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1、关于大学物理波动光学第1页,讲稿共64张,创作于星期日光矢量的振动相对于传播方向的不对称性,称为光的偏振性光矢量的振动相对于传播方向的不对称性,称为光的偏振性。1、线偏振光(完全偏振光)、线偏振光(完全偏振光)2 2、自然光、自然光3 3、部分偏振光、部分偏振光偏振度偏振度 第2页,讲稿共64张,创作于星期日二、偏振片的起偏和检偏二、偏振片的起偏和检偏1 1、偏振片工作原理、偏振片工作原理只允许沿某一特定方向的光矢量通过的光学器件只允许沿某一特定方向的光矢量通过的光学器件2 2、起偏、起偏自然光自然光偏振光偏振光偏振化方向偏振化方向具有竖直偏振方向具有竖直偏振方向的偏振膜的偏振膜第3页,讲稿共
2、64张,创作于星期日3 3、检偏(旋转偏振片)、检偏(旋转偏振片)自然光:透射光强度不发生变化自然光:透射光强度不发生变化线偏振光:透射光发生明暗变化线偏振光:透射光发生明暗变化 部分偏振光:透射光发生明暗变化部分偏振光:透射光发生明暗变化第4页,讲稿共64张,创作于星期日三、马吕斯定律三、马吕斯定律定量研究线偏振光通过偏振片后光强的变化规律定量研究线偏振光通过偏振片后光强的变化规律P12I0自然光自然光I0E E/P2马吕斯定律马吕斯定律第5页,讲稿共64张,创作于星期日102 反射光和折射光的偏振反射光和折射光的偏振1、反射光中垂直振动强于平行的振动;、反射光中垂直振动强于平行的振动;2、
3、折射光中平行的振动强于垂直振动;、折射光中平行的振动强于垂直振动;3、反射光、折射光偏振化的程度随入射角变化。、反射光、折射光偏振化的程度随入射角变化。n2n1第6页,讲稿共64张,创作于星期日布儒斯特定律布儒斯特定律 这个特定的角称为布儒斯特角;这个特定的角称为布儒斯特角;此时折射光仍为部分偏振光;此时折射光仍为部分偏振光;此时反射光与折射光互相垂直。此时反射光与折射光互相垂直。n2n1入射角为某一特定值时,反射光中只有垂直振动入射角为某一特定值时,反射光中只有垂直振动第7页,讲稿共64张,创作于星期日103 光的双折射现象光的双折射现象自然光自然光O光光e光光方解石方解石一、双折射现象一、
4、双折射现象同一束光线通过折射后分为两束的现象同一束光线通过折射后分为两束的现象结论:结论:o o光、光、e e光都是线偏振光光都是线偏振光第8页,讲稿共64张,创作于星期日二、双折射现象的解释二、双折射现象的解释 光在各向异性介质中的传播速度与光的传播方向、光矢量的振动方光在各向异性介质中的传播速度与光的传播方向、光矢量的振动方向有关,向有关,现象:现象:o o光、光、e e光在晶体中的传播速度不同光在晶体中的传播速度不同本质:晶体各向异性及电矢量对晶体极化程度共同作用所致本质:晶体各向异性及电矢量对晶体极化程度共同作用所致 第9页,讲稿共64张,创作于星期日回顾:振动叠加,波的叠加回顾:振动
5、叠加,波的叠加同频率的平行简谐振动的合成同频率的平行简谐振动的合成第10页,讲稿共64张,创作于星期日波的叠加波的叠加相遇点分振动的相位差:相遇点分振动的相位差:干涉相长干涉相长 干涉相消干涉相消 若若波程差波程差 第11页,讲稿共64张,创作于星期日104 光波的叠加光波的叠加 光程光程一、光波的相干叠加一、光波的相干叠加 相干光必须满足的条件:光振动的频率相同,振动方向相相干光必须满足的条件:光振动的频率相同,振动方向相同,相位差恒定。同,相位差恒定。可见度可见度 第12页,讲稿共64张,创作于星期日光强分布曲线,以及干涉图样光强分布曲线,以及干涉图样第13页,讲稿共64张,创作于星期日二
