§14.波動(dòng)光學(xué)課件

1、第十四章 波動(dòng)光學(xué),(北極光),前言,光 學(xué),幾何 光學(xué),(以光的直線傳播為基礎(chǔ)：光的獨(dú)立傳播定律、 光的反射和折射定律),物理 光學(xué),波動(dòng) 光學(xué),量子 光學(xué),實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)：光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象,理論基礎(chǔ)：麥克斯韋電磁場(chǎng)理論,模 型：電磁波,涉及范圍：光的傳播及其規(guī)律,實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)：光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng),理論基礎(chǔ)：量子論,模 型：光量子,涉及范圍：光和物質(zhì)的相互作用,14.1 光源 光的相干性,光波是一種電磁波(可見(jiàn)光是波長(zhǎng)在 的電磁波),光矢量；,的振動(dòng)叫做光振動(dòng)；,光強(qiáng) ：,光源的最基本發(fā)光單元是分子、原子。,能級(jí)躍遷輻射,光束一般由一段段的有限 長(zhǎng)的彼此獨(dú)立的波列組成,(橫波),14.1 光

2、源 光的相干性,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),波列之間：相互獨(dú)立、隨機(jī)、間歇 非相干,激光光源 受激輻射,完全一樣 (振動(dòng)方向、頻率、相位、傳播方向),相干光源,14.1 光源 光的相干性,分波陣面法,分振動(dòng)面法,分振幅法,楊氏干涉,薄膜干涉,偏振光干涉,分波陣面法,14.1 光源 光的相干性,則 點(diǎn)的合振動(dòng)：,相干條件：頻率相同、振動(dòng)方向相同、相位差恒定,若,干涉相長(zhǎng)(加強(qiáng)、明紋),干涉相消(減弱、暗紋),設(shè)兩列頻率相同、振動(dòng)方向相同的光波在 點(diǎn)相遇,(干涉項(xiàng)),光從 到,傳播速度,波長(zhǎng),相位差,光在介質(zhì)中傳播時(shí)，其相位的變化，不但與傳播的幾何路徑有

3、關(guān)，而且還 與介質(zhì)的折射率有關(guān)。,(為了便于計(jì)算),在相位改變相同的條件下，將光在介質(zhì)中所走的路程，折算 為在真空中的路程。,介質(zhì)中,真空中,14.2 光程 光程差,光程：在相同時(shí)間內(nèi) 光在真空中所通過(guò)的路程。,光程差：光程之差。,干涉加強(qiáng)：,干涉減弱：,14.2 光程 光程差,兩列光波相干疊加時(shí)：,若：,14.3 楊氏雙縫實(shí)驗(yàn),點(diǎn)的光強(qiáng)取決于,取決于,如果一個(gè)三角形的兩邊與另一個(gè)角的兩 邊互相垂直,那么這兩個(gè)角相等(或互補(bǔ)),14.3 楊氏雙縫實(shí)驗(yàn),明紋,暗紋,明紋,暗紋,(等間距分布),時(shí)，中央明紋( 級(jí)明紋),14.3 楊氏雙縫實(shí)驗(yàn), 說(shuō)明,當(dāng) 相同時(shí)， 增大， 增大,白光是一種自然光，

4、由紅橙黃綠藍(lán)靛紫即七色光組成。 年，牛頓用三棱 鏡研究日光，得出結(jié)論：白光是由不同顏色(即不同波長(zhǎng))的光混合而成的， 對(duì)光學(xué)研究有著重大意義。,中央明紋位置不變，各級(jí)明、暗紋間距減小。,14.3 楊氏雙縫實(shí)驗(yàn),條紋間距不變， 級(jí)明紋下移。,明紋：,如果 點(diǎn)是明紋，是幾級(jí)明紋？,14.3 楊氏雙縫實(shí)驗(yàn),初相不同了，光程差起點(diǎn)應(yīng)選在,明紋：,條紋間距不變， 級(jí)明紋下移。,如果 點(diǎn)是明紋，是幾級(jí)明紋？,14.3 楊氏雙縫實(shí)驗(yàn),與楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)結(jié)果類似，在圖中重合區(qū)域有明暗相間的 明暗條紋。,習(xí)題,傳播的路程相等，走過(guò)的光程相等。,傳播的路程相等，走過(guò)的光程不相等。,傳播的路程不相等，走過(guò)的光程相等。,

