大學(xué)物理波動(dòng)光學(xué)四課件

1、大學(xué)物理波動(dòng)光學(xué)四波的疊加原理波的疊加原理干涉現(xiàn)象干涉現(xiàn)象惠更斯惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理衍射現(xiàn)象衍射現(xiàn)象二者關(guān)系？二者關(guān)系？一一. . 衍射現(xiàn)象衍射現(xiàn)象光偏離直線傳播路徑進(jìn)入幾何光偏離直線傳播路徑進(jìn)入幾何陰影區(qū)，并形成光強(qiáng)非均勻穩(wěn)陰影區(qū)，并形成光強(qiáng)非均勻穩(wěn)定分布。定分布。波遇到障礙物時(shí)，繞過(guò)障礙物波遇到障礙物時(shí)，繞過(guò)障礙物進(jìn)入幾何陰影區(qū)。進(jìn)入幾何陰影區(qū)。大學(xué)物理波動(dòng)光學(xué)四大學(xué)物理波動(dòng)光學(xué)四二二. .惠更斯惠更斯- -菲涅耳原理菲涅耳原理成功：成功：可解釋衍射成因，用幾何法作出新的波面，可解釋衍射成因，用幾何法作出新的波面， 推導(dǎo)反射、折射定律推導(dǎo)反射、折射定律不足：不足：不能定量說(shuō)明衍射波

2、的強(qiáng)度分布不能定量說(shuō)明衍射波的強(qiáng)度分布1、惠更斯原理、惠更斯原理 波面上的每一點(diǎn)均為發(fā)波面上的每一點(diǎn)均為發(fā)射子波的波源，這些子波的射子波的波源，這些子波的包絡(luò)面即新的波陣面包絡(luò)面即新的波陣面障礙物障礙物入射波入射波衍射波衍射波大學(xué)物理波動(dòng)光學(xué)四2、菲涅耳原理、菲涅耳原理 對(duì)子波的振幅和相位作了定量描述對(duì)子波的振幅和相位作了定量描述 波面上各面元波面上各面元子波源子波源rps dsn）各各子子波波初初相相相相同同（0 :點(diǎn)點(diǎn)相相位位子子波波在在p rt20 :點(diǎn)振幅點(diǎn)振幅子波在子波在psad)cos1(21 ;1ra 大學(xué)物理波動(dòng)光學(xué)四 空間任一點(diǎn)振動(dòng)為所有子波在該點(diǎn)相干疊加的結(jié)果空間任一點(diǎn)振動(dòng)

3、為所有子波在該點(diǎn)相干疊加的結(jié)果合振動(dòng)：合振動(dòng)： d衍射本質(zhì)：衍射本質(zhì)： 子波的相干疊加子波的相干疊加有限個(gè)分立相干波疊加有限個(gè)分立相干波疊加 干涉干涉無(wú)限多個(gè)連續(xù)分布子波源相干疊加無(wú)限多個(gè)連續(xù)分布子波源相干疊加 衍射衍射傾斜因子：傾斜因子： )cos1(21)( f1)0( 21)2( 0)( 子波：子波：srtrcd)2cos()cos1 (2d0 大學(xué)物理波動(dòng)光學(xué)四三三. 衍射分類(lèi)衍射分類(lèi)菲涅耳衍射（近場(chǎng)衍射）：菲涅耳衍射（近場(chǎng)衍射）：夫瑯和費(fèi)衍射（遠(yuǎn)場(chǎng)衍射）夫瑯和費(fèi)衍射（遠(yuǎn)場(chǎng)衍射）: :1l2l波源波源 障礙物障礙物 屏屏無(wú)限遠(yuǎn)無(wú)限遠(yuǎn)無(wú)限遠(yuǎn)無(wú)限遠(yuǎn)即平行光衍射即平行光衍射信息光學(xué)（現(xiàn)代光學(xué)

4、分支）信息光學(xué)（現(xiàn)代光學(xué)分支）（或二者之一有限遠(yuǎn)）（或二者之一有限遠(yuǎn)）波源波源 障礙物障礙物 屏屏距離距離有限有限距離距離有限有限大學(xué)物理波動(dòng)光學(xué)四一一. 單縫夫瑯和費(fèi)衍射單縫夫瑯和費(fèi)衍射1. 裝置：裝置：衍衍射射角角 縫寬縫寬a: 其上每一點(diǎn)均為子波源，發(fā)出衍射光其上每一點(diǎn)均為子波源，發(fā)出衍射光衍射光線與波面法線夾角衍射光線與波面法線夾角大學(xué)物理波動(dòng)光學(xué)四焦平面上焦平面上的的屏置于屏置于2l0 fl 焦焦點(diǎn)點(diǎn)衍衍射射光光線線匯匯集集于于20 中央明紋中心中央明紋中心0 pl 焦焦平平面面上上某某點(diǎn)點(diǎn)衍衍射射光光線線匯匯集集于于20 p處光強(qiáng)可由菲涅耳公式計(jì)算處光強(qiáng)可由菲涅耳公式計(jì)算介紹確定介

