大學物理第十一章波動光學.ppt

第十一章 波動光學,11-0 教學基本要求,11-1 光的相干性 光程,11-2 分波面干涉,11-3 分振幅干涉,4-0 第四章教學基本要求,11-4 光的衍射,第十一章 波動光學,4-0 第四章教學基本要求,11-5 衍射光柵,4-0 第四章教學基本要求,11-6 光的偏振,教學基本要求,一、了解獲得相干光的方法，理解光程的概念以及光程差與相位差的關系，掌握光的干涉加強和減弱的條件.,二、掌握楊氏雙縫干涉和薄膜等厚干涉條紋的分布規(guī)律，了解半波損失發(fā)生的條件，了解劈尖干涉的應用.,*三、了解邁克爾遜干涉儀的工作原理和邁克耳孫-莫雷實驗.,四、了解惠更斯-菲涅爾原理，能用菲涅爾半波帶法分析單縫夫瑯禾費衍射條紋的分布規(guī)律，理解縫寬及波長對衍射條紋分布的影響.,五、了解光柵衍射條紋的形成及特點，理解并會應用光柵極大方程，會分析光柵常數(shù)及波長對光柵衍射譜線分布的影響，了解光柵衍射的應用.,*六、了解光柵方程的缺級現(xiàn)象，了解X射線的衍射及應用.,七、理解自然光、線偏振光和部分偏振光的特征及檢驗方法，理解馬呂斯定律，理解布儒斯特定律，了解反射和折射時光的偏振的應用.,11-1 光的相干性 光程,預習要點 普通光源發(fā)光有什么特點？實現(xiàn)穩(wěn)定干涉的條件是什么？ 注意獲得相干光的方法. 什么是光程? 如何用光程差表示兩初相位相同的相干光的相位差以及干涉的加強和減弱的條件？,一、光的相干性,兩束光頻率相同，振動方向一致，有恒定的相位差.,1.產(chǎn)生相干光的條件,2.獲得相干光的方法,把由光源上同一點發(fā)的光分成兩部分，然后再使這兩部分疊加起來.,分波面法,在同一波面上取兩固定點光源，發(fā)出的光構成相干光，這種方法為分波面法. 如楊氏雙縫干涉實驗.,分振幅法,一束光線經(jīng)過介質(zhì)薄膜的反射與折射，形成的兩束光線為相干光，這種方法為分振幅法. 如薄膜干涉、等厚干涉.,二、光程和光程差,則S1、S2傳到P點的光振動的相位差：,兩相干光波在介質(zhì)中以波長 傳播,若 ,1. 光程,所以介質(zhì)中的波長為,由,定義光程: 介質(zhì)折射率n與光的幾何路程r之積 nr.,以n表示的折射率,且,用介質(zhì)中的波長 計算相位差比較麻煩，統(tǒng)一用光在真空中的波長 計算相位差可簡化計算.,物理意義：光程是在引起相同相位改變的條件下，與光在折射率為n的介質(zhì)中的幾何路程r相當?shù)耐粏紊庠谡婵罩械膫鞑ヂ烦蘮r.,如果光線穿過多種介質(zhì)時，其光程為,對應的相位改變,2. 光程差與相位差,假設光在兩種不同介質(zhì)中傳播，則,設光程差為,則,3. 用光程差表示干涉加強和減弱的條件,由,明紋,暗紋,干涉加強,干涉減弱,明紋,暗紋,得,11-2 分波面干涉,預習要點 由楊氏雙縫干涉和洛埃鏡實驗裝置領會分波面干涉裝置的基本特征. 如何由光程出發(fā)，對楊氏雙縫干涉條紋分布規(guī)律做定量分析? 注意半波損失現(xiàn)象的發(fā)生條件.,一、楊氏雙縫干涉,光程差,加強,減弱,（暗紋）,（明紋）,k=0時,零級明紋位于屏幕中央，而且只有一條.,其他各級明紋和暗紋都有兩條，且對稱分布.,條紋間距,可以看出相鄰明紋與相鄰暗紋中心的間距都相同，所以條紋明暗相間平行等距.,明暗條紋中心的位置,二、雙縫干涉光強分布,合光強,若,其中,則,合振幅,由,明紋中心處,暗紋中心處,光強分布曲線入圖,可見，相干疊加使能量的空間分布不均勻，但是總能量守恒.,三、洛埃鏡實驗,*,屏移至L處,一般光從光疏介質(zhì)(光速較大，n較小)正入射或掠入射(入射角為零或接近90。)到光密介質(zhì)(光速較小，n較大)的界面上發(fā)生反射時會發(fā)生相位為 的突變，相當于光程增加或減少了半個波長.,11-3 分振幅干涉,預習要點 什么是等厚干涉? 