璃劈尖。

由薄膜干涉公式：①②

干涉條紋為平行于劈棱的一系列等厚干涉條紋。二、劈尖干涉有：考慮垂直入射波動(dòng)光學(xué)34/84加強(qiáng)減弱1.劈棱處光程差為劈棱處為暗紋2.第k級暗紋處劈尖厚度由3.相鄰暗紋劈尖厚度差計(jì)入半波損失波動(dòng)光學(xué)35/844.相鄰條紋間距這個(gè)結(jié)論對明紋、暗紋均成立。

劈尖干涉條紋是從棱邊暗紋起，一組明暗相間的等間隔直線條紋。波動(dòng)光學(xué)36/842）.檢測待測平面的平整度

由于同一條紋下的空氣薄膜厚度相同，當(dāng)待測平面有凹凸時(shí)條紋將彎曲。待測平面光學(xué)平板玻璃1）.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5.劈尖干涉的應(yīng)用波動(dòng)光學(xué)37/84例.在Si的平面上形成了一層厚度均勻的SiO2

的薄膜，為了測量薄膜厚度，將它的一部分腐蝕成劈形（示意圖中的AB段）?，F(xiàn)用波長為600.0nm的平行光垂直照射，觀察反射光形成的等厚干涉條紋。在圖中AB段共有8條暗紋，且B處恰好是一條暗紋，求薄膜的厚度。（Si折射率為3.42，SiO2

折射率為1.50）。SiO2膜解：上下表面反射都有半波損失，計(jì)算光程差時(shí)不必考慮附加的半波長，設(shè)膜厚為eB處暗紋波動(dòng)光學(xué)38/84等傾條紋牛頓環(huán)(等厚條紋)測油膜厚度平晶間空氣隙干涉條紋波動(dòng)光學(xué)39/84邁克爾遜干涉儀波動(dòng)光學(xué)40/84半透半反膜補(bǔ)償板G1和G2是兩塊材料相同厚薄均勻、幾何形狀完全相同的玻璃板。邁克耳遜干涉儀的結(jié)構(gòu)及原理一束光在A處分振幅形成的兩束光的光程差，就相當(dāng)于由M1’和M2形成的空氣膜上下兩個(gè)面反射光的光程差。

它們干涉的結(jié)果是薄膜干涉條紋。調(diào)節(jié)M1就有可能得到d=0，d=常數(shù)，d常數(shù)（如劈尖）對應(yīng)的薄膜等傾或等厚干涉條紋。波動(dòng)光學(xué)41/84

當(dāng)M2

M1時(shí)，M2

//M1’

,所觀察到的是等傾干涉條紋，即相同傾角下光程差相同。當(dāng)每平移時(shí)，將看到一個(gè)明（或暗）條紋移過視場中某一固定直線，條紋移動(dòng)的數(shù)目m與M1鏡平移的距離關(guān)系為：當(dāng)、不平行時(shí)，將看到平行于和交線的等間距的直線形等厚干涉條紋。波動(dòng)光學(xué)42/84例：

邁克耳孫干涉儀的應(yīng)用在邁克耳孫干涉儀的兩臂中分別引入10厘米長的玻璃管A、B，其中一個(gè)抽成真空，另一個(gè)在充以一個(gè)大氣壓空氣的過程中觀察到107.2條條紋移動(dòng)，所用波長為546nm。求空氣的折射率？解：設(shè)空氣的折射率為n，則光程差的改變量為：相鄰條紋或說條紋移動(dòng)一條時(shí)，對應(yīng)光程差的變化為一個(gè)波長，當(dāng)觀察到107.2條移過時(shí)，光程差的改變量滿足：邁克耳孫干涉儀的兩臂中便于插放待測樣品，由條紋的變化測量有關(guān)參數(shù)。波動(dòng)光學(xué)43/84單縫衍射波動(dòng)光學(xué)44/84

