第11章 波动光学课件.ppt

,教学基本要求理解相干光的条件及获得相干光的方法.2.掌握双缝干涉的有关计算,掌握光程的概念以及光程差和相位差的关系，理解在什么情况下的反射光有相位跃变.能理解薄膜干涉的原理.3.了解惠更斯菲涅耳原理及它对光的衍射现象的定性解释.4.理解用波带法来分析单缝的夫琅禾费衍射条纹分布规律的方法，会分析缝宽及波长对衍射条纹分布的影响.5.了解圆孔衍射及其对光学仪器分辨率的影响.6.理解光栅衍射公式,会确定光栅衍射谱线的位置.7、理解自然光与偏振光的区别，掌握布儒斯特定律和马吕斯定律.,第11章 波动光学,作业：1,2,4,6,14,16,17,20,21,11.0 概述,光给人以视觉，人类主要是通过光从物质世界获得信息，进而认识物质世界的。人类对光现象、光的传播规律、光的本性及光与物质的相互作用的研究已有三千多年的历史，已经形成了完整的学科，成为物理学中一个重要部分。光学分为几何光学、波动光学和量子光学三部分.几何光学以光的直线传播为基础，研究光的反射、折射传播规律及成像问题，是设计光学仪器的主要依据；波动光学主要研究光的干涉、衍射和偏振等光的波动性质和规律，以及在生产实际中的应用；量子光学则是以量子理论为基础，将光作为一种能量子，从微观过程研究光与物质相互作用的规律.,光本质的认识过程,1.微粒说与波动说之争,牛 顿,惠更斯,1850年5月6日，Foucault的实验证明,2.过程,波动光学中，认为光是一种电磁波，是电场和磁场在空间的传播。由于引起人眼视觉和底片感光上起主要作用的是电场矢量，所以用 矢量表示光矢量.,11.1 的相干光,11.1.1 光的波动学说,光的强度 取适当系数时,11.1.2 普通光源发光的微观机制,1.光源(1)波的干涉现象-两列波在同一媒质中传播时，有些地方的振动始终得到加强，有些地方的振动始终得到减弱.干涉现象是波动过程的基本特征之一，光波的干涉现象应该是两束光波照在同一空间时，有些地方的光强变得更强，有些地方的光强变得很弱，形成明暗相间的条纹.在日常生活中容易观察到机械波的干涉现象：如将两个频率相同的音叉同时振动，就可以听到有些地方的声音始终很强，有些地方的声音始终很弱；又如，在一块平板上安放两个钉子，当钉子以一定的频率撞击平静的水面时，就可以看到水波在有些地波浪始终很高，有些地方波浪始终很低。,但对于光波，却不太容易观察到干涉现象.如在房间里同时点亮两个完全相同的灯泡，在它们发出的光能照到的区域，绝不会观察到有些地方光强加强变得特亮，而有些地方变得比只点亮一个灯泡时更暗。即使用两个频率相同的单色光源(如钠光灯)，情况也是如此。(2)相干光(波)源-两个光源的E矢量振动方向相同、频率相同、相位相同或相位差恒定，则称它们是相干光源。它们发出的光就是相干光。-振动方向相同、频率相同、相位相同或相位差恒定，称为相干光源条件。以上例子说明，机械波源可以连续地振动，发出连续不断的正弦波，容易满足相干条件。而两个独立的光源，即使频率相同也不满足相干光源条件。,普通光源发光特点：原子发光是断续的，每次发光形成一长度有限的波列,各原子各次发光相互独立，各波列互不相干。,(3)普通光源的发光的微观机制,11.1.3 光波的叠加及其相干性,1.合成波波动表达式,2.光强和平均光强的分布规律,相干迭加和相干条件,1.非相干迭加,2.相干迭加,3.相干条件,两光波在相遇点的光程差不能太大。,两光波在相遇点所产生的,(2)补充条件：,(1)必要条件：频率相同的两光波在相遇点有相同的振向和恒定的位相差。,光振动的振幅相差不太大。,11.1.4 获得相干光的方法,1.实 验 装 置,11.2 杨氏双缝干涉 劳埃德镜,11.2.1 杨氏双缝干涉,2.实验装置截面图及干涉图样,两束光到达A点的波程差为,A,B,3.条纹位置,减弱,加强,明纹,暗纹,以O点为轴，明暗条纹上下对称分布。相邻两条明(暗)条纹的间距为,一般的，d在mm数量级，D在m数量级。,例1 在杨氏实验中，两缝相距0.3mm，要使波长为600nm的光通过后在屏上产生间距为1mm的干涉条纹，问屏距缝应有多远？,解：,所以，屏到缝的距离为,解（1）,（2）,4.对 的讨论,2）条纹间距 与 的关系如何？,一定时，,5.