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1、第第14章波动光学章波动光学本讲稿第一页，共六十六页引言引言一、一、光学发展简史光学发展简史（1）光的光的“微粒说微粒说”：说明光的直线传播和反射、：说明光的直线传播和反射、折射现象。折射现象。以以牛顿牛顿为代表为代表（2）光的光的“波动说波动说”：说明光的干涉、衍射、光的偏振，：说明光的干涉、衍射、光的偏振，也能说明光的反射、折射。但在说明光的直线传播时遇到也能说明光的反射、折射。但在说明光的直线传播时遇到了困难。了困难。以以惠更斯惠更斯为代表。为代表。（3）19世纪，麦克斯韦建立了电磁波理论，指出世纪，麦克斯韦建立了电磁波理论，指出光是一种光是一种电磁波电磁波。本讲稿第二页，共六十六页二、
2、二、光学的研究内容光学的研究内容 光光学学是是研研究究光光的的传传播播以以及及它它和和物物质质相相互互作作用用问问题的学科。题的学科。几几何何光光学学：以以光光的的直直线线传传播播规规律律为为基基础础，主要主要研究各种成象光学仪器的理论。研究各种成象光学仪器的理论。波波动动光光学学：研研究究光光的的电电磁磁性性质质和和传传播播规规律，特别是律，特别是干涉、衍射、偏振干涉、衍射、偏振的理论和应用。的理论和应用。量量子子光光学学：以以光光的的量量子子理理论论为为基基础础，物物质质相相互作用的规律。互作用的规律。光光学学本讲稿第三页，共六十六页760nm400nm 可见光可见光 电电 磁磁 波波 谱
3、谱红外线红外线 紫外线紫外线 射射 线线X射线射线长波无线电波长波无线电波频率频率波长波长短波无线电波短波无线电波三、三、光的本质光的本质光的本质是一种电磁波。光的本质是一种电磁波。可见光的范围可见光的范围本讲稿第四页，共六十六页四、四、光的性质光的性质波动性波动性粒子性粒子性光具有波光具有波粒二象性粒二象性本章内容本章内容本讲稿第五页，共六十六页14141 1 相干光相干光一、光的相干性一、光的相干性二、相干性的获取二、相干性的获取本讲稿第六页，共六十六页一、光的相干性一、光的相干性 光的相干条件：光的相干条件：（1）频率相同；（）频率相同；（2）振动方向相同；）振动方向相同；（3）初相位相
4、同或相位差恒定。）初相位相同或相位差恒定。光源最基本发光单元是光源最基本发光单元是：分子、原子。：分子、原子。波列波列波列长波列长 L=c一个原子的发光一个原子的发光持续时间持续时间约为：约为：本讲稿第七页，共六十六页一个原子每次发光形成一长度有限的波列。一个原子每次发光形成一长度有限的波列。普通光源的发光特点：普通光源的发光特点：独立独立（同一原子先后发的光）同一原子先后发的光）独立独立（不同原子发的光）（不同原子发的光）因此，两个独立的普通光源，甚至同一光源的两个因此，两个独立的普通光源，甚至同一光源的两个不同发光点所发出的光，都是非相干光。不同发光点所发出的光，都是非相干光。本讲稿第八页
5、，共六十六页二、相干光的获取二、相干光的获取(1)分割振幅法分割振幅法例如：水面上油膜的干涉条纹例如：水面上油膜的干涉条纹本讲稿第九页，共六十六页(2)分割波阵面法分割波阵面法*光光 源源二、相干光的获取二、相干光的获取本讲稿第十页，共六十六页14142 2 杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验 光程光程一、杨氏双缝干涉实验一、杨氏双缝干涉实验二、光程和光程差二、光程和光程差本讲稿第十一页，共六十六页一、杨氏双缝干涉实验一、杨氏双缝干涉实验1实验装置：实验装置：P实实 验验 装装 置置波程差波程差:本讲稿第十二页，共六十六页2干涉条纹的分布规律：干涉条纹的分布规律：相位差：相位差：波程差波程差:减