5、傳播的路程不相等，走過(guò)的光程不相等。, ,習(xí)題,或,解：,說(shuō)明：,半波損失 和 是一樣的；,厚度 可變，某一厚度可形成明(暗)紋,形成明紋 最小厚度：,能量守恒。形成暗紋(沒(méi)有能量)，能量去哪里了？,(高級(jí)眼鏡鏡片鍍膜：盡量濾掉紫外光；盡量讓可見(jiàn)光入射到眼睛),如果薄膜厚度一定，調(diào)節(jié)波長(zhǎng) ，經(jīng)過(guò)兩次反射相干疊加形成明紋。,(肥皂泡彩色條紋),(例14-12),習(xí)題, ,入射光,反射光,反射光,析：,習(xí)題,干涉條紋的間距變寬。,干涉條紋的間距變窄。,干涉條紋的間距不變，但原極小處的強(qiáng)度不再為零。,不再發(fā)生干涉現(xiàn)象。, ,析：,習(xí)題,習(xí)題,習(xí)題,兩縫的距離；,從任一明紋(記作 )向一邊數(shù)到 條明紋

6、，共經(jīng)過(guò)多少 距離？,如果使光波斜射到鋼片上，條紋間距將如何改變？,習(xí)題,零級(jí)明紋到屏幕中央 點(diǎn)的距離；,相鄰明紋的距離。,14.4 薄膜干涉,劈尖干涉,單色平行光 垂直入射玻璃,劈尖角 ：很小,以空氣為例,干涉條件：,劈尖：由兩個(gè)平板間的夾層形成。,玻璃,棱邊,14.4 薄膜干涉,條紋情況：,相鄰明(暗)紋對(duì)應(yīng)的間距：,不變時(shí)，條紋是等間距的， 增大，條紋間距減??；,( ，半波損失)；,14.4 薄膜干涉,14.4 薄膜干涉,牛頓環(huán), 說(shuō)明,習(xí)題, ,凸起，且高度為,凸起，且高度為,凹陷，且高度為,凹陷，且高度為,習(xí)題,向棱邊方向平移，條紋間隔變小。,向棱邊方向平移，條紋間隔變大。,向棱邊方

7、向平移，條紋間隔不變。,向遠(yuǎn)離棱邊方向平移，條紋間隔變小。, ,習(xí)題,錯(cuò)誤！,習(xí)題,習(xí)題,解：,棱邊處是零級(jí)暗紋(第一條暗紋)， 處對(duì)應(yīng)著四條暗紋， 即三級(jí)暗紋，此時(shí) 處的厚度：,時(shí)：,由劈尖明暗條紋滿足的條件知：,明紋,暗紋,明紋,棱邊是暗紋， 處是三級(jí)明紋，所以共三條明紋。,習(xí)題,習(xí)題,習(xí)題,14.6 光的衍射現(xiàn)象 惠更斯-菲涅耳原理,光的衍射現(xiàn)象,縫較大時(shí)，光是沿直線傳播的,縫較小時(shí)，衍射現(xiàn)象明顯,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,惠更斯-菲涅耳原理,從波陣面上各點(diǎn)發(fā)出的子波都是相干波源， 它們發(fā)出的 波在空間某點(diǎn)的相干疊加，就決定了該點(diǎn)波的強(qiáng)度。,14.6 光的衍射現(xiàn)

8、象 惠更斯-菲涅耳原理,衍射的分類,(遠(yuǎn)場(chǎng)衍射),夫瑯禾費(fèi)衍射,(近場(chǎng)衍射),菲涅耳衍射,無(wú)限遠(yuǎn)光源,無(wú)限遠(yuǎn)相遇,( 菲涅耳衍射 ),( 夫瑯禾費(fèi)衍射 ),光源 ，觀察屏 (或 二者之一) 到衍射屏 的距離為有限的衍射， 如圖所示。,光源 、觀察屏 到衍 射屏 的距離均為無(wú)限 的衍射，如圖所示。,14.7 單縫和圓孔的夫瑯禾費(fèi)衍射,*,的最大光程差,( 為縫 的寬度 ),將衍射光分成一組一組的平行光，每一組光的衍射角不同。,14.7 單縫和圓孔的夫瑯禾費(fèi)衍射,|2,|2,|2,|2,將波面 分成整數(shù)個(gè)半波帶，各半波 帶面積相等；,各半波帶上最邊緣兩點(diǎn)發(fā)出的子波的光 程差為 ；,相鄰兩個(gè)半波帶上

