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1、第15章波动光学本讲稿第一页，共二十五页Development of theories of lightIsaac Newton(1643-1727)light was corpuscularThomas Young(1773-1829)light caused interferenceAugustin Fresnel(1788-1827)light caused diffractionFranois Arago(1786-1853)light was a wave Michael Faraday(1791-1867)the concept of the field and lines of
2、forceJames Clerk Maxwell(1831-1879)light was an electromagnetic waveThomas YoungMichael FaradayAugustin FresnelJames Clerk Maxell光的波粒之争光的波粒之争光的波粒之争光的波粒之争Isaac Newton本讲稿第二页，共二十五页理论理论理论理论体系体系体系体系经典光学经典光学几何光学几何光学以以光光的的直直线线传传播播为为基基础础，研研究究光光在透明介质中的传播问题。在透明介质中的传播问题。波动光学波动光学以以光光的的波波动动性性为为基基础础，研研究究光光的的传传播及其
3、规律播及其规律量子光学量子光学以以光光和和物物质质相相互互作作用用时时所所显显示示出出的的粒粒子子性性为为基基础础，研究光的一系列规律。研究光的一系列规律。现代光学现代光学激光原理及应用激光原理及应用傅立叶光学傅立叶光学 全息光学全息光学光谱学光谱学 非线性光学非线性光学 本讲稿第三页，共二十五页第第1515章章 波动光学波动光学15.1 15.1 光的相干性光的相干性15.10 15.10 偏振的干涉偏振的干涉 人为双折射现象人为双折射现象 旋光现象旋光现象15.9 15.9 双折射现象双折射现象15.8 15.8 反射和折射时的偏振现象反射和折射时的偏振现象 15.7 15.7 光的偏振现
4、象光的偏振现象15.615.6 X X射线的衍射射线的衍射15.5 15.5 光栅衍射光栅衍射15.4 15.4 单缝衍射和圆孔衍射单缝衍射和圆孔衍射15.3 15.3 薄膜干涉薄膜干涉15.2 15.2 双缝干涉双缝干涉本讲稿第四页，共二十五页15.1.115.1.1光的电磁理论光的电磁理论光的电磁理论光的电磁理论平面电磁波方程平面电磁波方程真空中的光速真空中的光速 光矢量光矢量 用用 矢量表示光矢量矢量表示光矢量,它在引起人眼视觉和底片它在引起人眼视觉和底片感光上起主要作用感光上起主要作用.15.1 15.1 光的相干性光的相干性介质的折射率介质的折射率介质中的光速介质中的光速本讲稿第五页
5、，共二十五页The electromagnetic spectrumViolet Blue Green Yellow Orange Red760600500400ultravioletinfraredvisible spectrumwavelength(nm)本讲稿第六页，共二十五页光色光色 波长波长(nm)频率频率(Hz)中心波长中心波长(nm)红红 660 橙橙 610 黄黄 570 绿绿 540 青青 480 兰兰 460 紫紫 430 可见光七彩颜色的波长和频率范围可见光七彩颜色的波长和频率范围760622 622597 597577 577492 492470 470455 4554
