波动光学医学.ppt

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1、波动光学,【掌握】单缝衍射、光栅衍射、和X射线衍射现象产生的条件和计算方法，马吕斯定律【了解】了解光的偏振和物质的旋光现象,第二节 光的衍射 一、光的衍射现象、惠更斯-菲涅耳原理,（一）光的衍射现象 波在传播过程中遇到障碍物时，能够绕过障碍物的边缘前进，这种偏离直线传播的现象称为波的衍射现象。,光绕过障碍物而偏离直线传播，并且出现光强度分布不均匀的现象称为光的衍射。光的单缝衍射现象所观察到的亮暗相间的条纹称为衍射图样。,（二）菲涅耳-惠更斯原理惠更斯原理:在波的传播过程中,波阵面(波前)上的每一点都可看作是发射子波的波源,在其后的任一时刻,这些子波的包迹就成为新的波阵面。,在波的传播过程中,从

2、同一波阵面上的各点发出的子波，经传播在空间某点相遇时，这些次级子波要相干叠加，这一点的振动即是相干叠加的结果。这个发展了的惠更斯原理称为惠更斯-菲涅耳原理。,菲涅耳衍射,夫琅和费衍射,中央亮条纹,衍射角,波阵面AB分割成小的波阵面称为波带。2个半波带，P点暗纹。,3个半波带，P点亮纹，亮度比中央亮条纹弱。,4个半波带，P点暗纹。,对于某些方向，波阵面AB不能分成整数个半波带，则光线会聚后得到的光强介于亮条纹和暗条纹之间。,暗纹条件：,亮纹条件：,中央明纹位置：,中央明条纹的半角宽度0即第一暗纹的衍射角。中央明纹的宽度x：正负第一级暗纹的位置距离。,第k级明纹的宽度：第k+1级暗纹与第k级暗纹的

3、位置距离。,白色光照射单缝，中央条纹中间是白色边缘是彩带，两侧出现彩色条纹，靠内是紫光，靠外是红光。,例11-3：设有一单色平行光垂直照射于一单缝，若其第三级亮条纹位置正好和600nm的单色光的第二级亮条纹位置相同，求单色平行光的波长。,解：根据单缝衍射亮条纹的条件：,三、衍射光栅（一）光栅常数 由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件称为光栅。一般常用的光栅是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成，刻痕不透光，相当狭缝。,光栅缝宽为a，缝间不透光部分宽度为b，d=a+b称为光栅常数。光栅常数一般为10-510-6m之间。,光栅衍射为单缝衍射和多缝干涉的总效应。,（三）光栅公式,亮条纹的衍射角：,衍射

4、级次限制：,单缝衍射暗纹条件：a sin=k若同时在该处满足光栅主极大：(a+b)sin=k 则这个主极大不亮,称为缺级.,暗的相干相长仍为暗！,若(a+b)/a是整数，将发生缺级现象如a+b=3a，则第三级、第六级、.亮条纹不出现。,（四）衍射光谱1.光栅衍射光谱白光照射光栅时除中央条纹为各色混合的白光外，其他各级的亮条纹都形成彩色的光谱带称为衍射光谱。,2.光栅衍射光谱与棱镜色散光谱的比较棱镜对白光有分光的色散作用，所形成的彩色光谱带称为色散光谱。,光栅衍射光谱与棱镜色散光谱的区别：（1）衍射光谱是匀排光谱，棱镜色散紫光附近的光谱比红光附近的光谱展开得大些，是非匀排光谱。（2）衍射光谱中各

5、谱线的排列次序由紫到红，而在棱镜的色散光谱中由红到紫，正好相反。,3.光谱分析各种类型光源发出的光经光栅后形成的光谱：炽热物体发射的光：连续光谱在火焰中加热或通过放电管中通电激发形成的原子发光，其谱线由一些明线组成，称为明线光谱。,让炽热物体所发出连续光谱的光，通过一定的物质后，再经过光栅，则在形成的光谱中出现一系列暗线，称为吸收光谱。,利用某种物质的明线光谱或吸收光谱的谱线情况，可以定性地分析出该物质所含的元素或化合物，由谱线的强度可定量分析出所含元素的多少，这种分析方法称为光谱分析。,（五）闪耀光栅 具有一定形状刻槽的反射光栅，能将能量较多地集中到所应用的那一级光谱带上，这种光栅称为闪耀光

6、栅。,（六）光栅光谱仪 用光栅作色散元件的单色仪、分光计和摄谱仪等系统称为光栅光谱仪。常用光栅光谱仪有凹面光栅和平面光栅两种。,埃伯特光栅单色仪,S处摄谱为光栅摄谱仪,例11-4当红光垂直照射到每厘米有4000条刻线的透射光栅上，观察到第二级光谱线的衍射角360，求照射红光的波长。解：光栅常数：,例11-5一光栅每毫米长有600条刻线，用波长为589nm的黄色光垂直照射，求各级光谱线的衍射角。解：光栅常数：,第一级光谱线k=1：,第二级光谱线k=2：,k=3：,只能得到二级光谱线。,例11-6设计一个平面透射光栅，使得该光栅能将光波波长范围为430nm680nm的光波的第一级衍射光谱展开为20