9、任意兩個(gè)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)發(fā) 出的子波的光程差為 ；,在觀察屏上是干涉相消。,分半波帶有三種情況：,奇數(shù)個(gè)半波帶,偶數(shù)個(gè)半波帶,不能分成整數(shù)個(gè)半波帶,例：,三個(gè)半波帶,點(diǎn)是亮紋,四個(gè)半波帶,點(diǎn)是暗紋,14.7 單縫和圓孔的夫瑯禾費(fèi)衍射, 結(jié)論,將波面分成偶數(shù)個(gè)半波帶，觀察屏上出現(xiàn)暗紋；,將波面分成奇數(shù)個(gè)半波帶，觀察屏上出現(xiàn)明紋；,波面不能分成整數(shù)個(gè)半波帶，觀察屏上出現(xiàn)介于明暗之間的 條紋；,暗紋,明暗紋條件：,中央明紋,明紋,明暗紋位置 ：(明暗條紋距中央零級(jí)明紋的中心的位置 ),設(shè)中央零級(jí)明紋的中心為原點(diǎn)處,(當(dāng) 比較小時(shí)),14.7 單縫和圓孔的夫瑯禾費(fèi)衍射,級(jí)暗紋位置：,級(jí)明紋位置：,明紋的寬度

10、：(兩條暗紋中間的寬度),中央明紋：,其他明紋：,中央明紋位置：,中央明紋的角寬度 ：,半角寬度：,角寬度：,14.7 單縫和圓孔的夫瑯禾費(fèi)衍射, 討論,縫越窄(寬)，衍射越(不)明顯；,產(chǎn)生明顯衍射現(xiàn)象的條件： 或 ；,時(shí)，各級(jí)明紋向中央靠攏，密的無(wú)法辨認(rèn)，只看到 一條明紋，衍射現(xiàn)象可忽略，顯示出直線傳播的性質(zhì)；,白光照射時(shí)：( 明紋)中央明紋為白色，其兩側(cè)顯示出一系列從紫到紅的彩色條紋；,(明紋),14.7 單縫和圓孔的夫瑯禾費(fèi)衍射,艾里斑(第一暗環(huán)的衍射角)的半角寬 ：,(它標(biāo)志著衍射的程度),艾里斑的半徑：,14.7 單縫和圓孔的夫瑯禾費(fèi)衍射,點(diǎn)光源經(jīng)過(guò)光學(xué)儀器的小圓孔后，由于衍射的影

11、響，所成 的像不是一個(gè)點(diǎn)而是一組明暗相間的圓形光斑。,能 分 辨,恰 能 分 辨,不 能 分 辨,的峰值光強(qiáng),14.7 單縫和圓孔的夫瑯禾費(fèi)衍射,瑞利判據(jù),對(duì)于兩個(gè)強(qiáng)度相等的不相干的點(diǎn)光源，一個(gè)點(diǎn)光源的衍射圖樣的艾里斑中心正好和另一個(gè)點(diǎn)光源衍射圖樣的第一級(jí)暗環(huán)相重合，則說(shuō)明這兩個(gè)點(diǎn)光源恰好為這光學(xué)儀器的分辨率。,恰 能 分 辨,在恰能分辨時(shí)，兩個(gè)點(diǎn)光源在透鏡前所張的角度，稱為最小分 辨角( )。,光學(xué)儀器分辨率：,習(xí)題,對(duì)應(yīng)的衍射角變大。,光強(qiáng)也不變。,析：,析：,習(xí)題,析：,析：,習(xí)題,習(xí)題,析：,析：,14.8 衍射光柵, 復(fù)習(xí),上、下平移入射到凸透鏡的光線，平移后匯聚點(diǎn)位置不變；,主光軸

12、,焦 平 面,楊氏雙縫干涉,觀察屏上出現(xiàn)明暗相間的條紋,明紋,暗紋,明紋位置：,中央明紋：,相鄰明紋間距：,14.8 衍射光柵,單縫夫瑯禾費(fèi)衍射,觀察屏上出現(xiàn)明暗相間的條紋,暗紋,明紋,中央明紋：,這種裝置(加一個(gè)凸透鏡)的好處：,上下平移雙縫明暗條紋的位置不變。,( ：成千上萬(wàn)條),14.8 衍射光柵,由大量等間距、等寬度的平行狹縫組成的光學(xué)元件。,用于透射光衍射的叫透射光柵,用于反射光衍射的叫反射光柵,光柵常數(shù)：,數(shù)量級(jí)為：,條紋特點(diǎn)：亮、細(xì)、疏,14.8 衍射光柵,明紋條件,每個(gè)縫都會(huì)衍射 縫縫之間還有干涉,(光柵方程),狹縫越多，條紋就越明亮；多縫干涉明條紋也稱為 主極大條紋。, 說(shuō)明

