chp11-波動光學ke-馬文蔚.ppt

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1、第11章 波動光學基礎,哈勃望遠鏡16年拍攝的 ：,十大奇異罕見的天文奇觀照片： （1）黑極光的秘密，（2）眼中的寬邊帽星系， （3）不在星系里的恒星，（4）乞力馬札羅山上的星光， （5）加拿大育空地區(qū)的極光，（6）新月抱舊月， （7）阿拉斯加上空的彗星與極光，（8）月出西雅圖， （9）流星與極光，（10）日落時的火箭煙痕。,哈勃望遠鏡16年拍攝的 ：,（1）黑極光的秘密，（2）眼中的寬邊帽星系， （3）不在星系里的恒星，（4）乞力馬札羅山上的星光， （5）加拿大育空地區(qū)的極光，（6）新月抱舊月， （7）阿拉斯加上空的彗星與極光，（8）月出西雅圖， （9）流星與極光，（10）日落時的火箭煙痕。

2、,十大奇異罕見的天文奇觀照片：,,11-1 相干光,11-5 邁克耳孫干涉儀,11-4 劈尖 牛頓環(huán),11-3 光程 薄膜干涉,11-2 楊氏雙縫干涉實驗 勞埃德鏡,11-6 光的衍射,117 單縫衍射,11-12 雙折射 偏振棱鏡,11-11 反射光和折射光的偏振,11-10 光的偏振性 馬呂斯定律,11- 9 衍射光柵,11- 8 圓孔衍射 光學儀器的分辨本領,*11-13 液晶顯示,*11-14 幾何光學, 光學研究的內容,1、光的發(fā)射、傳播和吸收的規(guī)律；,、光和物質的相互作用，包括吸收、散射、色散、光的機械作用、光的熱效應、光的電效應、光的化學效應、光的生理效應等；,、光的本質的研究。

3、,1,光的干涉,一、 理解相干光的條件及獲得相干光的方法. 二 、掌握光程的概念以及光程差和相位差的 關系，理解在什么情況下的反射光有相位 躍變. 三、 能分析楊氏雙縫干涉條紋及薄膜等厚干涉 條紋的位置. 四、了解邁克耳遜干涉儀的工作原理.,（光的衍射）,,一、了解惠更斯菲涅耳原理及它對光的衍射現象 的定性解釋. 二、了解用波帶法來分析單縫的夫瑯禾費衍射條紋 分布規(guī)律的方法，會分析縫寬及波長對衍射條 紋分布的影響. 三、理解光柵衍射公式 , 會確定光柵衍射譜線的 位置，會分析光柵常數及波長對光柵衍射譜線 分布的影響. 四、了解衍射對光學儀器分辨率的影響. 五、了解 X 射線的衍

4、射現象和布拉格公式的物理 意義.,,,一. 光源,(1) 熱輻射,(2) 電致發(fā)光,(3) 光致發(fā)光,(4) 化學發(fā)光,能級躍遷,波列長 L = c,自發(fā)輻射,,,非相干(不同原子發(fā)的光),,,非相干(同一原子先后發(fā)的光),,.,.,(5) 同步輻射光源,(6) 激光光源,,,受激輻射,自發(fā)輻射,,,,,,,,,,最基本發(fā)光單元是分子、原子,每次發(fā)光形成一個短短的波列, 各原子各次發(fā)光 相互獨立，各波列互不相干.,11.1 光源 相干光,激光光源：受激輻射。,發(fā)出頻率、相位、 振動方向、 傳播方向相同的光。,光的單色性,單色光：（激光為最好的單色光源.）,復色光：各種頻率復合的光（普

5、通光源）,色散現象,把復色光中各種不同頻率的光分開,形成光譜 稱為光的色散.,普通光源：發(fā)光具有獨立性、隨機性、間歇性,光的單色性,產生單色光的方法,(1)利用色散;,(2)利用濾波片;,(3)利用單色光源;,(4)激光,振動方向相互平行 頻率相同 相位差恒定,兩列光波相干條件,,相干光源: 同一原子的同一次發(fā)光,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,光的干涉 豐富多彩的干涉現象,水膜在白光下,白光下的肥皂膜,11.2 楊氏雙縫干涉實驗 勞埃德鏡,蟬翅在陽光下,蜻蜓翅膀在陽光下,白光下的油膜,肥皂泡玩過嗎?,,,等傾條紋,牛頓環(huán)(等厚條紋),測 油 膜 厚 度,平 晶 間 空 氣 隙 干 涉