光在傳播過程中遇到障礙物，光波會(huì)繞過障礙物繼續(xù)傳播。

如果波長與障礙物相當(dāng)，衍射現(xiàn)象最明顯。一、光的衍射、惠更斯—菲涅耳原理波動(dòng)光學(xué)45/84

根據(jù)惠更斯原理，只要知道某一時(shí)刻的波陣面，就可以確定下一時(shí)刻的波陣面?；莞乖?---介質(zhì)中波動(dòng)傳播到的各點(diǎn)，都可看成是發(fā)射子波的新波源，在以后的任何時(shí)刻，這些子波的包絡(luò)面就是新的波陣面。波動(dòng)光學(xué)46/84

波在前進(jìn)過程中引起前方P點(diǎn)的總振動(dòng)，為面S上各面元dS

所產(chǎn)生子波在該點(diǎn)引起分振動(dòng)的疊加。

從同一波面上各點(diǎn)發(fā)出的子波，在傳播到空間某一點(diǎn)時(shí)，各個(gè)子波之間可以互相疊加而產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。

惠更斯—菲涅耳原理波動(dòng)光學(xué)47/842.夫瑯禾費(fèi)單縫衍射----平行光的衍射光源—衍射孔—接收屏距離均為無限遠(yuǎn)。觀察比較方便，但定量計(jì)算復(fù)雜。1.菲涅耳衍射----發(fā)散光的衍射光源—衍射孔—接收屏距離為有限遠(yuǎn)。1.菲涅耳與夫瑯禾費(fèi)衍射二、夫瑯禾費(fèi)單縫衍射波動(dòng)光學(xué)48/84夫瑯禾費(fèi)單縫衍射衍射角（衍射角：向上為正，向下為負(fù).）2.夫瑯禾費(fèi)單縫衍射波動(dòng)光學(xué)49/84

菲涅耳半波帶法縫長波動(dòng)光學(xué)50/84

每個(gè)半波帶上下邊緣發(fā)出的子波在Q點(diǎn)光程差恰好為/2，對應(yīng)的位相差為。

每個(gè)半波帶大小相等，可以認(rèn)為它們各自具同樣數(shù)量發(fā)射子波的點(diǎn)。（個(gè)半波帶）

相鄰兩個(gè)半波帶上對應(yīng)點(diǎn)發(fā)出的子波會(huì)聚到Q點(diǎn)，光程差始終為/2，相互干涉抵消。波動(dòng)光學(xué)51/84干涉相消（暗紋）干涉加強(qiáng)（明紋）（個(gè)半波帶）

個(gè)半波帶

個(gè)半波帶波動(dòng)光學(xué)52/84衍射角Q點(diǎn)坐標(biāo)暗紋明紋波動(dòng)光學(xué)53/84光強(qiáng)分布干涉相消（暗紋）干涉加強(qiáng)（明紋）波動(dòng)光學(xué)54/84（2）單縫衍射的動(dòng)態(tài)變化單縫上移，條紋位置不變.

單縫上下移動(dòng).（1）條紋寬度（相鄰條紋間距）除了中央明紋外的其它明紋、暗紋的寬度暗紋明紋幾何光學(xué)是波動(dòng)光學(xué)在時(shí)的極限情況波動(dòng)光學(xué)55/84例.若有一波長為=600nm

的單色平行光，垂直入射到縫寬a=0.6mm的單縫上，縫后有一焦距

f=40cm透鏡。試求：（1）屏上中央明紋的寬度;（2）若在屏上P點(diǎn)觀察到一明紋，op=1.4mm問

P點(diǎn)處是第幾級明紋，對

P點(diǎn)而言狹縫處波面可分成幾個(gè)半波帶？解：(1)兩個(gè)第一級暗紋中心間的距離即為中央明紋的寬度波動(dòng)光學(xué)56/84波動(dòng)光學(xué)57/84光柵衍射波動(dòng)光學(xué)58/84一光柵許多等寬度、等距離的狹縫排列起來形成的光學(xué)元件.衍射角波動(dòng)光學(xué)59/84衍射光柵(透射光柵)反射光柵(閃耀光柵)從工作原理分光柵制作機(jī)制光柵：在玻璃片上刻劃出一系列平行等距的劃痕,刻過的地方不透光，未刻地方透光。全息光柵：通過全息照相，將激光產(chǎn)生的干涉條紋在干板上曝光，經(jīng)顯影定影制成全息光柵。通常在1cm內(nèi)刻有成千上萬條透光狹縫。波動(dòng)光學(xué)60/84光柵常數(shù)透光縫寬度a不透光縫寬度b光柵常數(shù):光柵常數(shù)與光柵單位長度的刻痕數(shù)N的關(guān)系光柵常數(shù)：衍射角波動(dòng)光學(xué)61/84光柵衍射譜線：