劈尖的等厚干涉條紋有哪些特點? 劈尖干涉有哪些主要應用? 增透膜與增反膜的基本原理是什么?,一、等厚干涉,1.等厚干涉：在同一干涉條紋下薄膜厚度相同.,如圖：單色光在厚度不均勻的上下兩個表面形成 、 兩束反射光。當單色光垂直射入薄膜表面時， 和近乎平行, 在A處相遇，e為該處薄膜的厚度, 則光程差為,上下表面都存在或都不存在半波損失,兩反射光之一存在半波損失,二、劈尖,用單色平行光垂直照射兩玻璃片G1和G2間的空氣劈尖，形成干涉條紋為平行于劈棱的一系列等厚干涉條紋.,如圖：光從劈尖中空氣入射到玻璃片G2表面時有半波損失，因此,明紋,暗紋,1. 條紋位置,2. 相鄰明紋（暗紋）間的厚度差,3. 條紋間距（明紋或暗紋）,4. 條紋移動,膜上某處光程差改變一個波長，該處將移過一條條紋，如某處移過m條條紋，則該處膜厚改變量,條紋向棱邊方向移動，膜厚增加；反之膜厚減少.,劈尖干涉的應用,測量微小物體的厚度,將微小物體夾在兩薄玻璃片間，形成劈尖，用單色平行光照射.,由,有,檢驗光學元件表面的平整度,由于同一條紋下的空氣薄膜厚度相同，當待測平面上出現(xiàn)溝槽時條紋彎曲.,劈尖干涉的應用,三、牛頓環(huán),將一塊半徑很大的平凸鏡與一塊平板玻璃疊放在一起，用單色平行光垂直照射，由平凸鏡下表面和平板玻璃上表面兩束反射光干涉，產(chǎn)生牛頓環(huán)干涉條紋.,加強,減弱,2. 牛頓環(huán)半徑,明環(huán)由,暗環(huán)由,r=0的地方，是零級暗紋.,若兩玻璃之間為空氣時，n2=1,11-4 光的衍射,預習要點 光的衍射具有哪些特點？什么是夫瑯禾費衍射？ 注意領會惠更斯-費涅耳原理的主要內(nèi)容，以及由此原理處理衍射問題的基本思想. 什么是費涅耳半波帶法？注意怎樣用此方法分析單縫衍射圖樣的形成. 單縫衍射明暗紋位置如何確定？其條紋有何特點？,一、光的衍射現(xiàn)象,光在傳播過程中遇到障礙物，光波會繞過障礙物繼續(xù)傳播，如果波長與障礙物相當，衍射現(xiàn)象最明顯.,衍射現(xiàn)象的特點：,1. 光的衍射是在一定條件下產(chǎn)生的光偏離直線傳播并且光能在空間不均勻分布的現(xiàn)象.,2. 光束在什么地方受到限制，衍射圖樣就在什么方向鋪展，且限制愈甚，鋪展愈甚，即衍射效應愈強.,二、惠更斯-費涅耳原理,惠更斯原理-波在介質(zhì)中傳播到的各點，都可看成新的子波源.,惠更斯原理只能解釋波的衍射，不能給出波的強度.,菲涅耳原理-波傳播到某一點的光強為各個子波在觀察點的干涉疊加.,菲涅耳在惠更斯原理基礎上加以補充，提出子波相干疊加的概念.,波在前進過程中引起前方某點的總振動為面S上各面元dS所產(chǎn)生子波在P點引起分振動的總和.,三、夫瑯禾費單縫衍射,在屏幕上某點P距屏幕中心O點為x，對應該點的衍射角(衍射線與縫平面法線的夾角)為，AB間兩條光線的光程差為 . P點的光強是單縫處各面元上平行光的疊加.,光源、屏與縫相距無限遠，平行光的衍射.,用 / 2 分割 ，過等分點作BC 的平行線，等分點將單縫（即AB波面）分割成數(shù)個半波帶.,相鄰兩波帶的對應點上發(fā)出的子波在P點的相位差為 ，即相鄰半波帶上對應點光程相差半個波長，所產(chǎn)生的光振動完全抵消.,分割成半波帶有三種情況：,（1）可分為偶數(shù)個半波帶；,（2）可分為奇數(shù)個半波帶；,（3）不能分為整數(shù)個半波帶.,1. 半波帶分析法,暗紋,明紋,在P點形成明紋還是暗紋決定于能將BC分成奇數(shù)個半波帶還是偶數(shù)個半波帶, 即由衍射角的大小 決定.,零級明紋,不能分為整數(shù)個半波帶P處光強將會介于相鄰的極大和極小之間.,2. 光強分布,由中央到兩側(cè), 光強迅速下降, 中央明條紋集中了絕大部分光能, 這是因為k越大, 縫被分成的半波帶越多, 而未被抵消的波帶面積越小的緣故.,3. 