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第五篇光学,光学绪论 人类对光的认识过程,光学是物理学最早的一个分支，也是最前沿的学科,微粒说,i,几何光学,光的传播定律,光的独立传播定律,光的直线传播定律,光的反射和折射定律,从认识光到几何光学 2000年左右,17世纪研究光的本性,光是从光源中发出的粒子流（弹性小球,按惯性沿直线传播 牛顿）。,波粒二象性,波动说,光是从光源中发出的某种波动。（机械波 惠更斯）,波动说理论本身不能自恰自相矛盾。媒质“以太”,17，18世纪微粒说占统治地位。,19世纪中期麦克斯韦提出了光的电磁波理论，才确立了波动说。,19世纪末20世纪初中期麦克斯韦提出了光的电磁波理论，才确立了波动说。,1光的相干性,相干的3个条件，加强减弱的稳定分布,光干涉现象为明，暗相间条纹的稳定分布,两个独立光源不相干, 原子发光, 间歇的波列,机械波 波源 媒质,光波 光源 “以太”,2研究光干涉的基本实验,1几种实验装置,扬氏双缝实验,第十四章光的干涉,观察屏,菲涅尔双面镜实验,S,菲涅尔双棱镜实验,S,洛埃镜实验,S,2 干涉条纹的分布,2aD xD,D,2a,p (x),o,2D,（明纹中心位置）,3 半波损失,xD 2a,暗,S,条件：从光蔬媒质光密媒质,(1) 位相改变 ,（2）形成波节,（3）从波蔬媒质到波密媒质的反射,P,不同，间隔不同,红x，紫x ,红,紫,白光（0级明纹，白的）,紫,红,（一级明纹，彩带）,（一级明纹，彩带),同一D, 2a ，,S,P,D=1m=1000mm,求,(2) =600nm,例题,解,已知 2a=0.2mm,x=?,(2),3薄膜的干涉,1 薄膜干涉的一般公式，光程,1,2 两束光的波程差,=（2k+1)/2 黑暗的,=2k 明,=(2k+1) 暗,光线2：ABC,光线1：,(半波损失),= k 明亮的,真空：,不变,不同,明,暗,k=0,1,2,明,暗,折射率 n 几何距离=光程,第二条光线的光程,第一条光线的光程,光程：把光在媒质中走的距离折合到真空中，,例如：在媒质中走的距离为 r,相当于在真空中走 nr,明,暗,k=0,1,2,薄膜干涉的一般公式,例题：空气中放一水平肥皂膜，以知：n = 1.33,解：i = 0,干涉 加强,时干涉加强,（1）e. i 一定,（2）, e 一定, 等倾干涉条纹,（3） , i 一定， 等厚干涉条纹,0.7m.问在反射光中观察，肥皂膜显现什麽颜色？,e = 0.32 m.用白光垂直照射，波长 从0.4-,k = 0 0 , k 0 0 无物理意义,k = 1,红外，无,绿色,紫外，无,k = 2,k = 3,2 等厚（干涉）条纹及其应用,条件：，i 一定，e不同,劈尖形薄膜,明,暗,夸大,L,k,k+1,e,e,Lsin=L = e,L可测，如果已知 ,如果已知 , 测波长,测小角,条纹左移,条纹右移,条纹移动一条，厚度改变,条纹移动 N 条，厚度改变,应用的例子,（1）干涉膨胀仪,光学玻璃，平整度小于,（2）测厚,H,条纹间隔 m,S,测光学平面的平整度,凹陷,凸起,（4）牛顿环,R,R-e,r,e,Re,0,明纹,暗纹,明环半径,暗环半径,注意, 半波损失, /n, 垂直入射,应用：,如 已知 R ,如 已知 R,光路中引入透镜不改变光程差,迈克耳逊干涉仪,（可移动）,观察系统,1,2,S,不垂直,等厚干涉,如,严格垂直,等倾干涉,移走的条纹数 N，,移动的距离 d,知 d,知 d ,潜望镜20个透镜，所剩能量（光强）,玻璃,空气,（氟化镁）,玻璃,与型号有关,h,膜的上，下表面都有半波损失,4 增透膜,普通相机 6个透镜，12个玻璃表面,所剩能量（光强）,反射5% ，透过95%。,平面单色光垂直入射，黄绿光 =0。552（m）,恰好,（m）,第五章 光的衍射,1 光的衍射现象，惠更斯菲涅耳原理,S,圆盘,影子,S,小孔,S,屏很小,中心为亮点,中心可亮可暗,S,小孔,入射波方向,P,dS,C,y=,dS,n,积分法,振幅矢量法,菲涅耳半波带法 *,衍射的两大分类,光源，屏幕 距衍射屏有限远,光源，屏幕 距衍射屏无限远,S,P,衍射屏,菲涅耳衍射（近场衍射）,衍射,菲涅耳,S,P,衍射,夫琅和费衍射（远场衍射）,单缝衍射,2,S,P,S,O,p,A,B,C,a,A,B,C,半波带,A,B,AC= a sin ,狭缝宽 a = AB,光强极小 暗纹中心,光强极大 明纹中心,不包括明纹中心,暗纹中心,明纹中心,中央明纹,中央明纹中心,=0,中央明纹,一级明纹,二级明纹,三级明纹,一级暗纹,二级暗纹,三级暗纹,位置,I,O,(sin),半角宽度,例题，已知 =500nm 平行单色光垂直入射,a=0.25mm f=25cm,求:(1)两第三级明纹之间的距离,（2）第三级明条纹的宽度,解：,f,o,（1）第三级明条纹满足,条纹距离,（2）第三级明纹的宽度,第四级暗纹,第三级暗纹,第三级明纹宽度,3 光学仪器(成像系统)的分辨本领,L,能分辨,恰好分辨,不能分辨,=第三级暗纹和第四级暗纹之间的距离,瑞利判据,L,分辨率,越好,R,D,1 现象和定性解释,4 光栅衍射,a-通光的缝宽,O,p,b-不通光部分的宽度,d = a + b,光栅常数,总的刻线数,N,p,单缝衍射,多光束干涉,光栅衍射,I,位置,I,位置,2 光栅方程,单色光垂直入射,d sin =k k=0,1,2,3,p,d, = d sin ,例题 已知：每毫米刻500个缝，单色光垂直入射,=590nm,求：最多能看到几级明条纹。