双缝干涉光强分布,若,其中,波长不同条纹间距不同,11.2.2 劳埃德镜,半波损失：光从光速较大的介质射向光速较小的介质时反射光的相位较之入射光的相位跃变了，相当于反射光与入射光之间附加了半个波长的波程差，称为半波损失.,(a),(b),11.3.1 光程,光在真空中的速度,光在介质中的速度,介质中的波长,11.3 光程 薄膜干涉,光在真空中传播 几何路程，其相位变化为,介质中的波长,光在介质中传播 几何路程，其相位变化为,这就是说：光在介质(n)中通过 的几何路程 产生的相位变化与光在真空中通过的 几何路程产生的相位变化相等.,物理意义：光程就是光在介质中通过的几何路程,按波数相等折合到真空中的路程.,光程:介质折射率与光的几何路程之积=,到点P的光程为 到点P的光程为,1.光程,不同的介质，则,若光通过,800nm,1000nm,1200nm,2.光程差(两光程之差),光程差,3.相位差,例3 如图21-10所示，当用一厚度为、折射率为 的云母片覆盖在杨氏双缝干涉实验中的一条缝上时，屏上的零级明条纹移到了原来的（未覆盖云母片时）第7级明条纹所在处，求入射光的波长.,解：设入射光的波长为，未覆盖云母片时第7级明条纹在屏上 点，则两缝到 点的光程差为 覆盖云母片后，两缝到 点的光程差为即,由、两式有代入数据得,11.3.2 薄透镜不产生附加光程差,薄透镜 光心 主光轴,主焦点 焦平面,透镜可改变光线传播方向,在光路中放入薄透镜不会,引起附加光程差,各反射光线与入射光线的相对光强,相干性分析,11.3.3 薄膜干涉,P,L,光程差的计算,透射光的光程差,注意：透射光和反射光干涉具有互 补 性，符合能量守恒定律.,根据具体情况而定,反射光的光程差,(a),(b),透镜,观察屏,半透半反射镜,薄膜,等倾干涉,等倾干涉条纹的实验装置,条纹特点,形状：,同心圆环,条纹间隔分布：,内疏外密,条纹级次分布：,d一定时，,膜厚变化时，条纹的移动：,波长对条纹的影响：,k一定时，,k，d一定时，,中央级次高，边缘级次低,条纹由中央冒出,当平行光线垂直入射时,当 时,11.3.4 等厚干涉,很小,当 时,当 时,解(1),绿色,(2)透射光的光程差,红光,紫光,1.增透膜和增反膜,利用薄膜干涉可以提高光学器件的透光率.,取,（增强）,氟化镁为增透膜,则,2.劈尖,明纹,暗纹,k与d有一一对应关系,明纹,暗纹,3）条纹间距（明纹或暗纹）,2）相邻明纹（暗纹）间的厚度差,4）干涉条纹的移动,每一条纹对应劈尖内的一个厚度，当此厚度位置改变时，对应的条纹随之移动.,解,劈尖干涉的应用,3）检验光学元件表面的平整度,4）测细丝的直径,3.牛顿环,(1)干涉条件同劈尖,=1,(2)牛顿环实验装置和干涉图样,显微镜,S,L,M半透半反镜,T,光程差,暗纹,(3)明(暗)环半径,4）应用例子:可以用来测量光波波长，用于检测透镜质量，曲率半径等.,1）从反射光中观测，中心点是暗点还是亮点？从透射光中观测，中心点是暗点还是亮点？,2）属于等厚干涉，条纹间距不等，为什么？,3）将牛顿环置于 的液体中，条纹如何变？,测量透镜的曲率半径,例6 用氦氖激光器发出的波长为633nm的单色光做牛顿环实验，测得第个 k 暗环的半径为5.63mm,第 k+5 暗环的半径为7.96mm，求平凸透镜的曲率半径R.,解,1.干涉仪的装置,11.5 迈克尔孙干涉仪,迈克耳孙干涉仪实物,迈克耳孙干涉仪实验装置,单色光源,反射镜,反射镜,反射镜,反射镜,单色光源,光程差,此时为等倾干涉,2.原理,反射镜,反射镜,单色光源,移动 时条纹移动,3.迈克尔孙干涉仪的主要特性,两相干光束在空间完全分开，并可用移动反射镜或在光路中加入介质片的方法改变两光束的光程差.,移动反射镜,插入介质片后光程差,光程差变化,介质片厚度,光程差,干涉条纹的移动,当 与 之间距离变大时，圆形干涉条纹从中心一个个长出,并向外扩张,干涉条纹变密;距离变小时，圆形干涉条纹一个个向中心缩进,干涉条纹变稀.,长的玻璃管，其中一个抽成真空，另一个则储有压强为 的空气,用以测量空气的折射率.设所用光波波长为546nm，实验时，向真空玻璃管中逐渐充入空气，直至压强达到 为止.在此过程中，观察到107.2条干涉条纹的移动，试求空气的折射率.,例7 在迈克耳孙干涉仪的两臂中，分别插入,解,