波動光學最新課件

1、波動光學PPT課件 (2)第十四章波動光學波動光學PPT課件 (2)幾何幾何光學光學波動波動光學光學量子量子光學光學（粒子說）（粒子說）（波動說）（波動說） （量子說）（量子說）折射，折射，反射反射干涉，干涉，衍射衍射光電光電效應效應波動光學PPT課件 (2)14-1 14-1 光源光源 光的本性光的本性 一、 微粒說與波動說之爭 牛頓的微粒說：牛頓的微粒說： 光是由光源發(fā)出的微粒流。光是由光源發(fā)出的微粒流?；莞沟牟▌诱f：惠更斯的波動說： 光是一種波動。光是一種波動。波動光學PPT課件 (2)光的電磁本性光的電磁本性1801年年，英國物理學家托馬，英國物理學家托馬斯斯楊楊（T. Young，

2、17731829）首先利用雙縫實驗觀察到了光的首先利用雙縫實驗觀察到了光的干涉條紋，從實驗上證實了光的干涉條紋，從實驗上證實了光的波動性。波動性。 1865年年，英國物理學家麥克斯，英國物理學家麥克斯韋從他的電磁場理論預言了電韋從他的電磁場理論預言了電磁波的存在，并認為磁波的存在，并認為光就是一光就是一種電磁波種電磁波。波動光學PPT課件 (2)平面簡諧波的波動表式：平面簡諧波的波動表式：電場強度矢量電場強度矢量磁場強度矢量磁場強度矢量0( , )cosrE r tEtu0( , )cosrH r tHtuuEHOxyz波動光學PPT課件 (2) 的數(shù)值關系的數(shù)值關系,E H EH電磁波的傳播

3、速度電磁波的傳播速度1u介質折射率介質折射率rrcnu 001c 三者相互垂直，切滿足右螺旋關系。三者相互垂直，切滿足右螺旋關系。 電磁波是橫波。電磁波是橫波。,E H C 說明說明真空中的傳播速度真空中的傳播速度/E Hu波動光學PPT課件 (2)可見光的波長范圍： 400 nm 760 nm 電磁波譜電磁波譜 nm/Hz/Hz/m/發(fā)射光波的物體稱為發(fā)射光波的物體稱為光源光源?？梢姽饪梢姽馐悄芤鹗悄芤鹑说囊曈X的部分電磁波。人的視覺的部分電磁波。波動光學PPT課件 (2)光源的最基本發(fā)光單元光源的最基本發(fā)光單元是是分子、原子。分子、原子。處在基態(tài)的電子處在基態(tài)的電子處在激發(fā)態(tài)的電子處在激

4、發(fā)態(tài)的電子原子模型光源的發(fā)光特性：光源的發(fā)光特性：波動光學PPT課件 (2) = (E2- -E1)/hE1E2能級躍遷輻射能級躍遷輻射波列波列波列長波列長 L=L= c c 是波列持續(xù)時間是波列持續(xù)時間普通光源：普通光源：自發(fā)輻射自發(fā)輻射獨立（同一原子不獨立（同一原子不同時刻發(fā)的光）同時刻發(fā)的光）獨立（不同原子同獨立（不同原子同一時刻發(fā)的光）一時刻發(fā)的光）波動光學PPT課件 (2)激光光源：激光光源：受激輻射受激輻射E1E2 完全一樣完全一樣( (頻率、頻率、位相、振動方向，位相、振動方向，傳播方向傳播方向) ) = (E2- -E1)/h 波動光學PPT課件 (2)復色光復色光：不同頻率單