6、條 紋,托馬斯.楊,楊(T.Young)在1801年 首先發(fā)現光的干涉現象， 并首次測量了光波的波長。,將科學和藝術并列研究、對生活充滿熱望的天才，我們幾乎可以這樣說： 他生命中的每一天都 沒有虛度。,敢于向牛頓挑戰(zhàn)？ 提出并證明了光的波動性,11.2 楊氏雙縫實驗 勞埃德鏡,托馬斯.楊,英國醫(yī)生、物理學家，光的波動說 的奠基人之一。他不僅在物理學領 域領袖群英、名享世界，而且涉獵 甚廣，光波學、聲波學、流體動力 學、造船工程、潮汐理論、毛細作 用、用擺測量引力、虹的理論 力學、數學、光學、聲學、語言學、 動物學、埃及學他對藝術還頗 有興趣，熱愛美術，幾乎會演奏當 時的所有樂器，并且會制造天文

7、器 材，還研究了保險經濟問題。而且 托馬斯楊擅長騎馬，并且會耍雜技 走鋼絲。,托馬斯.楊,楊氏雙縫干涉實驗 ---物理學最美的十大實驗之一,獲得相干光的方法,,,,,,,,,,,實 驗 裝 置,,一、楊氏雙縫干涉實驗,（分波陣面法）,(1) 相鄰明紋中心或相鄰暗紋中心間距:,(2) 已知 d , D 及x,可測,(3) x 正比 , D ; 反比 d,一定時，若 變化, 則 將怎樣變化？,演示1,一定時， ； 。,單色光照射,1、相鄰兩明、暗條紋等間距，各級明、暗條紋等強度,， 一定時， ； 。,,一定時,條紋間距 與 的關系如何？,演示2,,點對所有波長的光均為零程差 ，

8、中央亮條紋為白色。,,當 較大時，不同級的彩色亮條紋會重疊。,，一定時， ，其余亮條紋為彩色； 波長短的紫光靠近 點。,(4) 白光作為光源時，,,,,在零級白色中央條紋兩邊對稱地排列著紫色---紅色的彩色條紋 。,(1) 明紋間距分別為,(2) 雙縫間距 d 為,雙縫干涉實驗中，用鈉光燈作單色光源，其波長為 589.3 nm，屏與雙縫的距離 D=600 mm,解,求 (1) d =1.0 mm 和 d =10 mm，兩種情況相鄰明條紋間距分別 為多大？(2) 若相鄰條紋的最小分辨距離為 0.065 mm，能分清 干涉條紋的雙縫間距 d 最大是多少？,用白光作光源觀察楊氏雙縫干涉。設縫間距

9、為d ， 縫面與屏距離為 D,解:,最先發(fā)生重疊的是某一級次的紅光和高一級次的紫光,清晰的可見光譜只有一級！,在400 760 nm 范圍內，明紋條件為,求 能觀察到的清晰可見光譜的級次,,二、勞埃德鏡,,,,P,,M,, 干涉條紋特點,與狹縫光源平行、等間距、明暗相間條紋。,把屏幕 移到和鏡面相接觸的位置 ， 和 到接觸點的路程相等，似乎接觸點應出現亮紋。 實驗事實是：接觸點是暗紋！,,實驗表明:,直接射到屏上的光,鏡面反射到屏上的光,,相位相反, 直接射到屏上的光位相不變, 反射光的位相改變了 半波損失,光從光疏介質射向光密介質時，反射光的相位較之入射光的相位躍變了 。 光從光疏介質