6、00 本讲稿第七页，共二十五页干涉条件：干涉条件：频率相同、振动方向相同、有恒定的相位差频率相同、振动方向相同、有恒定的相位差干涉定义：干涉定义：满满足足相相干干条条件件的的两两列列或或两两列列以以上上的的波波，它它们们在在空空间间的重叠区域内各点相遇时，将发生干涉现象的重叠区域内各点相遇时，将发生干涉现象.干涉现象是一切波动所具有的共同现象干涉现象是一切波动所具有的共同现象.15.1.2 15.1.2 光的相干性光的相干性光的相干性光的相干性 相干光：相干光：能产生干涉现象的光能产生干涉现象的光.相干光源：相干光源：能产生相干光的光源能产生相干光的光源.p12r1r2两列光波的叠加两列光波的
7、叠加:P点点:其中其中本讲稿第八页，共二十五页平均光强：平均光强：1.相干叠加相干叠加 干涉加强干涉加强干涉减弱干涉减弱I=I 1+I 22.非相干叠加非相干叠加 I=2 I 1干涉项干涉项其中其中即即本讲稿第九页，共二十五页15.1.3 15.1.3 普通光源普通光源普通光源普通光源发发发发光微光微光微光微观观观观机制的特点机制的特点机制的特点机制的特点1.光源光源两大类光源：两大类光源：普通光源、激光光源普通光源、激光光源-自发辐射自发辐射2.普通光源的发光机制普通光源的发光机制原子能级及发光跃迁原子能级及发光跃迁基态基态激激发发态态跃迁跃迁自发辐射自发辐射P21本讲稿第十页，共二十五页普
8、通光源发光的特点：普通光源发光的特点：间歇性：间歇性：间歇性：间歇性：各原子发光是间歇的，平均发光时间各原子发光是间歇的，平均发光时间各原子发光是间歇的，平均发光时间各原子发光是间歇的，平均发光时间 t t约为约为约为约为1010-8-81010-10-10s s，所发出的是一段长为，所发出的是一段长为，所发出的是一段长为，所发出的是一段长为L L=c c t t的光波列。的光波列。的光波列。的光波列。随机性随机性随机性随机性:每次发光是随机的，所发出各波列的振动方向和振动初相位每次发光是随机的，所发出各波列的振动方向和振动初相位每次发光是随机的，所发出各波列的振动方向和振动初相位每次发光是随
9、机的，所发出各波列的振动方向和振动初相位都不相同。都不相同。都不相同。都不相同。3.激光激光的发光机制的发光机制-受激辐射受激辐射E2E1 =(E2-E1)/h 完全一样完全一样（频率、相位、振动方向、传播方频率、相位、振动方向、传播方向都相同向都相同）本讲稿第十一页，共二十五页4.获得相干光的方法获得相干光的方法 (1)分分振振幅幅法法:利利用用透透明明薄薄膜膜的的上上下下两两个个表表面面对对入入射射光光进进行行反反射射，产产生生的的两两束束反反射射光光或或一一束束反反射射光光与与一一束束透透射射光光。薄薄膜膜干干涉涉和和迈迈克克耳耳孙孙干干涉涉仪仪等等就就采采用用这这种方法。种方法。(2)
10、分分波波面面法法:当当从从同同一一个个点点光光源源或或线线光光源源发发出出的的光光波波到到达达某某平平面面时时，由由该该平平面面(即即波波前前)上上分分离离出出两两部部分分。杨杨氏氏双双缝缝干干涉涉就就是是采采用了这种方法。用了这种方法。本讲稿第十二页，共二十五页光分别在真空和介质中传播相同的距离光分别在真空和介质中传播相同的距离r，相位变化？，相位变化？rr真空真空介质介质真空中：真空中：光不管在真空光不管在真空还还是介是介质质中中传传播，其播，其频频率率 v 是不是不变变的，而的，而传传播速度播速度真空中的光速真空中的光速 c 介介质质中的光速中的光速 v 介质中：介质中：5.光程光程(o
11、ptical path)介质中的波长介质中的波长真空中的波长真空中的波长本讲稿第十三页，共二十五页则则即即 此式表明，经过相同的几何路程，经过介质所发生的相位改此式表明，经过相同的几何路程，经过介质所发生的相位改变是真空中的变是真空中的n 倍。倍。因此，从相位改变这一角度考虑，在介质中光线经过因此，从相位改变这一角度考虑，在介质中光线经过D距离所发生的距离所发生的相位改变，等于真空中经过相位改变，等于真空中经过nr所发生的相位改变。所发生的相位改变。物理意义物理意义：光在媒质中经过的路程折算到同一时间内在真空中光在媒质中经过的路程折算到同一时间内在真空中经过的相应路程。经过的相应路程。1)光程