5、色光的混合光：不同頻率單色光的混合光。單色光單色光：具有單一頻率的光波：具有單一頻率的光波。譜線寬度：譜線寬度：光譜曲線光譜曲線0I20I22強度強度波長波長線寬越窄，光線寬越窄，光的單色性越好。的單色性越好。波動光學PPT課件 (2)復色光復色光 波動光學PPT課件 (2) 只有把在同一時刻、從光源的同一部分發(fā)出的只有把在同一時刻、從光源的同一部分發(fā)出的光分成兩束，這兩束光才是相干光光分成兩束，這兩束光才是相干光 兩個獨立光源發(fā)出的光不可能產生干涉兩個獨立光源發(fā)出的光不可能產生干涉干涉條件：干涉條件： 頻率相同，振動方向相同，振幅頻率相同，振動方向相同，振幅相差不大，有恒定的相位差。相差不大

6、，有恒定的相位差。激光光源相干激光光源相干性較好性較好波動光學PPT課件 (2)PS * *分波面法分波面法分振幅法分振幅法P薄膜薄膜S * *波動光學PPT課件 (2)1. .兩列光波的疊加兩列光波的疊加p12r1r2)cos(10101tEE)cos(20202tEEP:)cos(0021tEEEEcos2201022021020EEEEE1020其其 中：中：光波中的電振動矢量光波中的電振動矢量 稱為稱為光矢量光矢量EE0E1E220100波動光學PPT課件 (2) 非相干光源非相干光源 0cosI = I 1 + I 2 非相干疊加非相干疊加 完全相干光源完全相干光源 coscos12

7、122cosIIII Icos 21212IIIII平均光強為平均光強為波動光學PPT課件 (2) (k = 0,1,2,3,)2, k 2121max2IIIIII 相消干涉（暗）相消干涉（暗）(21) k ，2121min2IIIIII (k = 0,1,2,3,) 1coscos1 相長干涉（明）相長干涉（明）干涉圖干涉圖波動光學PPT課件 (2) 頻率相同頻率相同 振動方向相同振動方向相同 相位差恒定相位差恒定相干條件：相干條件：總結：總結：2 =0 1 2(21) =0 1 2kkkk ， ， ，干涉加強干涉加強干涉減弱干涉減弱波動光學PPT課件 (2)一、楊氏雙縫實驗一、楊氏雙縫實

8、驗楊（楊（T.Young）在）在1801年首先用實驗方法研究光的干涉年首先用實驗方法研究光的干涉波動光學PPT課件 (2)鈉黃光的楊氏雙縫干涉條紋鈉黃光的楊氏雙縫干涉條紋波動光學PPT課件 (2)Pr1 r2 xx0 xI xxDdO相干光的獲得：相干光的獲得：分波陣面法分波陣面法D x，D d1x1x光路原理圖：光路原理圖：波動光學PPT課件 (2)21sintanxrrdddDxPr1 r2 x DdO1. 波程差的計算波程差的計算設實驗在真空（或空氣）中進行，則波程差為：設實驗在真空（或空氣）中進行，則波程差為：D x，D d波動光學PPT課件 (2)xDkd明紋明紋212Dkd暗紋暗紋

9、0,1, 2, 3k xdD(21)2k極小k極大12122rr 波動光學PPT課件 (2)1kkxxx DdxDkd212Dkd波動光學PPT課件 (2) Dxd x21r r 1r2rPS0D1S2Sd波動光學PPT課件 (2)12IImax14IImin0II0224646121 22cosIIIII 波動光學PPT課件 (2) 例例 在楊氏雙縫實驗中，設縫間距為在楊氏雙縫實驗中，設縫間距為0.45mm0.45mm，屏幕與縫的距離為屏幕與縫的距離為115cm115cm，現(xiàn)測得十個條紋間距為，現(xiàn)測得十個條紋間距為 15mm15mm。試求所用的單色光的波長。若用白光照射。試求所用的單色光的波