6、弱减弱加强加强暗纹暗纹明纹明纹本讲稿第十三页，共六十六页讨论讨论条纹间距条纹间距 明暗条纹的位置明暗条纹的位置:(1)条纹间距条纹间距 与与 的关系的关系 ;若若 变化变化 ，则，则 将怎样变化？将怎样变化？一定时，一定时，暗纹暗纹明纹明纹本讲稿第十四页，共六十六页(1)一定时，若一定时，若 变化，则变化，则 将怎样变化将怎样变化？本讲稿第十五页，共六十六页(2)一定时，一定时，条纹间距条纹间距 与与 的关系如何的关系如何？本讲稿第十六页，共六十六页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红光入射的杨氏双缝干涉照片红光入射的杨氏双缝干涉照片本讲稿第十七页，共六十六页 例例1 以单色
7、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,双双缝与屏幕的垂直距离为缝与屏幕的垂直距离为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 纹的距纹的距离为离为7.5mm,求单色光的波长求单色光的波长;(2)若入射光的波长为若入射光的波长为600nm,求相邻两明纹间求相邻两明纹间的距离的距离.解解（1）（2）本讲稿第十八页，共六十六页光在真空中的速度：光在真空中的速度：光在介质中的速度：光在介质中的速度：真空中的波长真空中的波长介质的折射率介质的折射率介质中的波长介质中的波长光程光程:媒质折射率与光的媒质折射率与光的几何路程几何路程之积之积=二、光程和
8、光程差二、光程和光程差本讲稿第十九页，共六十六页光程光程物理意义物理意义：光程就是光在媒质中通过的几何路：光程就是光在媒质中通过的几何路程程,按波数相等折合到真空中的路程按波数相等折合到真空中的路程.n真空真空光程光程:媒质折射率与光的媒质折射率与光的几何路程几何路程之积之积=光程差与相位差的关系：光程差与相位差的关系：光程差光程差相位差相位差本讲稿第二十页，共六十六页例例2 2：计计算算图图中中光光通通过过路路程程 r r1 1 和和 r r2 2 在在P P点点的的光光程程差差和相位差。和相位差。nS1S2r1r2dP解：解：光波光波S1P的光程为：的光程为：两者的光程差为：两者的光程差为
9、：光波光波S2P的光程为：的光程为：相位差为：相位差为：本讲稿第二十一页，共六十六页 例例3 3 在杨氏双缝干涉实验中，用波长在杨氏双缝干涉实验中，用波长 的单色光垂直照射在双缝上的单色光垂直照射在双缝上.若用一折射率若用一折射率n=1.58 1.58、厚度为厚度为 的云母片覆盖在上方的狭缝上，的云母片覆盖在上方的狭缝上，问（问（1 1）屏上干涉条纹有什么变化？）屏上干涉条纹有什么变化？（2 2）屏上中央屏上中央o点现在是明纹还是暗纹？点现在是明纹还是暗纹？o 解：解：(1)干涉条纹干涉条纹向上向上平平移移 (2)中央中央o点为明纹点为明纹本讲稿第二十二页，共六十六页三、三、劳埃德镜实验劳埃德
10、镜实验实验原理与杨氏双缝干涉实验类似。实验原理与杨氏双缝干涉实验类似。半波损失半波损失：光从光疏介质射向光密介质时反射光的相位光从光疏介质射向光密介质时反射光的相位较入射光的相位跃变了较入射光的相位跃变了，相当于反射光与入射光之间附，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。加了半个波长的波程差，称为半波损失。PML本讲稿第二十三页，共六十六页14145 5 光的衍射光的衍射一、光的衍射现象一、光的衍射现象光遇到障碍物时，光线偏离直线传播的现象。光遇到障碍物时，光线偏离直线传播的现象。屏幕屏幕宽狭缝的直线宽狭缝的直线传播现象：传播现象：本讲稿第二十四页，共六十六页单色光通过
11、窄单色光通过窄狭缝的衍射现狭缝的衍射现象：象：*单色光通过单色光通过小圆孔的衍小圆孔的衍射现象：射现象：上述现象说明光通过障碍物时，能绕过障碍物而上述现象说明光通过障碍物时，能绕过障碍物而产生衍射现象。产生衍射现象。本讲稿第二十五页，共六十六页二、二、惠更斯惠更斯菲涅耳原理菲涅耳原理 平平 面面 波波惠惠更更斯斯菲菲涅涅耳耳原原理理:波波传传到到的的任任何何一一点点都都是是子子波波的的波波源源，各子波在空间某点的相干叠加，就决定了该点波的强度。各子波在空间某点的相干叠加，就决定了该点波的强度。菲涅耳菲涅耳 prSS(波前波前)n惠惠更更斯斯原原理理本讲稿第二十六页，共六十六页三、衍射现象的分类