,解：,0 级明纹,1 级明纹,2 级明纹,（a+b）sin=k,最高级由,决定,3 光栅的缺级问题,某一衍射角 ,既满足,又满足,(a+b)sin=k,p,亮,暗,光栅的第 k 级明纹消失,缺级,如,如,缺 2 的倍数级,缺 3 的倍数级,4 应 用,（1）测光波长 ,装置：分光仪,平行光管,圆盘,望远镜, 可测，数出 k,如已知 （a+b）,如已知,(a+b),(2)光谱分析,(a+b) 固定,红光,紫光,白光,0,1,2,3,4,0,1,2,3,4,0,1,2,3,4,入射光线衍射光线在法线同侧,入射光线衍射光线在法线两侧,5 光栅光谱,-+d,- +d ,角色散度 D,同一级次,谱线的半角宽度,恰好分辨,(a+b) sin = k ,(a+b)cos d = k d ,(a+b),k,D,能分辨,恰好分辨,不能分辨,根据瑞利判据,d = 谱线的半角宽度 ,分辨本领,k,N,R,5 X射线的衍射,-,+,A,k,（理论是可算出）,衍射,A,B,C,A,B,d,d,1,2,1,2,C,AD - CB = 0,D,2 d sin = k ,K=1,2,3,相干加强,应用：,X 射线,晶体,检测器,铅板,X 射线分光仪,如 已知 -d 结构分析,d- 光谱分析,第十六章 光的偏振,1 自然光与偏振光,1 自然光与偏振光,E 矢量,光矢量,E 的振动,光振动,E 的振动方向,光的振动方向,偏振光,线偏振光,完全偏振光,传播方向,偏振状态,u,E,H,自然光,部分偏振光,2 起偏和检偏 偏振片,偏振片,偏振化方向,最亮,最暗,半明半暗,马吕斯定律,I,=0,I=0,最亮,最暗,半明半暗,振幅,2 反射和折射时光的偏振,空气,玻璃,布儒斯特 起偏角,推论:反射线与折射线垂直,证明：,入射角,反射角,布儒斯特定律,由布儒斯特定律,折射定律, 反射线与折射线垂直,证毕,空气,玻璃,玻璃片堆,玻璃片堆,线偏振光,自然光,起偏器,应用：,布儒斯特窗,3 双折射,1 双折射现象，寻常光，非寻常光,A,B,C,D,A,B,C,D,e,o,方解石晶体,各向异性,一条遵守折射定律,寻常光，,o 光,一条遵守不折射定律,非寻常光,e光,都是线偏振光,光轴-一个方向,单轴晶体 （方解石,石英）,双轴晶体 （云母,硫磺）,法线（光线入射的界面 ）,光线,光轴,主截面:,光轴 （晶体的主截面）,主平面:,（光线的主平面）,o 光的振动方向垂直于自己的主平面;,e 光的振动方向平行于自己的主平面.,特殊情况:三个平面重合,(入射光线在主截面内,光轴在入射面内,入射面与主截面一致.),2 惠更斯作图法,o 球面,e 旋转椭球面,不垂直,正晶体 球面包围椭球面,负晶体 椭球面包围球面,正晶体 石英,负晶体 方解石,B,空气,方解石,o,e,C,空气,方解石,o,e,o,e,空气,方解石,o,e,3 格兰-汤姆逊棱镜,o,e,玻璃 n= 1.655,4 椭圆偏振光和圆偏振光 波片,C 晶体光轴,椭圆偏振光,圆偏振光,线偏振光,偏振方向转2角,波片,e光跑在前,o光跑在前,线偏振光,椭圆偏振光,问题:来一束光,偏振状态有五种可能:自然光,答：,线偏振光,部分偏振光,椭圆偏振光和圆偏振光,设计实验来检查区别这五种偏振状态的光.,用偏振片对着光转一周,有三种可能的情况：,亮度不变,可能,圆偏振光,自然光,二次全亮,二次全暗,椭圆偏振光,线偏振光,二次半亮,二次半暗,部分偏振光,再用,圆偏振光,椭圆偏振光,线偏振光,无论如何也不可能变成线偏振光,自然光和部分偏振光透过,5 偏振光的干涉,产生干涉,单色自然光,单色自然光,亮,暗,亮,暗,亮,暗,亮,暗,讨论结果,（1）厚度满足加强时，视场亮；,厚度满足减弱时，视场暗。,没有干涉条纹,（2）厚度不同（晶片劈尖形）可看到干涉条纹，,（3）波长不同，厚度满足加强的厚度不同。,问题：,自然光通过晶片（1/4波片）,o光 e光,线偏振光通过晶片（1/4波片）,o光 e光,相干光强,为两偏振片偏振化方向的夹角,为晶片光轴与第一个偏振片偏振化方向的夹角,为在第二个偏振片后方两相干偏振光之间的位相差,END,6 偏振光的应用（旋光效应 人为各向异性）,