13、,不能一直取下去，應(yīng)有最大值( )；,取,多縫干涉,單縫衍射,14.8 衍射光柵,在相鄰主極大明條紋之間有 個(gè)暗條紋；有 個(gè)次級(jí)大，強(qiáng)度很小， 幾乎觀察不到(證明略),光柵衍射圖樣是多縫干涉光強(qiáng)分布受 單縫衍射光強(qiáng)分布調(diào)制的結(jié)果,缺級(jí)時(shí)同時(shí)滿足：,則有：,所缺的級(jí)數(shù) 為：,14.8 衍射光柵,明紋位置：,當(dāng) 很小時(shí)：, 小結(jié),光柵方程：,缺級(jí)現(xiàn)象：,例如：,光柵方程只是主極 大明紋的必要條件,習(xí)題,析：,析：,習(xí)題,習(xí)題,習(xí)題,習(xí)題,上述 ；,光柵常數(shù) ；,習(xí)題,習(xí)題,習(xí)題,由光柵方程得：,兩譜線重合時(shí)：,此時(shí)：,由 可知，紅光的第 級(jí)和第 級(jí)與藍(lán)光重合，且紅光一共 可以看到 級(jí)，所以只有紅譜

14、線出現(xiàn)的級(jí)數(shù)為 級(jí)：,則紅光的第 級(jí)與藍(lán)光的第 級(jí)還會(huì)重合。,習(xí)題,習(xí)題,14.10 自然光和偏振光,干涉、衍射是波的特征，橫波與縱波的區(qū)別在于偏振性，橫波具有偏振性，而縱波沒(méi)有。,機(jī)械橫波與縱波的區(qū)別偏振性,光矢量 的振動(dòng)方向與光的傳播方向垂直，在垂直于光傳 播方向的平面內(nèi)， 的振動(dòng)狀態(tài)可能有很多種，不同的振動(dòng)狀 態(tài)對(duì)應(yīng)不同的光偏振狀態(tài)。,14.10 自然光和偏振光,自然光可分解成兩個(gè)相互獨(dú)立、等振幅且振動(dòng)方向相互垂直的光振動(dòng)。,沒(méi)有一個(gè)方向的光振動(dòng)占優(yōu)勢(shì),由于普通光源中單個(gè)原子發(fā)光的獨(dú)立性、隨機(jī)性和間歇 性，大量原子發(fā)出的光，沒(méi)有一個(gè)方向的光振動(dòng)占有優(yōu)勢(shì)， 各個(gè)方向的光矢量 的振幅相同。,

15、14.10 自然光和偏振光,部分偏振光的分解,部分偏振光,部分偏振光可用兩個(gè)相互獨(dú)立、沒(méi)有固定相位關(guān)系、不等振幅且振動(dòng)方向相互垂直的線偏振光表示。,面對(duì)光的傳播方向觀察,(光振動(dòng)平行屏幕面),(光振動(dòng)垂直屏幕面),14.11 偏振片的起偏和驗(yàn)偏 馬呂斯定律,(馬呂斯定律),起偏器,檢偏器,偏振化方向,偏振化方向,自然光,線偏振光,線偏振光,當(dāng),當(dāng),；, 消光,習(xí)題, ,解：,解：,習(xí)題, ,14.12 反射和折射時(shí)光的偏振,反射光：部分偏振光，垂直于入射面的振動(dòng)大于平行于入射面的振動(dòng)。,折射光：部分偏振光，平行于入射面的振動(dòng)大于垂直于入射面的振動(dòng)。,線偏振光,14.12 反射和折射時(shí)光的偏振,：布儒斯特角或起偏角,此時(shí)：,(布儒斯特定律), 說(shuō)明,一束光以布儒斯特角入射時(shí)，反射光和折射光一定相互垂直；,一束光以布儒斯特角入射時(shí)，反射光是線偏振光，但強(qiáng)度很 弱，如何加