12、三、衍射现象的分类夫夫 琅琅 禾禾 费费 衍衍 射射光源、屏与缝相距光源、屏与缝相距无限远无限远缝缝菲菲 涅涅 耳耳 衍衍 射射缝缝 光源、屏与缝相距光源、屏与缝相距有限远有限远在实验中如何实现夫琅禾费衍射呢？在实验中如何实现夫琅禾费衍射呢？夫夫琅琅禾禾费费衍衍射射在在实实验验中中实实现现本讲稿第二十七页，共六十六页14146 6 单缝衍射单缝衍射1单缝衍射的实验装置：单缝衍射的实验装置：用菲涅耳用菲涅耳半波带法半波带法解释单缝衍射现象。解释单缝衍射现象。S*本讲稿第二十八页，共六十六页光线光线1：=0从从AB到到O的光程相等。的光程相等。中央明纹中央明纹(或零级明纹或零级明纹)各光线在各光线
13、在O 处的处的相位相同。相位相同。OBARPL22单缝衍射条纹的分布规律：单缝衍射条纹的分布规律：本讲稿第二十九页，共六十六页光线光线2：0bQ OBARPL2C 从从AC到到Q的光程相等的光程相等各光线各光线2从从AB到到Q处处的最大光的最大光程差为：程差为：本讲稿第三十页，共六十六页菲涅耳半波带法：菲涅耳半波带法：（个半波带）个半波带）本讲稿第三十一页，共六十六页单缝衍射单缝衍射暗条纹暗条纹条件：条件：波面波面AB可分成偶数可分成偶数(2k)个半波带。个半波带。k1,2,3,当：当：各各半半波波带带光光线线叠叠加加全全部部相消相消暗纹暗纹BAb bsin C缝长缝长本讲稿第三十二页，共六十
14、六页单缝衍射单缝衍射明条纹明条纹条件：条件：波面波面AB可分成奇数可分成奇数(2k1)个半波带。个半波带。k1,2,3,当当各半波带光线叠加时只各半波带光线叠加时只剩下一个半波带的光线剩下一个半波带的光线明纹明纹BAb bsin C缝长缝长本讲稿第三十三页，共六十六页“号号”表示衍射条纹在中央明纹两侧对称分布。表示衍射条纹在中央明纹两侧对称分布。暗纹中心暗纹中心 明纹明纹中心中心（介于（介于明明暗暗之间）之间）个半波带个半波带 个半波带个半波带中央明纹中心中央明纹中心结论结论本讲稿第三十四页，共六十六页暗纹中心暗纹中心明纹明纹中心中心讨讨 论论暗纹位置暗纹位置明纹明纹位置位置单缝衍射单缝衍射明
15、暗条纹位置明暗条纹位置：本讲稿第三十五页，共六十六页3单缝衍射条纹特点：单缝衍射条纹特点：（1）光强分布：）光强分布：光强主要集中在光强主要集中在中央亮纹中央亮纹上，其它各级明纹的强上，其它各级明纹的强度非常弱，且随条纹级数增大而减小。度非常弱，且随条纹级数增大而减小。本讲稿第三十六页，共六十六页（2）中央明纹宽度：）中央明纹宽度：各级明纹的宽度大致相等，各级明纹的宽度大致相等，中央中央最亮纹最亮纹的宽度是的宽度是各级各级明纹宽度的明纹宽度的两倍两倍。暗纹位置暗纹位置明纹明纹位置位置本讲稿第三十七页，共六十六页（3）单缝宽度变化，中央明纹宽度如何变化？）单缝宽度变化，中央明纹宽度如何变化？本讲
16、稿第三十八页，共六十六页越大，越大，越大，衍射效应越明显越大，衍射效应越明显.（4）入射波长变化，衍射效应如何变化）入射波长变化，衍射效应如何变化?本讲稿第三十九页，共六十六页（5）单缝位置对光强分布的影响：）单缝位置对光强分布的影响：单缝上下移动，条纹位置不变。单缝上下移动，条纹位置不变。本讲稿第四十页，共六十六页衍射角衍射角光栅常数光栅常数大小大小14148 8 衍射光栅衍射光栅一、一、光栅光栅由大量由大量等宽等宽、等间距等间距的狭缝组成。的狭缝组成。本讲稿第四十一页，共六十六页二、光栅衍射条纹的形成二、光栅衍射条纹的形成光栅常数：光栅常数：光栅常数光栅常数衍射角衍射角：透光部分的宽度透光