10、射向光密介質時,反射光產生半波損失。,資工,如圖 離湖面 h = 0.5 m處有一電磁波接收器位于 C ，當一射電星從地平面漸漸升起時， 接收器斷續(xù)地檢測到一系列極大值 . 已知射電星所發(fā)射的電磁波的波長為20.0 cm,求第一次測到極大值時，射電星的方位與湖面所成角度.,解：波程差,極大時,取,考慮半波損失時，附加波程差取,均可，符號不同， k 取值不同，對問題實質無影響.,,,**射電望遠鏡集錦,,一 光程,光在真空中的速度,光在介質中的速度,介質中的波長,11.3 光程與光程差 薄膜干涉,若時間 t 內光波在介質中傳播的路程為 r , 則相應在真空中傳播的路程應為,,,改變相同相位的條件

11、下,若時間 t 內光波在介質中傳播的路程為 r , 則相應在真空中傳播的路程應為,物理意義： 光在介質中通過的幾何路程折算到真空中的路程.,介質折射率與光的幾何路程之積 =,(1)光程,多種介質,,由光程差計算相位差,(2)光程差 (兩光程之差),,如右圖,平行光束通過透鏡后，會聚于焦平面上成 一亮點，焦點 F、副焦點F 都是亮點，說明 各光線在此同相疊加(光程差=0)。,光線經過透鏡后并不附加 光程差。, 透鏡不引起附加的光程差,物點到象點（亮點）各光線之間的光程差為零。,,而 A、B、C 或 a、b、c 都在同一相面上。說明,各光線等光程,,（物象之間等光程原理）, 透鏡不引起附加的光程差

12、,用折射率 n =1.58 的很薄的云母片覆蓋在雙縫實驗中的一條縫上，這時屏上的第七級亮條紋移到原來的零級亮條紋的位置上。如果入射光波長為 550 nm,解:,設云母片厚度為 d 。無云母片時，零級亮紋在屏上 P 點， 則到達 P 點的兩束光的光程差為零。加上云母片后， 到達P點的兩光束的光程差為,當 P 點為第七級明紋位置時,例,求 此云母片的厚度是多少？,L,,二 薄膜等厚干涉,（分振幅法 ）,？,反射光的光程差,,---加 強,---減 弱,,透射光的光程差,注意：透射光和反射光干涉具有互補 性 ，符合能量守恒定律.,凡入射傾角i相同,其光程差相等,形成同一條紋. 這種不同入射角形成的明

13、暗相間的干涉條紋稱 等傾干涉條紋.,,光線垂直入射時,當 時,當 時,（2束反射光均有半波損失）,此時膜厚d 相同的干涉條紋 級次相同----等厚干涉。,,例 一油輪漏出的油(折射率n1=1.20)污染了某海域, 在海水(n2=1.30)表面形成一層薄薄的油污.,(1)如果太陽正位于海域上空，一直升飛機的駕駛員從機上向正下方觀察，他所正對的油層厚度為460 nm,則他將觀察到油層呈什么顏色？,(2)如果一潛水員潛入該區(qū)域水下，并向正上方觀察，又將看到油層呈什么顏色？,解 (1),綠色,反射光：,,(2)透射光的光程差,紅光,紫光,增透膜和增反膜,利用薄膜干涉可以提高光學器件的透

14、光率 .,增透膜和高反膜(應用),利用反射光干涉減弱(透射光加強)使光能大部分 透射的薄膜,稱為增透膜; 反之為高反膜。,,增透膜增反膜的應用,寬帶增透膜可以減少二次反射產生眩目的光線和虛像， 從而使光學表面的成像更清晰。增透膜許多的應用比如 攝像機鏡頭、儀器面板、雙眼望遠鏡、面板玻璃和望遠鏡。,,取,（增強）,氟化鎂為增透膜,例 為了增加透射率，求氟化鎂膜的最小厚度已知 空氣n1=1.00，氟化鎂 n2=1.38 ，=550 nm,則,,,,,,,,,,,,,,,,,,S,M,,,,,,,,,,,,,,,,,,明紋,暗紋,,同一厚度 d 對應同一級條紋等厚干涉。,,,,,,,,,,劈尖干涉