6、、光波的非相干叠加二、光波的非相干叠加 1 1、普通光源的发光机制、普通光源的发光机制自发辐射自发辐射2 2、普通光源的发光特点、普通光源的发光特点间歇性、无规则性间歇性、无规则性3 3、从普通光源获得相干光的方法、从普通光源获得相干光的方法 分波振面法分波振面法 分振幅法分振幅法 第14页,讲稿共64张,创作于星期日光程光程:光在媒质中传播的距离与媒质折射率的乘积:光在媒质中传播的距离与媒质折射率的乘积光程差光程差:两个相干光的光程之差:两个相干光的光程之差三、光程三、光程 意义:把光波在媒质中传播的距离折算为在相同时意义:把光波在媒质中传播的距离折算为在相同时间内在真空中传播的相应距离间内
7、在真空中传播的相应距离注意:考虑反射可能引发的半波损失注意:考虑反射可能引发的半波损失第15页,讲稿共64张,创作于星期日使用薄透镜不引起附加光程差使用薄透镜不引起附加光程差 第16页,讲稿共64张,创作于星期日105 双缝干涉双缝干涉 一、杨氏双缝干涉一、杨氏双缝干涉第17页,讲稿共64张,创作于星期日二、二、干涉图样分析干涉图样分析 1.1.干涉条纹的形状:与双缝平行的一组明暗相间彼此等间距的干涉条纹的形状:与双缝平行的一组明暗相间彼此等间距的直条纹,对称分布直条纹,对称分布2.2.明、暗条纹位置明、暗条纹位置r2r1OPxdS2S1D明条纹明条纹(中心中心)位置:位置:暗条纹暗条纹(中心
8、中心)位置:位置:3、同类条纹间距:、同类条纹间距:第18页,讲稿共64张,创作于星期日4.4.光强分布曲线光强分布曲线5、干涉条纹的特点、干涉条纹的特点双缝干涉条纹是与双缝平行的一组明暗相间彼此等间距的直条纹,对称分布。双缝干涉条纹是与双缝平行的一组明暗相间彼此等间距的直条纹,对称分布。第19页,讲稿共64张,创作于星期日光源光源S位置改变位置改变双缝间距双缝间距d 改变改变双缝与屏幕间距双缝与屏幕间距D 改变改变入射光波长改变入射光波长改变 6 6、讨论、讨论 (1 1)波长及装置结构变化)波长及装置结构变化(2 2)介质的影响)介质的影响 在在S1后加透明介质薄膜后加透明介质薄膜把整个实
9、验装置置于折射率为把整个实验装置置于折射率为n的介质中的介质中 第20页,讲稿共64张,创作于星期日三、三、双缝性的其它干涉装置双缝性的其它干涉装置 1 1、菲涅耳双面镜干涉实验、菲涅耳双面镜干涉实验两个虚光源的干涉现象两个虚光源的干涉现象 2 2、洛埃镜实验、洛埃镜实验实光源与虚光源的干涉实光源与虚光源的干涉现象现象反相位的相干光源反相位的相干光源 第21页,讲稿共64张,创作于星期日106 等厚干涉和等倾干涉等厚干涉和等倾干涉一、薄膜干涉一、薄膜干涉 薄膜干涉属于分振幅法薄膜干涉属于分振幅法光程差光程差 相同的入射角对应同一级条纹。因相同的入射角对应同一级条纹。因此,称为此,称为薄膜等倾干
10、涉薄膜等倾干涉第22页,讲稿共64张,创作于星期日对于同一厚度的薄膜,在某一方向观对于同一厚度的薄膜,在某一方向观察到某一波长对应反射光相干相长,察到某一波长对应反射光相干相长,则该波长在对应方向的透射光一定相则该波长在对应方向的透射光一定相干相消。干相消。满足能量守恒满足能量守恒。应用:增透膜、增反膜应用:增透膜、增反膜二、等厚干涉二、等厚干涉 1 1、劈尖干涉、劈尖干涉透射光的干涉:透射光的干涉:第23页,讲稿共64张,创作于星期日明纹中心明纹中心暗纹中心暗纹中心特点:特点:空气劈尖相邻明条纹对应的厚度差:空气劈尖相邻明条纹对应的厚度差:若劈尖间是折射率为若劈尖间是折射率为 n2 的介质,