17、部分的宽度:不透光部分的宽度不透光部分的宽度明纹位置明纹位置（光栅方程）：（光栅方程）：相邻两缝间的光程差：相邻两缝间的光程差：光栅衍射条纹是单缝光栅衍射条纹是单缝衍射衍射和多缝和多缝干涉干涉的总效果的总效果本讲稿第四十二页，共六十六页 光栅中狭缝条数越多，明纹越亮光栅中狭缝条数越多，明纹越亮.1条缝条缝2条缝条缝3条缝条缝5条缝条缝6条缝条缝20条缝条缝亮纹的光强亮纹的光强：单缝光强）：单缝光强）（：狭缝数，（：狭缝数，本讲稿第四十三页，共六十六页讨论讨论光栅衍射光强分布光栅衍射光强分布中央明纹中央明纹第一级第一级主明纹主明纹第二级第二级主明纹主明纹单缝衍射光强分布单缝衍射光强分布本讲稿第四
18、十四页，共六十六页（2）光栅常数越小，明纹越窄，明纹间相隔越远光栅常数越小，明纹越窄，明纹间相隔越远（3）入射光波长越大，明纹间相隔越远入射光波长越大，明纹间相隔越远（1）条纹条纹最高最高级数级数讨论讨论明纹间隔：明纹间隔：本讲稿第四十五页，共六十六页（4）光栅的缺级现象光栅的缺级现象若同时满足若同时满足光栅衍射的光栅衍射的明纹位置明纹位置单缝衍射的单缝衍射的暗纹位置暗纹位置所缺的级数所缺的级数k：（缺级缺级）例：例：本讲稿第四十六页，共六十六页缺缺缺缺缺缺缺缺 7 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 70本讲稿第四十七页，共六十六页例如：在光栅衍射形成的光谱中，若例如：在光栅
19、衍射形成的光谱中，若b3b，则出现缺级的明条纹级数为哪些？则出现缺级的明条纹级数为哪些？解：解：因为因为则所缺级数为：则所缺级数为：即所缺级数为：即所缺级数为：本讲稿第四十八页，共六十六页sin 0I单单I0单单-2-112(/a)单缝衍射光强曲线单缝衍射光强曲线I N2I0单单048-4-8sin(/d)单缝衍射单缝衍射 轮廓线轮廓线光栅衍射光强曲线光栅衍射光强曲线sin N2 I0单单I0单单 sin2N/sin2 04-8-48(/d)多光束干涉光强曲线多光束干涉光强曲线d=4b例如：例如：本讲稿第四十九页，共六十六页一级光谱一级光谱二级光谱二级光谱三级光谱三级光谱(5)光栅光谱光栅光谱
20、入射光为入射光为白光白光时，时，不同，不同，不同，按波长分开形成不同，按波长分开形成光谱光谱.本讲稿第五十页，共六十六页例例:一束白光垂直入射光栅，如果其中某一光波的第四级明纹与波一束白光垂直入射光栅，如果其中某一光波的第四级明纹与波长为长为660nm的光波的第三级明纹重合，求这光的波长。的光波的第三级明纹重合，求这光的波长。解：解：由光栅方程：由光栅方程：得得已知其中已知其中本讲稿第五十一页，共六十六页14149 9 光的偏振光的偏振一、自然光一、自然光 偏振光偏振光二、偏振片二、偏振片 起偏和检偏起偏和检偏三、马吕斯定律三、马吕斯定律本讲稿第五十二页，共六十六页光的光的波动性波动性 光的干
21、涉、衍射光的干涉、衍射.光波是光波是横波横波 光的偏振光的偏振.机械横波与纵波的区别：机机械械波波穿穿过过狭狭缝缝本讲稿第五十三页，共六十六页一、自然光一、自然光 偏振光偏振光自然光以两互相自然光以两互相垂直垂直的互为独立的互为独立的（的（无固定无固定的的相位相位关系）、振幅关系）、振幅相等的光振动表示相等的光振动表示,并各具有并各具有一半一半的振动能量的振动能量.符号表示符号表示注意注意 各光矢量间无固定的相位关系各光矢量间无固定的相位关系.二互相垂直方向是任选的二互相垂直方向是任选的.（1）自然光）自然光：在所有可能的方向上，在所有可能的方向上，E 矢量矢量的振的振幅都相等（轴对称），这样
22、的光叫自然光幅都相等（轴对称），这样的光叫自然光.普通光源发出的光都是自然光。普通光源发出的光都是自然光。本讲稿第五十四页，共六十六页（2）偏振光）偏振光（线偏振光）（线偏振光）符号表示符号表示（3）部分偏振光）部分偏振光：某一方向的光振动比与之垂直某一方向的光振动比与之垂直方向上的光振动占优势的光为部分偏振光方向上的光振动占优势的光为部分偏振光.符号表示符号表示光振动只沿某一固定方向的光光振动只沿某一固定方向的光.振动面振动面本讲稿第五十五页，共六十六页 起起 偏偏二、偏振片二、偏振片 起偏与检偏起偏与检偏 二向色性二向色性:某些物质能吸收某一方向的光振动某些物质能吸收某一方向的光振动,而只