15、,（明紋）,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(2)相鄰明紋（暗紋）對應的厚度差,(3)條紋間距,(4 )干涉條紋的移動,,,,(2) 測膜厚,,,,劈尖干涉的應用,,,,,(3)檢驗光學元件表面的平整度,等厚條紋,各條紋對應空氣膜厚度相同, 左條紋比右條紋對應空氣膜厚度薄, 彎曲部分在左,如正常膜對應厚度應小, 只有為凹槽才能與右邊平整處有相同空氣膜厚.故不平處為凹槽.,凸起高度（凹槽深度）,,(4)測細絲的直徑,,由一塊平板玻璃和一平凸透鏡組成,,光程差,, 牛頓環(huán),牛頓環(huán)實驗裝置,,顯微鏡,,,,,,,,,,,,S,L,,,,,,,,,,,,,,,M 半透半反鏡,,,,T,,,明紋,暗

16、紋,光程差,說明:,透射光條紋與反射光條紋互補。,(2)牛頓環(huán)為明暗相間的同心圓環(huán),條紋中央疏邊緣密. 牛頓環(huán)的級次外大,內小.,(3)透射情況(n1 n2

17、光的波長大得不多的障礙物時，光會傳到障礙物的陰影區(qū)并形成明暗變化的光強分布的現象。,,11.6 -11.7 光的衍射,縫大,直線傳播； 縫小,衍射,圓孔、圓盤、細絲等尺寸大時為象； 尺寸小時形成明暗相間條紋.,單縫菲涅耳衍射,二. 光的衍射分類,近 場 衍 射,遠 場 衍 射,（衍射角 ：向上為正，向下為負）,,菲涅耳波帶法,三 單縫的夫瑯禾費衍射,半波帶法,(1)原理,光程差為/2時,,單色光入射,,如兩光,兩光相干減弱.,(2)半波帶,對應某方向的衍射,光,將透過狹縫光的波陣面分成,若干條帶,,相鄰條帶對應點,的衍射光到屏上會聚,點的光程差為半個波長.,或同一條帶邊緣

18、衍射光到屏上會聚點的光程差,為半個波長.,(3)結論,相鄰半波帶衍射光屏上相互抵消.,(4)半波帶數目N,取決于狹縫邊緣A, B 衍射光,到屏上會聚點的光程差AC .,,,,2個半波帶時：,3個半波帶時：,,干涉相消(暗紋),干涉加強(“明紋”),（介于明暗之間）,中央明紋中心,二 光強分布,(1) 得到的暗紋和中央明紋位置精確,其它明紋位置 只是近似,(2) 單縫衍射和雙縫干涉條紋比較：,單縫衍射條紋,雙縫干涉條紋,說明,,2. 單縫衍射明紋角寬度和線寬度,中央明紋：角寬度,線寬度,角寬度：,相鄰兩暗紋中心對應的衍射角之差,線寬度：,觀察屏上相鄰兩暗紋中心的間距,,,線寬度,第k 級明紋：

19、角寬度,-----波長越長，縫寬越小,條紋寬度越寬。,,一定， 越大， 越大，衍射效應越明顯.,增大， 減小,一定,減小， 增大,,衍射最大,觀察屏上不出現暗紋。,單縫寬度變化，中央明紋寬度如何變化？,入射波長變化，衍射效應如何變化？,越大， 越大，衍射效應越明顯.,單縫衍射的動態(tài)變化,單縫上移，零級明紋仍在透鏡光軸上.,單縫上下微小移動，根據透鏡成像原理衍射圖不變 .,,白光入射：,,中央（零級）明紋：,白光條紋,所有光的零級,衍射角為零,,相干加強。,其它級,彩色條紋,入射光非垂直入射時光程差的計算,（中央明紋向下移動）,,,（中央明紋向上移動）,,,,,針孔成像改善視力,11- 8 圓孔

20、衍射 光學儀器的分辨本領,,,自然界中的針孔成像：,日蝕時，這些亮圓就顯得殘缺。,太陽透過樹葉間的孔隙所造成的針孔成像--- 小亮圓就是太陽的像,一、圓孔衍射,：艾里斑直徑,11- 8 圓孔衍射 光學儀器的分辨本領,經圓孔衍射后,一個點光源對應一個愛里斑,愛里斑的半角寬度為,二 瑞利判據,對于兩個強度相等的不相干的點光源（物點），一個點光源的衍射圖樣的主極大剛好和另一點光源衍射圖樣的第一極小相重合，這時兩個點光源（或物點）恰為這一光學儀器所分辨.,可分辨,剛可分辨,不可分辨,最小分辨角,三 光學儀器的分辨本領,,,最小分辨角,,哈 勃 太 空 望 遠 鏡,1990 年發(fā)射的哈勃太空望遠鏡的凹面