11、则:的介质,则:劈尖干涉条纹是一系列等间距、明暗相间的平行直条纹劈尖干涉条纹是一系列等间距、明暗相间的平行直条纹明纹或暗纹之间间距明纹或暗纹之间间距第24页,讲稿共64张,创作于星期日反射光干涉公式反射光干涉公式2 2、牛顿环、牛顿环第25页,讲稿共64张,创作于星期日明环中心明环中心暗环中心暗环中心(反射光牛顿环反射光牛顿环)讨论讨论:中心为暗环,级次最低。中心为暗环,级次最低。离开中心越远,圆条纹间距越小。离开中心越远,圆条纹间距越小。透射光干涉条纹与反射光的明暗互补。透射光干涉条纹与反射光的明暗互补。用白光时将产生彩色条纹。用白光时将产生彩色条纹。玻璃片与平凸透镜间距变化玻璃片与平凸透镜
12、间距变化反射牛顿环半径反射牛顿环半径oR曲率半径曲率半径re应用应用:测量光的波长;测量平凸透镜的曲率半径;检查透镜的质量测量光的波长;测量平凸透镜的曲率半径;检查透镜的质量第26页,讲稿共64张,创作于星期日三、等倾干涉三、等倾干涉 不同倾角的透射光穿过等厚薄膜产生干涉不同倾角的透射光穿过等厚薄膜产生干涉 四、干涉现象的应用四、干涉现象的应用 测定气态物质的折射率测定气态物质的折射率 检查表面质量检查表面质量 测量长度的微小变化测量长度的微小变化 牛顿环测平凸透镜的曲率半径牛顿环测平凸透镜的曲率半径 镀膜光学元件镀膜光学元件ab第27页,讲稿共64张,创作于星期日107 迈克耳孙干涉仪迈克耳
13、孙干涉仪 时间相干性时间相干性一、迈克耳孙干涉仪一、迈克耳孙干涉仪fG1G2M2M1光源1212T T第28页,讲稿共64张,创作于星期日M1与与M2严格垂直严格垂直等倾干涉等倾干涉M1与与M2不垂直不垂直等厚干涉等厚干涉记下平移的距离记下平移的距离,可测量入射光的波长可测量入射光的波长测样品参数测样品参数测定光谱线的波长;测定光谱线的波长;测定远距离星体的直径以及检查透镜和棱镜的光学质量测定远距离星体的直径以及检查透镜和棱镜的光学质量迈克耳孙干涉仪的应用迈克耳孙干涉仪的应用二、时间相干性二、时间相干性 2 2、相干长度、相干长度波列长度波列长度 L L3 3、相干时间、相干时间原子发光的持续
14、时间原子发光的持续时间 tt 1 1、光源发光特点、光源发光特点 第29页,讲稿共64张,创作于星期日108 惠更斯惠更斯菲涅尔原理菲涅尔原理 一、光的衍射现象一、光的衍射现象单缝单缝KabS光源光源(a)屏幕E屏幕E单缝单缝KaS光源光源(b)b波在传播过程中遇到障碍物,波在传播过程中遇到障碍物,能够绕过障碍物的边缘前进这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种偏离直线传播的现象称为衍衍射现象射现象。条件:条件:dd第30页,讲稿共64张,创作于星期日从同一波面上各点发出的子波,在传播到空间某一点时,从同一波面上各点发出的子波,在传播到空间某一点时,各个子波之间也可以相互叠加而产
15、生干涉各个子波之间也可以相互叠加而产生干涉惠更斯菲涅惠更斯菲涅耳原理耳原理二、二、惠更斯惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理“子波相干子波相干”数学表达式数学表达式第31页,讲稿共64张,创作于星期日三、衍射的分类三、衍射的分类1.菲涅耳衍射菲涅耳衍射2.夫琅和费衍射夫琅和费衍射光源光源衍射屏衍射屏接收屏距离为接收屏距离为有限远。有限远。光源光源衍射屏衍射屏接收屏接收屏距离为无限远。距离为无限远。光源光源障碍物障碍物接收屏接收屏光源光源障碍物障碍物接收屏接收屏障碍物障碍物接收屏接收屏第32页,讲稿共64张,创作于星期日10109 9 单缝和圆孔的夫琅和费衍射单缝和圆孔的夫琅和费衍射2.实验现象实验现象