光柵衍射圖樣是由來自每一個(gè)單縫上許多子波以及來自各單縫對應(yīng)的子波彼此相干疊加而形成。因此，它是單縫衍射和多縫干涉的總效果。光柵形成的光譜線尖銳、明亮

若干平行的單縫所分割的波面具有相同的面積。各狹縫上的子波源一一對應(yīng)，且滿足相干條件，會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。

在單縫的情況下振幅為零的地方疊加起來的合振幅仍為零。振幅不為零的地方，其位置沒有變，但振幅變大了，光強(qiáng)變大了。二光柵衍射條紋的形成波動(dòng)光學(xué)62/841

條縫20

條縫3

條縫5

條縫

光柵中狹縫條數(shù)越多，明紋越細(xì)亮.亮紋的光強(qiáng)：單縫光強(qiáng)）（：狹縫數(shù)，波動(dòng)光學(xué)63/84相鄰的子光源在P點(diǎn)引起相同的振動(dòng)位相差為：N個(gè)子光源在P點(diǎn)引起的振動(dòng)便是N個(gè)振幅相等，頻率相同，相鄰位相差的簡諧振動(dòng)的合成。1.干涉相長、相消條件相鄰兩條光線的光程差：波動(dòng)光學(xué)64/84明紋條件為即明紋公式明紋坐標(biāo)波動(dòng)光學(xué)65/84

光強(qiáng)分布明紋波動(dòng)光學(xué)66/84衍射角最高級數(shù)波動(dòng)光學(xué)67/84入射光為白光時(shí)，不同，不同，按波長分開形成光譜.一級光譜二級光譜三級光譜三衍射光譜波動(dòng)光學(xué)68/84例如二級光譜重疊部分光譜范圍二級光譜重疊部分:一級光譜二級光譜三級光譜波動(dòng)光學(xué)69/84

例用白光垂直照射在每厘米有6500條刻痕的平面光柵上，問第三級光譜所能出現(xiàn)的最大波長.解第三級光譜所能出現(xiàn)的最大波長波動(dòng)光學(xué)70/84每個(gè)單縫的衍射光強(qiáng)決定于來自各單縫的光振幅矢量Ai的大小，它隨衍射角而變化。只考慮每個(gè)單縫衍射的效果。屏上的光強(qiáng)為零。整個(gè)光柵衍射時(shí)的光強(qiáng)分布如圖所示。sinI單縫衍射多縫干涉綜合考慮干涉和衍射的效果多縫干涉主極大的光強(qiáng)決定于N·Ai，受Ai大小的制約。波動(dòng)光學(xué)71/84

當(dāng)光柵明紋處恰滿足單縫衍射暗紋條件，該處光強(qiáng)為0，這樣就使本來應(yīng)出現(xiàn)干涉亮線的位置，卻變成了強(qiáng)度為零的暗點(diǎn)了。這種現(xiàn)象稱為缺級現(xiàn)象。缺級現(xiàn)象缺級條件:光柵衍射加強(qiáng)條件：單縫衍射減弱條件:缺級條件:波動(dòng)光學(xué)72/840I單-2-112I048-4-8單縫衍射輪廓線光柵衍射光強(qiáng)曲線譜線中的第–8、–4、4、8級條紋缺級。當(dāng)

時(shí)缺級級次為：波動(dòng)光學(xué)73/84光的偏振性波動(dòng)光學(xué)74/84

波的分類根據(jù)波的形態(tài)，可分為橫波和縱波波動(dòng)光學(xué)75/84機(jī)械波穿過狹縫縱波通過；橫波選擇通過。波動(dòng)光學(xué)76/84

在光學(xué)中，某些物質(zhì)能有選擇的吸收某一個(gè)方向的光振動(dòng)，而只允許某個(gè)特定方向的光振動(dòng)通過，