21、物鏡的直徑為2.4 m，最小分辨角 在大氣層外 615 km 高空繞地運行,可觀察130億光年遠的太空深處，發(fā)現了500 億個星系 .,,例1 設人眼在正常照度下的瞳孔直徑約為3 mm，而在可見光中，人眼最敏感的波長為550 nm，問,(1)人眼的最小分辨角有多大？,(2)若物體放在距人眼25 cm（明視距離）處，則兩物點間距為多大時才能被分辨？,解(1),(2),一. 衍射光柵,1.光柵:,2.光柵常數d,大量等寬等間距的平行狹縫(或反射面)構成的光學元件,11.9 衍射光柵及光柵光譜,,,,,,,,,,,,只考慮單縫衍射強度分布,只考慮雙縫干涉強度分布,雙縫光柵強度分布,,,,3.光柵衍

22、射的基本特點,屏上的強度為單縫衍射和 縫間干涉的共同結果。,,以二縫光柵為例,,結論：,二. 多縫干涉,1. 五縫干涉例子,主極大角位置條件,k 稱為主極大級數,,,,,,,,,相鄰兩縫在 P點引起的光振動相位差為,主極大強度,為主極條件下單縫在 P 點引起光振動矢量的振幅,,,,暗紋條件,各縫光振幅矢量:,相鄰矢量相位差:,暗紋條件,(1) 對五縫干涉，相鄰兩主極大間有4個極小，3個次極大。,結論,I/I ,(2)主極大光強是相應位置處單縫引起光強的 52 倍。,k,,,,,對N 縫干涉,兩主極大間有N - 1個極小， N - 2 個次極大。,衍射屏上總能量,主極大的強度,由能量守恒，主極大

23、的寬度,隨著N 的增大，主極大變得更為尖銳，且主極大間為暗背景,2. N 縫干涉,縫干涉強度分布,縫干涉強度分布,縫干涉強度分布,光柵中狹縫條數越多，明紋越細.,(a)1條縫,(f)20條縫,(e)6條縫,(c)3條縫,(b)2條縫,(d)5條縫,三. 光柵的夫瑯禾費衍射,1. 單縫衍射和縫間干涉的共同結果,,縫間干涉主極大就是光柵衍射主極大，其位置滿足,--- 光柵方程,多縫干涉主極大光強受單縫衍射光強調制，使得主極大光強大小不同，在單縫衍射光強極小處的主極大缺級。,缺級條件,,如,缺級,缺級,3. 缺級條件分析,2. 光柵方程,,,,,4. 暗紋條件,設光柵總縫數為 N，各縫在觀察屏上某點

24、 P 引起的光振動矢量為,為相鄰光振動矢量夾角,暗紋條件,光柵衍射中，兩主極大條紋之間分布著一些暗紋，這是縫間干涉相消而成。,當這些振動矢量組成的多邊形封閉時，合矢量為零，對應點為暗紋，則,其中,,四. 光柵光譜及分辨本領,1. 光柵光譜,,,0級,1級,2級,-2級,-1級,3級,-3級,白光的光柵光譜,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2. 光柵的色分辨本領,( 將波長相差很小的兩個波長 和+ 分開的能力 ),光柵的色分辨率,連續(xù)光譜：熾熱物體光譜 線狀光譜：放電管中氣體放電 帶狀光譜：分子光譜,衍射光譜分類,光譜分析,由于不同元素（或

25、化合物）各有自己 特定的光譜，所以由譜線的成分，可分析出 發(fā)光物質所含的元素或化合物； 還可從譜線的強度定量分析出元素的含量.,,*五. 斜入射的光柵方程,主極大條件,k = 0, 1, 2, 3,,缺級條件,最多明條紋數,,,,,,,,,,,,,p,當 = -90o 時,當 = 90o 時,一束波長為 480 nm 的單色平行光，照射在每毫米內有 600條刻痕的平面透射光柵上。,求,(1) 光線垂直入射時，最多能看到第幾級光譜？,(2) 光線以 30o入射角入射時，最多能看到第幾級光譜？,解：,(1),(2),(2) 斜入射時，可得到更高級次的光譜，提高分辨率。,(1) 斜入射級次分布不對