23、让与这个方向垂直的光振动通过的性质而只让与这个方向垂直的光振动通过的性质 偏振片偏振片：涂有二向色性材料的透明薄片涂有二向色性材料的透明薄片.偏振化方向偏振化方向：当自然光照射在偏振片上时，它当自然光照射在偏振片上时，它只让只让某一特定方向的光通过某一特定方向的光通过，这个方向叫此偏振，这个方向叫此偏振片的偏振化方向片的偏振化方向.偏振化方向偏振化方向起偏器起偏器本讲稿第五十六页，共六十六页检偏器检偏器 检检 偏偏起偏器起偏器本讲稿第五十七页，共六十六页NM三、马吕斯定律（三、马吕斯定律（1880 年）年）检偏器检偏器起偏器起偏器NM 马吕斯定律马吕斯定律 强度为强度为 的偏振的偏振光通过检偏
24、振器后光通过检偏振器后,出射光的强度为出射光的强度为本讲稿第五十八页，共六十六页 例例1 有两个偏振片有两个偏振片,一个用作起偏器一个用作起偏器,一个用作一个用作检偏器检偏器.当它们偏振化方向间的夹角为当它们偏振化方向间的夹角为 时时,一束一束单色自然光穿过它们单色自然光穿过它们,出射光强为出射光强为 ;当它们偏振化当它们偏振化方向间的夹角为方向间的夹角为 时时,另一束单色自然光穿过它们另一束单色自然光穿过它们,出射光强为出射光强为 ,且且 .求两束单色自然光的强求两束单色自然光的强度之比度之比.解解 设两束单色自然光的强度分别为设两束单色自然光的强度分别为 和和 .经过起偏器后光强分别为经过
25、起偏器后光强分别为 和和 .经过检偏器后经过检偏器后本讲稿第五十九页，共六十六页实验结果：实验结果：141410 10 反射光和折射光的偏振反射光和折射光的偏振反射光和折射光中反射光和折射光中偏振化程度取决于偏振化程度取决于入射角入射角i。空气空气玻璃玻璃自然光自然光部部分分偏偏振振光光垂垂直直分分量量占占优优势势部部分分偏偏振振光光平平行行分分量量占占优优势势本讲稿第六十页，共六十六页 布儒斯特定律布儒斯特定律空气空气布儒斯特定律布儒斯特定律（1812年）年）反射光为完全偏振光，反射光为完全偏振光，且振动面垂直入射面，且振动面垂直入射面，折射光为部分偏振光。折射光为部分偏振光。当当 时，时，
26、（1）反射光和折射光互相垂直反射光和折射光互相垂直.讨论讨论玻璃玻璃本讲稿第六十一页，共六十六页注意注意 对于一般的光学玻璃对于一般的光学玻璃,反射光的强度反射光的强度约占入射光强度的约占入射光强度的7%,大部分光将透过玻璃大部分光将透过玻璃.利用利用玻璃片堆玻璃片堆产生产生线线偏振光偏振光本讲稿第六十二页，共六十六页旋光现象：旋光现象：四、旋光现象四、旋光现象偏振光通过某些物质偏振光通过某些物质时，振动面发生旋转时，振动面发生旋转的现象。的现象。旋光物质：旋光物质：能产生旋光现象的物质。能产生旋光现象的物质。旋光色散：旋光色散：不不同同波波长长的的偏偏振振光光通通过过同同一一旋旋光光物物质时
27、，旋转的角度质时，旋转的角度 也不同。也不同。本讲稿第六十三页，共六十六页旋光规律：旋光规律：旋光率，与旋光物质的性质、旋光率，与旋光物质的性质、温度及入射光的波长温度及入射光的波长 有关。有关。旋光物质溶液：旋光物质溶液：溶液的比旋光率溶液的比旋光率同种溶质溶液的比旋光率相同。同种溶质溶液的比旋光率相同。固体旋光物质：固体旋光物质：本讲稿第六十四页，共六十六页旋光物质分类：旋光物质分类：观观察察者者面面对对光光源源，能能使使振振动动面面向向右右(顺顺时时针针)方方向向旋旋转转的的物物质质。旋旋转转角角 用用“”表示。表示。左旋物质：左旋物质：观观察察者者面面对对光光源源，能能使使振振动动面面向向左左(逆逆时时针针)方方向向旋旋转转的的物物质质。旋旋转角转角 用用“”表示。表示。右旋物质：右旋物质：本讲稿第六十五页，共六十六页谢谢！本章结束本章结束本讲稿第六十六页，共六十六页