7、.00的角度范围。解：,四、圆孔衍射,艾里斑,光的衍射现象限制了光学仪器的分辨本领。,五、X射线的衍射X射线：波长为0.01nm10nm之间的电磁辐射，也称为伦琴射线。劳厄利用晶体原子的周期性排列作为X射线的光栅，成功进行X射线衍射实验。,劳厄斑（a）红宝石晶体（b）单晶硅,符合反射定律，且光程差符合布喇格公式的衍射子波加强。,伦琴射线摄谱仪X射线光谱分析X射线晶体结构分析,第三节 光的偏振一、光的偏振性（一）自然光 由波的传播方向和波的振动方向所确定的平面称为波的振动面。光的振动方向在振动面内不具有对称性，这称为偏振。,横波和纵波都可以产生干涉和衍射现象。只有横波才有偏振现象，这是横波区别于

8、纵波的一个最明显的标志。,光振动：电场强度E的振动称为光振动。光波是横波。自然光：统计平均来看，无论哪一个方向的振动都不比其他方向更占优势，光矢量的振动在各方向的分布对称，振幅相等。,自然光可看作是无数多个振幅相等、振动方向任意、彼此没有固定相位关系的光振动之和。,只有某有一确定方向振动的光称为线偏振光，简称为偏振光。若某一方向的光振动比与之相垂直方向上的光振动占优势，这种光称为部分偏振光。,（二）偏振光起偏：把自然光转化为偏振光。检偏：检查一光束是否是偏振光。二向色性：某些晶体对某一振动方向的光吸收强烈，而与这一方向垂直的光振动则很少吸收，这一现象称为二向色性。,利用晶体二向色性所制成的光学

9、元件称为偏振片。偏振片通过光振动的方向称为偏振化方向。凡是能使自然光变成偏振光的装置称为起偏器。,B：检偏器,二、马吕斯定律,马吕斯定律,例11-7设自然光强度为I0，通过偏振化方向成200夹角的两偏振片，问透过第二个偏振片的光强多大？解：,例11-8以强度为I0的偏振光入射一检偏器，若要求透射光的强度为原光强的三分之一，求起偏器和检偏器的两个偏振片的偏振化方向之间的夹角为多少？,解：,三、光的双折射现象（一）双折射现象 当光入射到各向异性介质，折射光将分裂成为两束光线，这种现象称为双折射现象。,寻常光：遵守折射定律的折射光。简称O光。非常光：不遵守折射定律的折射光。简称e光。光轴：沿着该方向

10、，O光e光折射率相等，传播速度相等。晶体内任一条与光轴方向平行的直线都可以表示光轴。,晶体中只有一个光轴方向的晶体称为单轴晶体，如方解石、石英等。有些晶体具有两个光轴方向称为双轴晶体。如云母、硫黄等。,在晶体中，由光轴和晶体表面的法线所组成的平面，称为晶体的主截面。某光线的传播方向和光轴所组成的平面，称为该光线的主平面。,在垂直于晶体光轴的方向上，O光折射率与e光的折射率差最大，这一方向上e光的折射率ne称为e光的主折射率。O光和e光都是偏振光，O光振动方向垂直于主平面，e光振动方向平行于主平面。当光轴位于入射面内时，两个主平面互相重合。,（二）尼科耳棱镜 一种用单轴晶体制成的偏振棱镜。,O光

11、折射率大于加拿大树胶的折射率，而e光的折射率在此方向上小于树胶的折射率，O光在加拿大树胶界面发生全反射。可用尼科耳棱镜起偏和检偏。,A：起偏器 B：检偏器,四、物质的旋光性（一）旋光现象 某些物质，如石英晶体、有机物质的溶液等，当偏振光透过时，光的振动面会以光的传播方向为轴旋转一定的角度，这种现象称为旋光现象。能产生旋光现象的物质称为旋光物质。,测量物质旋光性和旋光率的仪器称为旋光仪器，又称偏振计。面对入射方向观察，使偏振光的振动面沿顺时针方向旋转的物质，称为右旋物质。反之称为左旋物质。,同一旋光物质对不同波长的光，振动面的旋转角度是不同的，这种现象称为旋光色散。波长短的光，旋转角度大。,对于一定波长的单色偏振光通过旋光物质后，振动面旋转的角度：,：物质的旋光率，也称比旋度d：光通过物质的厚度,对于一定物质的溶液，振动面旋转的角度：,：温度为t时，D指钠光（=589.3nm），物质的旋光率,+：右旋，-：左旋,单位：度 C：g/cm3 d：dm,（二）旋光计,1：滤光片，2：透镜，3：起偏器，4：半荫板，5玻璃管，6检偏器，7目镜,三荫板,谢 谢！,