26、稱,(3) 垂直入射和斜入射相比，完整級次數不變。,(4) 垂直入射和斜入射相比，缺級級次相同。,,,上題中垂直入射級數,斜入射級數,說明,,機械橫波與縱波的區(qū)別,,,,,,,,,,機械波穿過狹縫,,,11.10 光的偏振性 馬呂斯定律,一. 自然光,面對光的傳播方向觀察:,,,自然光可用兩個相互獨立、 沒有固定相位關系、等振幅 且振動方向相互垂直的線 偏振光表示。,自然光的表示法:,,一般光源發(fā)出的光，包含各個方向的光矢量 在所有可能的方向上的振幅都相等。,二互相垂直方向是任選的 .,,某一方向的光振動比與之垂直方向上的光振動 占優(yōu)勢的光為部分偏振光 .,二. 部分偏振光,,部分偏振光的分解

27、,,部分偏振光可用兩個相互 獨立、沒有固定相位關系、 不等振幅且振動方向相互 垂直的線偏振光表示。,,面對光的傳播方向觀察:,部分偏振光的表示法,平行板面的光振動較強,垂直板面的光振動較強,三. 線偏振光 (平面偏振光),（面對光的傳播方向觀察）,線偏振光可沿兩個相互垂直的方向分解:,,,,,,,(光振動平行板面),(光振動垂直板面),表示法:,,光振動只沿某一固定方向的光 .,,,,,四. 起偏和檢偏偏振片,自然光I0,線偏振光I,,偏振化方向,,,,,,,,,,,,,,,線偏振光I,,起偏器,檢偏器,偏振化方向 ： 當自然光照射在偏振片上時，它只讓某一特定方向的光通過，這個方向叫此偏振片的

28、偏振化方向 .,,,,,通光方向,腰橫別扁擔進不了城門,形象說明偏振片的原理,二向色性: 某些物質能吸收某一方向的光振動 , 而只讓與這個方向垂直的光振動通過, 這種性質稱二向色性 .,偏振片：涂有二向色性材料的透明薄片 .,,檢 偏,五. 馬呂斯定律（1808 年）,---(馬呂斯定律),當,平行放置兩偏振片，使它們的偏振化方向成 60 夾 角。讓自然光垂直入射后,下列兩種情況下：,(1) 無吸收時，有,兩偏振片對光振動平行于其偏振化方向的光線 均無吸收,例,求,解,(2) 有吸收時，有,(2) 兩偏振片對光振動平行于其偏振化方向的光線分別吸收了10% 的能量,透射光的光強與入射光的光

29、強之比是多大？,一. 反射和折射產生的偏振,ib 布儒斯特角或起偏角,自然光反射和折射后 產生部分偏振光,線偏振光,ib+=90o 時，反射光為線偏振光,二. 布儒斯特定律,11.11 反射和折射光的偏振 布儒斯特定律,例如 n1 =1.00(空氣)， n2 =1.50(玻璃)，則,空氣,玻璃,玻璃,空氣,,,一般的光學玻璃 ,一次起偏垂直入射面的振動僅很小 部分被反射（約占入射光強度的7.5%） ，所以反射偏 振光很弱 .反射光的強度, 大部分光將透過玻璃。,討論光線的反射和折射(起偏角 ),,,,,,,,,,,,,,,一 雙折射的尋常光和非尋常光,,恒量,,,,,,,,玻璃,折 射 定 律, 11-12 雙折射 偏振棱鏡,光通過雙折射晶體,服從折射定律的光線,不服從折射定律的光線,（一般情況，非常光不在入射面內）,實驗證明： O 光和 光均為偏振光.,,尋常光線 在晶體中各方向上傳播速度相同.,常量,非常光線 晶體中各方向上傳播速度不同,隨方向改變而改變.,為主折射率,,方解石晶體,光軸 在方解石這類晶體中存在一個特殊的方向，當光線沿這一方向傳播時不發(fā)生雙折射現象 .,,,主截面 當光在一晶體表面入射時，此表面的法線與光軸所成的平面.,