16、明暗相间平行于单缝的衍射条纹;明暗相间平行于单缝的衍射条纹;中央明纹明亮且较宽;中央明纹明亮且较宽;两侧对称分布着其它明纹。两侧对称分布着其它明纹。一、单缝夫琅和费衍射一、单缝夫琅和费衍射1.实验装置实验装置光源在透镜光源在透镜 1 的物方焦平面的物方焦平面接收屏在接收屏在 2 的像方焦平面的像方焦平面1 12 2第33页,讲稿共64张,创作于星期日菲涅耳半波带作图菲涅耳半波带作图 3 3、菲涅耳半波带法解释单缝衍射、菲涅耳半波带法解释单缝衍射ABaasinC单缝PBAA,B两条平行光线之间的光程差两条平行光线之间的光程差 BC=asin第34页,讲稿共64张,创作于星期日第35页,讲稿共64
17、张,创作于星期日第36页,讲稿共64张,创作于星期日半波原理:任何两个相邻半波带所发出的光线在汇聚点相互抵消半波原理:任何两个相邻半波带所发出的光线在汇聚点相互抵消.推广:推广:当当BC是是/2的偶数倍,所有波带成对抵消,的偶数倍,所有波带成对抵消,P点暗点暗当当BCBC是是/2/2的奇数倍,所有波带成对抵消后留下一个波带,的奇数倍,所有波带成对抵消后留下一个波带,P P点明点明特点:将波面分成整数个半波带,相邻波带的相位差为特点:将波面分成整数个半波带,相邻波带的相位差为明暗条纹条件明暗条纹条件暗纹中心暗纹中心明纹中心明纹中心第37页,讲稿共64张,创作于星期日第38页,讲稿共64张,创作于
18、星期日半波原理:任何两个相邻半波带所发出的光线在汇聚点相互抵消半波原理:任何两个相邻半波带所发出的光线在汇聚点相互抵消.推广:推广:当当BC是是/2的偶数倍,所有波带成对抵消,的偶数倍,所有波带成对抵消,P点暗点暗当当BCBC是是/2/2的奇数倍,所有波带成对抵消后留下一个波带,的奇数倍,所有波带成对抵消后留下一个波带,P P点明点明特点:将波面分成整数个半波带,相邻波带的相位差为特点:将波面分成整数个半波带,相邻波带的相位差为明暗条纹条件明暗条纹条件暗纹中心暗纹中心明纹中心明纹中心中央明纹区中央明纹区第39页,讲稿共64张,创作于星期日明,暗明,暗条纹在接收屏上的位置条纹在接收屏上的位置暗纹
19、中心暗纹中心明纹中心明纹中心单缝单缝半角宽度半角宽度 第40页,讲稿共64张,创作于星期日中央明条纹的宽度:中央明条纹的宽度:(焦距焦距 f )其它各级明条纹的宽度为中央明条纹宽度的一半。其它各级明条纹的宽度为中央明条纹宽度的一半。条纹宽度条纹宽度几何光学是几何光学是 波动光学在波动光学在 a时的时的极限情况。极限情况。第41页,讲稿共64张,创作于星期日条纹亮度条纹亮度中央明纹:中央明纹:asin=0 所有子波干涉加强;所有子波干涉加强;第一级明纹:第一级明纹:k=1,三个半波带,两个干涉相消,三个半波带,两个干涉相消(1/3)第二级明纹:第二级明纹:k=2,五个半波带,四个干涉相消,五个半
20、波带,四个干涉相消(1/5)衍射光谱衍射光谱波长对衍射条纹的影响波长对衍射条纹的影响第42页,讲稿共64张,创作于星期日2 2 爱里斑:爱里斑:第一暗环对应的衍射角第一暗环对应的衍射角0 0称为爱里斑的半角宽度称为爱里斑的半角宽度爱里斑的半径:爱里斑的半径:中央明区集中中央明区集中了衍射光能的了衍射光能的83.5%二、圆孔夫琅和费衍射二、圆孔夫琅和费衍射1 1、实验装置及衍射图样、实验装置及衍射图样衍射图象:中央是个明亮的圆斑,外围是一衍射图象:中央是个明亮的圆斑,外围是一组明暗相间的同心圆组明暗相间的同心圆。第43页,讲稿共64张,创作于星期日点物点物S像像SL1 1、物与像的关系、物与像的