5、紹確定p光強(qiáng)的兩種簡(jiǎn)便方法光強(qiáng)的兩種簡(jiǎn)便方法大學(xué)物理波動(dòng)光學(xué)四2. 菲涅耳波帶法（半定量方法）菲涅耳波帶法（半定量方法）22 n，設(shè)，設(shè)去分去分用用對(duì)應(yīng)的單縫對(duì)應(yīng)的單縫a被分為被分為n個(gè)半波帶個(gè)半波帶光光線線的的最最大大光光程程差差：的的一一束束平平行行衍衍射射角角為為 sinabc .a2a12.a3.cabaxfpa4大學(xué)物理波動(dòng)光學(xué)四0 n0 對(duì)應(yīng)中央明紋中心對(duì)應(yīng)中央明紋中心n為偶數(shù)：為偶數(shù)： ，線線相相鄰鄰兩兩半半波波帶帶中中對(duì)對(duì)應(yīng)應(yīng)光光2兩兩相消，屏上相聚點(diǎn)為暗紋兩兩相消，屏上相聚點(diǎn)為暗紋n為奇數(shù)為奇數(shù):剩下一個(gè)半波帶中的衍射光線未被抵消剩下一個(gè)半波帶中的衍射光線未被抵消對(duì)應(yīng)的屏上相

6、聚點(diǎn)為明紋中心對(duì)應(yīng)的屏上相聚點(diǎn)為明紋中心整整數(shù)數(shù)： n對(duì)應(yīng)非明、暗紋中心的其余位置對(duì)應(yīng)非明、暗紋中心的其余位置 .a2a12.a3.cabaxfpa4大學(xué)物理波動(dòng)光學(xué)四isin 0aa2325aa2523*明暗紋條件：明暗紋條件： sina02)12( k中央明紋中心中央明紋中心各級(jí)明紋中心各級(jí)明紋中心 k 暗紋暗紋321、 k注意：注意：0 k大學(xué)物理波動(dòng)光學(xué)四二者明暗紋條件是否二者明暗紋條件是否相互矛盾相互矛盾?maxa 討論： 雙縫干涉中雙縫干涉中 k 2)12( k明明暗暗、 210 k單縫衍射中單縫衍射中2)12( k k 明明暗暗、 21 k大學(xué)物理波動(dòng)光學(xué)四中央明紋中央明紋一級(jí)明

7、一級(jí)明紋紋二級(jí)明二級(jí)明紋紋一級(jí)一級(jí)暗紋暗紋二級(jí)二級(jí)暗紋暗紋三級(jí)三級(jí)暗紋暗紋sin0aa23a2a3aa2522222 單縫衍射明暗紋條件中單縫衍射明暗紋條件中k值為什么不能取零？值為什么不能取零？2暗紋公式中暗紋公式中0 k0 為中央明紋中心，不是暗紋為中央明紋中心，不是暗紋明紋公式中明紋公式中0 k2 仍在中央明紋區(qū)內(nèi)仍在中央明紋區(qū)內(nèi)不是明紋中心不是明紋中心大學(xué)物理波動(dòng)光學(xué)四 計(jì)算衍射條紋角寬度計(jì)算衍射條紋角寬度 sin0ak 中央明紋中心中央明紋中心暗紋暗紋ak2)12( 明紋明紋、 21k中央明紋中央明紋a 2 其余明紋其余明紋a 大學(xué)物理波動(dòng)光學(xué)四 計(jì)算衍射條紋線寬度計(jì)算衍射條紋線寬度

8、 tgfx )12 tg(tg fx ffx)(12中央明紋中央明紋fax 2其余明紋其余明紋fax fox 2l大學(xué)物理波動(dòng)光學(xué)四 條紋亮度分布是否均勻，為什么？條紋亮度分布是否均勻，為什么？中央明紋集中大部分能量，中央明紋集中大部分能量，明條紋級(jí)次越高亮度越弱。明條紋級(jí)次越高亮度越弱。i屏幕屏幕中央明紋中心中央明紋中心:全部光線干涉相長(zhǎng)全部光線干涉相長(zhǎng)一級(jí)明紋中心一級(jí)明紋中心:部分光線干涉相長(zhǎng)部分光線干涉相長(zhǎng)31二級(jí)明紋中心二級(jí)明紋中心:部分光線干涉相長(zhǎng)部分光線干涉相長(zhǎng)51由菲涅爾波帶法：由菲涅爾波帶法：大學(xué)物理波動(dòng)光學(xué)四一定一定 a 衍射顯著衍射顯著a光強(qiáng)太弱光強(qiáng)太弱 a 衍射不明顯衍射