條紋的角寬度（條紋對透鏡L光心所張的角度）,中央明紋的角的寬度,1. 縫寬對衍射圖樣的影響,縫越窄，衍射就越顯著；縫越寬，衍射就越不明顯. 當縫寬 時，各級衍射條紋向中間靠攏，密集得無法分辨，只顯出單一的明條紋. 即光的直線傳播現(xiàn)象是衍射現(xiàn)象的極限情形.,2. 波長對條紋的影響,當縫寬不變時, 各級條紋的角位置和角寬度因波長而異. 如果用白光入射, 中央明條紋仍為白色, 但由中央至兩側(cè)的其他各級明紋會因波長不同位置相互錯開而呈紫到紅的彩色衍射圖樣, 即衍射光譜.,11-5 衍射光柵,預習要點 光柵衍射條紋有哪些特點? 注意關于光柵衍射條紋形成的分析. 推導光柵方程. 什么是衍射光譜? 光柵有哪些主要應用?,一、光柵衍射條紋的形成和特點,大量等寬等間距的平行狹縫(或反射面)構成的光學元件.,2.光柵常數(shù),透光縫寬度a,不透光縫寬度b,光柵常數(shù):,1.光柵,各單縫分別同時產(chǎn)生單縫衍射. 單獨開放任一縫時，屏上的光強分布即衍射圖樣不變.,3.衍射條紋的形成,光柵的衍射條紋是衍射和干涉的總效果.,圖中虛線與單縫衍射光強分布相似，實線表示實際光強分布. 各縫衍射光線相干使原單縫兩相鄰極小之間又分裂出若干干涉的極大和極小，而這些極大值光強受到單縫衍射光強分布的調(diào)制，因此實際的光強分布體現(xiàn)了單縫衍射和多縫干涉的綜合效應.,兩兩相鄰光線的光程差都相同. 如果在某個方向上，相鄰兩光線光程差為k，則所有光線在該方向上都滿足加強條件.,4.光柵方程,明紋(主極大),光柵中狹縫條數(shù)越多，明紋越亮.,*二、缺級現(xiàn)象,1.光柵衍射是單縫衍射與多縫干涉合成的結(jié)果，光柵中各主極大受到單縫衍射光強的調(diào)制.,2.當光柵明紋處恰滿足單縫衍射暗紋條件，該處光強為0，出現(xiàn)缺級.,3. 缺級條件,由,m為整數(shù)時，光柵譜線中m、2m、3m等處缺級.,得,*三、X射線的衍射,X射線是波長很短的穿透力很強的電磁波.,1912年德國慕尼黑大學的實驗物理學教授馮勞厄用晶體中的衍射拍攝出X射線衍射照片.,相鄰兩個晶面反射的兩X射線干涉加強的條件,稱為布拉格公式., 掠射角,晶格常數(shù),11-6 光的偏振,預習要點 什么叫自然光、偏振光和部分偏振光？如何鑒別它們？ 馬呂斯定律的內(nèi)容如何? 光在兩種介質(zhì)的分界面上發(fā)生反射和折射時， 反射光和折射光的偏振情況如何？ 什么是布儒斯特定律？,一、自然光與偏振光,1.光波的特點,每個光矢量可分解為兩等幅的相互垂直的振動.,由于光源發(fā)光是由大量原子發(fā)光組成，每個原子發(fā)光的振動方向都是隨機的， 和 在各方向的振動都存在. 平均看來，在垂直于傳播方向平面內(nèi)各方向振動概率相等，振動能量也均勻分布在各振動方向上，稱為自然光，不具有偏振性，光波中引起人的視覺的只有 振動， 為光矢量.,光振動可用交替配置的點和短線表示. 點表示垂直于紙面的光振動，短線表示紙面內(nèi)的光振動.,2.偏振光-線偏振光,在垂直于其傳播方向的平面內(nèi)，光矢量 只沿著某個確定的方向振動，這種光是一種完全偏振光，叫線偏振光.,3.部分偏振光,如果在垂直于其傳播方向的平面內(nèi)，光矢量 在某一方向的振動比與之垂直方向上的振動占優(yōu)勢的光為部分偏振光.,二、起偏與檢偏,某些物質(zhì)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,形成偏振光, 這種性質(zhì)稱二向色性.,1.二向色性,2.偏振片和起偏器,涂有二向色性材料的透明薄片. 偏振片用來產(chǎn)生偏振光時叫起偏器.,3.偏振化方向,4.起偏,將自然光轉(zhuǎn)變成偏振光的過程.,5.檢偏,檢測偏振光