21、关系物理光学物理光学 像点是爱理斑像点是爱理斑SLSO几何光学几何光学 像点是几何点像点是几何点SLSO问题的出现:问题的出现:点物点物S和和S1在透镜的焦平面上呈现两在透镜的焦平面上呈现两个爱理斑,屏上总光强为两衍射光个爱理斑,屏上总光强为两衍射光斑的非相干迭加斑的非相干迭加。S1SS1SAf1f2OS1SSS1LO当两个物点距离足够小时,就有当两个物点距离足够小时,就有能否分辨的问题。能否分辨的问题。三、光学仪器的分辨本领三、光学仪器的分辨本领第44页,讲稿共64张,创作于星期日点物点物S S1 1的爱里斑中心刚好与另一个点物的爱里斑中心刚好与另一个点物S S2 2的爱里斑边缘(第的爱里斑
22、边缘(第一级暗环)重合时,恰可分辨两物点一级暗环)重合时,恰可分辨两物点2 2、瑞利判据、瑞利判据第45页,讲稿共64张,创作于星期日满足瑞利判据的两像点间的距离,就是光学仪器所能分辨的最小距离。满足瑞利判据的两像点间的距离,就是光学仪器所能分辨的最小距离。分辨率分辨率3 3、光学仪器的分辨率、光学仪器的分辨率人眼的分辨本领人眼的分辨本领设人眼瞳孔直径为设人眼瞳孔直径为D D,可把人眼,可把人眼看成一枚凸透镜,焦距为看成一枚凸透镜,焦距为2020毫毫米,其成象为夫琅和费衍射的米,其成象为夫琅和费衍射的图样。图样。yn=1n=1.336L1212两物点对透镜中心所张的角两物点对透镜中心所张的角
23、0 称为最小分辨角。称为最小分辨角。0 0=1.22/D第46页,讲稿共64张,创作于星期日光学镜头直径越大,分辨率越高。光学镜头直径越大,分辨率越高。地面观测地面观测用哈勃望用哈勃望远镜观测远镜观测电子显微镜拍摄的照片电子显微镜拍摄的照片采用波长较短的光,也可提高分辨率。采用波长较短的光,也可提高分辨率。第47页,讲稿共64张,创作于星期日圆孔衍射公式对人眼、显微镜、望远镜、抛物面式的天线,雷达圆孔衍射公式对人眼、显微镜、望远镜、抛物面式的天线,雷达均成立均成立第48页,讲稿共64张,创作于星期日光的干涉与衍射一样,光的干涉与衍射一样,本质上都是光波相干叠加的结果本质上都是光波相干叠加的结果
24、。干涉是有限个分立光束的相干叠加,衍射是连续的无限个子波的相干涉是有限个分立光束的相干叠加,衍射是连续的无限个子波的相干叠加。干叠加。干涉强调的是不同光束相互影响而形成相长或相消的现象;干涉强调的是不同光束相互影响而形成相长或相消的现象;衍射强调的是光线偏离直线而进入阴影区域。衍射强调的是光线偏离直线而进入阴影区域。四、干涉与衍射的本质四、干涉与衍射的本质第49页,讲稿共64张,创作于星期日上下移动狭缝,明暗条纹位置不变第50页,讲稿共64张,创作于星期日反射光栅反射光栅透射光栅透射光栅1 1、光栅、光栅2 2、光栅衍射的实验装置与衍射图样、光栅衍射的实验装置与衍射图样1010 光栅光栅一、光
25、栅衍射一、光栅衍射 光栅常数光栅常数第51页,讲稿共64张,创作于星期日3 3、光栅衍射图样的形成、光栅衍射图样的形成衍射图样,不随缝的上下移动而变化衍射图样,不随缝的上下移动而变化单缝衍射单缝衍射多缝干涉多缝干涉相邻狭缝对应点在衍射角相邻狭缝对应点在衍射角 方向上满足:方向上满足:则形成明条纹则形成明条纹(a+b)sin =k k=0,1,2,3 abPOf第52页,讲稿共64张,创作于星期日光栅衍射图样是多缝干涉光强分光栅衍射图样是多缝干涉光强分布受单缝衍射光强分布调制的结布受单缝衍射光强分布调制的结果。果。光栅衍射光栅衍射 缺极缺极第53页,讲稿共64张,创作于星期日abPOf垂直入射时