9、不明顯a直線傳播直線傳播一定一定a 白光照射，中央白色，其余明紋形白光照射，中央白色，其余明紋形成內(nèi)紫外紅光譜，高級(jí)次重疊成內(nèi)紫外紅光譜，高級(jí)次重疊 浸入液體中、條紋變密浸入液體中、條紋變密的的變變化化、討討論論條條紋紋隨隨a 大學(xué)物理波動(dòng)光學(xué)四大學(xué)物理波動(dòng)光學(xué)四若是平行光非垂直入射，得出光程差公式和明暗紋條件若是平行光非垂直入射，得出光程差公式和明暗紋條件a a sinsinaa sinsinaa sinsinaa0中央明紋中心中央明紋中心 k 暗暗2)12( k明明321 、 k大學(xué)物理波動(dòng)光學(xué)四3.振幅矢量疊加法（定量）振幅矢量疊加法（定量）每條光線在屏上引起光振動(dòng)振幅相等每條光線在屏上

10、引起光振動(dòng)振幅相等naaa21)(na將將a劃分為劃分為n個(gè)等寬個(gè)等寬的狹窄波帶，設(shè)每個(gè)波帶的狹窄波帶，設(shè)每個(gè)波帶內(nèi)能量集中于圖中所示光線內(nèi)能量集中于圖中所示光線兩相鄰光線相位差兩相鄰光線相位差 sin22na 兩相鄰光線光程差兩相鄰光線光程差 sinna )2( 不不一一定定為為大學(xué)物理波動(dòng)光學(xué)四1ana2ao xrc na(p.23 例一例一)用多邊形法則進(jìn)行用多邊形法則進(jìn)行n個(gè)大小相等、個(gè)大小相等、兩兩依次相差為兩兩依次相差為 的光振動(dòng)的疊加的光振動(dòng)的疊加2sin21 ra 2sin2 nra 22sin22sin2sin2sin111 nnnananaa 大學(xué)物理波動(dòng)光學(xué)四令令 sin

11、2an 10naa 即中央明紋中心處振幅即中央明紋中心處振幅 sin0aa 20)sin( ii 中央明紋光強(qiáng)中央明紋光強(qiáng)則則為為中中央央明明紋紋光光強(qiáng)強(qiáng)式式中中210)(nai 得極值位置得極值位置作光強(qiáng)曲線，令作光強(qiáng)曲線，令0 i大學(xué)物理波動(dòng)光學(xué)四明紋：明紋：,46. 2,43. 1, 0sinaa 暗紋：暗紋：,3,2,sinaaa 請(qǐng)與半波帶法比較請(qǐng)與半波帶法比較大學(xué)物理波動(dòng)光學(xué)四2.條紋：條紋：明暗相間同心圓環(huán)明暗相間同心圓環(huán)中央亮紋：愛(ài)里斑中央亮紋：愛(ài)里斑二、圓孔夫瑯和費(fèi)衍射二、圓孔夫瑯和費(fèi)衍射集中大部分能量集中大部分能量角寬度為其余明紋角寬度為其余明紋2倍倍半角寬度：半角寬度：d

12、 22. 1s*1. 裝置：裝置：大學(xué)物理波動(dòng)光學(xué)四 瑞利準(zhǔn)則：瑞利準(zhǔn)則：第一個(gè)象的愛(ài)里斑邊沿與第二個(gè)象的愛(ài)第一個(gè)象的愛(ài)里斑邊沿與第二個(gè)象的愛(ài)里斑中心重合里斑中心重合 恰能分辨恰能分辨愛(ài)里斑愛(ài)里斑3、 光學(xué)儀器分辨率光學(xué)儀器分辨率物鏡物鏡 圓孔圓孔物點(diǎn)的象物點(diǎn)的象 衍射圖樣衍射圖樣 大學(xué)物理波動(dòng)光學(xué)四大學(xué)物理波動(dòng)光學(xué)四光學(xué)顯微鏡光學(xué)顯微鏡 0.2 m電子顯微鏡電子顯微鏡 oa1掃描遂道顯微鏡掃描遂道顯微鏡oa010最小分辨角：最小分辨角：d 221 光學(xué)儀器分辨率光學(xué)儀器分辨率 d 22111提高分辨率途徑提高分辨率途徑 ,d大學(xué)物理波動(dòng)光學(xué)四聲納起水下雷達(dá)的作用，現(xiàn)有一潛水艇停在水聲納起水下雷達(dá)的作用，現(xiàn)有一潛水艇停在水下下100m處，艇上聲納喇叭向前發(fā)射聲波，習(xí)處，艇上聲納喇叭向前發(fā)射聲波，習(xí)慣上以第一級(jí)衍射極小對(duì)應(yīng)的張角為波的覆蓋慣上以第一級(jí)衍射極小對(duì)應(yīng)的張角為波的覆蓋范圍?，F(xiàn)設(shè)潛水艇前上方海面有一敵艦，二者范圍。現(xiàn)設(shè)潛水艇前上方海面有一敵艦，二者相距相距1000m，請(qǐng)你為潛水艇聲納設(shè)計(jì)一個(gè)喇叭，請(qǐng)你為潛水艇聲納設(shè)計(jì)一個(gè)喇叭，給出形狀和尺寸，使該聲納使用給出形狀和尺寸，使該聲納使用=10cm聲納聲納時(shí)，信號(hào)在水平方向覆蓋范圍張角為時(shí)，信號(hào)在水平方向