12、光程:介质折射率与光的几何路程之积介质折射率与光的几何路程之积=2）光程差光程差-两光程之差两光程之差光程差光程差*P*相位差相位差波程差波程差本讲稿第十四页，共二十五页 从从物物点点发发出出的的不不同同光光线线，经经不不同同路路径径通通过过薄薄透透镜镜后后会会聚聚成成为为一一个个明明亮亮的的实实像像，说说明明从从物物点点到到像像点点，各各光光线线具具有有相等的光程。相等的光程。透镜不引起额外的光程差透镜不引起额外的光程差平平行行于于透透镜镜主主光光轴轴的的平平行行光光会会聚聚在在焦焦点点F，从从波波面面A上上各各点点到到焦焦点点F的的光光线线，A1F、A2F、A3F，是等光程的。，是等光程的
13、。SS本讲稿第十五页，共二十五页平平行行于于透透镜镜副副光光轴轴的的平平行行光光会会聚聚于于后后焦焦面面上上F ，从从波波面面B上上各各点点到到F 的的光光线线 B1F 、B2F 、B3F ，是等光程的。，是等光程的。点光源点光源S发出球面波经透镜发出球面波经透镜后成为聚向像点后成为聚向像点S的球面的球面波，波，S的波面的波面C上的各点到上的各点到像点像点S 的光线的光线C1 S、C2 S、C3 S，是等光程的。，是等光程的。本讲稿第十六页，共二十五页p实实 验验 装装 置置15.2.1 15.2.1 杨氏双缝实验杨氏双缝实验杨氏双缝实验杨氏双缝实验光程差光程差双缝干涉实验双缝干涉实验1021
14、5.2 15.2 双缝干涉双缝干涉本讲稿第十七页，共二十五页明纹明纹p明暗明暗条纹的位置条纹的位置加强加强 减弱减弱暗纹暗纹本讲稿第十八页，共二十五页白光白光照射时，出现照射时，出现彩色彩色条纹条纹白光入射的杨氏双缝干涉照片白光入射的杨氏双缝干涉照片您能判断您能判断0级条纹在哪吗？级条纹在哪吗？明纹明纹明暗明暗条纹的位置条纹的位置暗纹暗纹条纹间距条纹间距 本讲稿第十九页，共二十五页 一定时，若一定时，若 变化，则变化，则 将怎样变化？将怎样变化？1）讨论讨论 条纹间距条纹间距 与与 和和 的关系的关系 GXSF1GXSF1本讲稿第二十页，共二十五页2）条纹间距条纹间距 与与 的关系如何？的关系
15、如何？一定时，一定时，GXSF2GXSF2本讲稿第二十一页，共二十五页15.2.2 15.2.2 劳埃德镜劳埃德镜劳埃德镜劳埃德镜 半波损失半波损失：光从光疏介质（折射率较小）射向光密介质：光从光疏介质（折射率较小）射向光密介质（折射率较大）时反射光的相位较之入射光的相位跃变了（折射率较大）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。波损失。PML本讲稿第二十二页，共二十五页 例例例例1 1 以单色光照射到相距为以单色光照射到相距为0.2mm的双缝上的双缝上,双缝与屏幕的垂双缝与屏幕
16、的垂直距离为直距离为1m。(1)从第一级明从第一级明 纹纹 到同侧到同侧 的第四级明的第四级明 纹的距离为纹的距离为7.5mm,求单色光求单色光的波长的波长;(2)若入射光的波长为若入射光的波长为600nm,求相邻两明纹间的距离。求相邻两明纹间的距离。解解解解:(:(1)（2）本讲稿第二十三页，共二十五页C解解解解:计算光程差计算光程差BA12 如图如图 离湖面离湖面 处有一电磁波接收器位于处有一电磁波接收器位于 C，当一射，当一射电星从地平面渐渐升起时，电星从地平面渐渐升起时，接收器断续接收到一系列极大值。接收器断续接收到一系列极大值。已已知射电星发射的电磁波波长为知射电星发射的电磁波波长为 ，求第一次测到极大求第一次测到极大时，射电星的方位与湖面所成的角时，射电星的方位与湖面所成的角 。例例例例2 2 射电信号的接收射电信号的接收本讲稿第二十四页，共二十五页取取 极大极大时时 考虑半波损失时，附加波程差取考虑半波损失时，附加波程差取 均可，符号不均可，符号不同，同，取值不同，对问题实质无影响取值不同，对问题实质无影响.注意注意ACB12本讲稿第二十五页，共二十五页