26、的光栅方程垂直入射时的光栅方程abPOf(a+b)sin =k k=0,1,2,3 斜入射时的光栅方程斜入射时的光栅方程(a+b)(sin +sin)=k k=0,1,2,3 4 4、光栅方程、光栅方程一般只讨论垂直入射情况一般只讨论垂直入射情况第54页,讲稿共64张,创作于星期日主极大明条纹中心位置:主极大明条纹中心位置:(a+b)sin =k k=0,1,2,3 5 5、讨论、讨论光栅常数越小,条纹间隔越大光栅常数越小,条纹间隔越大 波长越大条纹间隔越宽波长越大条纹间隔越宽 缝数增大只是使条纹亮度增大与条纹变窄缝数增大只是使条纹亮度增大与条纹变窄 衍射暗纹衍射暗纹干涉明纹干涉明纹k=(a+
27、b)k/ak 为所缺的级次为所缺的级次光栅的缺极光栅的缺极缺极时衍射角同时满足:缺极时衍射角同时满足:(a)1条缝条缝(f)20条缝条缝(e)6条缝条缝(c)3条缝条缝(b)2条缝条缝(d)5条缝条缝第55页,讲稿共64张,创作于星期日6 6、衍射光谱、衍射光谱第56页,讲稿共64张,创作于星期日二、二、X X射线的衍射射线的衍射伦琴(伦琴(W.K.RontgenW.K.Rontgen,1845-19231845-1923)劳厄(劳厄(M.V.LaueM.V.Laue,1879-19601879-1960)布拉格父子(布拉格父子(W.H.Bragg,W.L.Bragg)第57页,讲稿共64张,
28、创作于星期日在乳胶板上形成对称分布的若干衍射斑点,称为在乳胶板上形成对称分布的若干衍射斑点,称为劳厄劳厄斑。斑。劳厄实验证明了劳厄实验证明了X射线的波动性,同时还证实了晶体中原子排列射线的波动性,同时还证实了晶体中原子排列的规则性。的规则性。1 1、劳厄实验、劳厄实验第58页,讲稿共64张,创作于星期日2 2、布拉格布拉格公式公式AB123dCDMNP当当 2dsin=k时各层面上时各层面上的反射光相干相长,形成的反射光相干相长,形成亮点,称为亮点,称为 k 级干涉主极级干涉主极大。大。晶体有很多组平行晶面,晶面间的距离晶体有很多组平行晶面,晶面间的距离 d 各不相同,各不相同,劳厄斑是劳厄斑
29、是由空间分布的亮斑组成。由空间分布的亮斑组成。第59页,讲稿共64张,创作于星期日4 4、X X射线的应用射线的应用第60页,讲稿共64张,创作于星期日例1,波长为500nm和520nm的两种单色光,同时入射在光栅常数为0.002cm的衍射光栅上,紧靠光栅后面,用焦距为2m的透镜把光线汇聚在屏幕上。求这两种单色光的第一级谱线之间的距离和第三级谱线之间的距离。例2,用每厘米有5000条刻痕的衍射光栅观察钠光谱线(=590nm)。问:光线垂直入射,光线以30度角入射时,最多能看到第几级条纹?第61页,讲稿共64张,创作于星期日波动光学复习波动光学复习横波的偏振(马吕斯定律)反射光和折射光的偏振(布儒斯特角)光程和光程差干涉(明纹,暗纹的光程差)衍射(半波带法子波相干)光栅(干涉与衍射的合成)第62页,讲稿共64张,创作于星期日例1,已知地球到月球的距离是3.84108m,设来自月球的光波长为600nm,若在地球上用物镜直径为1m的一天文望远镜观察时,刚好将月球正面一环形山上的两点分辨开,则该两点的距离为多少?例2,用波长=600nm的单色光垂直照射一光栅,测得第二级谱线出现在sin=0.20处,第四级缺级.求:(1)光栅常数;(2)缝宽a;(3)最多能观察到几条谱线.第63页,讲稿共64张,创作于星期日感谢大家观看第64页,讲稿共64张,创作于星期日