10、長。若用白光照射干涉條紋將如何變化。干涉條紋將如何變化。 解解 兩相鄰條紋的間距兩相鄰條紋的間距1kkDx xxd 330.45 101.5 101.15dxD586.9nm波動光學PPT課件 (2)S1S2P12S PS P屏移動屏移動條紋變化條紋變化波動光學PPT課件 (2)S1S2120S PS PP亮紋亮紋實驗表明：實驗表明：P點出現(xiàn)暗紋點出現(xiàn)暗紋半波損失半波損失波動光學PPT課件 (2)光光 疏疏 媒媒 質質光光 密密 媒媒 質質入射入射反射反射 半半 波波 損損 失失水水空空氣氣波動光學PPT課件 (2)光光 密密 媒媒 質質光光 疏疏 媒媒 質質入射入射反射反射 半半 波波 損損

11、 失失水水空空氣氣波動光學PPT課件 (2)折射光任何情況都折射光任何情況都半波損失半波損失波動光學PPT課件 (2)一、光程的定義一、光程的定義14-4 光程與光程差光程與光程差單色光波長與真空中的波長的關系單色光波長與真空中的波長的關系cTvTnn 波動光學PPT課件 (2)rvtctnct nr光程：光程：光在某一媒質中走過的光在某一媒質中走過的 距離距離r與這一媒質折射率與這一媒質折射率n的乘積。的乘積。lnr波動光學PPT課件 (2)相位差和光程差的關系：相位差和光程差的關系：r1r2S1S2n1n2P21212 2 rr221 10022n rn r221 102 ()n rn r

12、221 1n rn r光程差：光程差：02二、光程差與相位差的關系二、光程差與相位差的關系波動光學PPT課件 (2)2 (21) kk亮紋相位差暗紋22 2(21) 2kk亮紋光程差暗紋0,1,2,k 干涉級數(shù)波動光學PPT課件 (2) 三、透鏡的等光程性：三、透鏡的等光程性： 光通過透鏡成像時，透鏡可光通過透鏡成像時，透鏡可改變光的傳播方向，改變光的傳播方向，但不引起但不引起附加光程差。附加光程差。agcbh.eF屏屏.d.波動光學PPT課件 (2)光的干涉核心問題：光的干涉核心問題：光光 程程 差差幾何路徑幾何路徑介質性質介質性質半波損失半波損失波動光學PPT課件 (2)01S2Sd2rx

13、1rP21()0rrx nx 波動光學PPT課件 (2)21rrN1Nxn75 6.328 101.58 165.46 10m01S2Sd2rx1rP波動光學PPT課件 (2) 光波經薄膜兩表面反射后相互疊加所形成的干光波經薄膜兩表面反射后相互疊加所形成的干涉現(xiàn)象，涉現(xiàn)象，稱為稱為薄膜干涉薄膜干涉。 薄膜干涉可分成薄膜干涉可分成等傾干涉等傾干涉和等厚干涉兩類。和等厚干涉兩類。波動光學PPT課件 (2)1.1.點光源照明點光源照明時的干涉條紋分析時的干涉條紋分析 rL fPO rk環(huán)環(huán)B en1n1n2 n1iA CD21Si 波動光學PPT課件 (2)21()2nABBCn ADreBCABc

14、osiACADsin2tansineri2122 sinsincoscos2n en erirr光束光束1 1、2 2的光程差為的光程差為n1n1n2 n1 rB eiA CD21Si 故故波動光學PPT課件 (2)12sinsinninr由折射定律由折射定律22cos2n er光束光束1 1、2 2的光程差為的光程差為222212 sin( )2e nnii或或得得n1n1n2 n1 rB eiA CD21Si 波動光學PPT課件 (2)（1 1）垂直入射時：）垂直入射時：222212sin2e nni（2 2）光程差光程差 是入射角是入射角i的函數(shù)的函數(shù)，對于同一級條紋具有相同的傾角，對于

15、同一級條紋具有相同的傾角，故稱為故稱為等傾干涉等傾干涉。 i 222n e討論：討論：(21)2kk波動光學PPT課件 (2)222212 sin( )2ennii明紋明紋, 3 , 2 , 1 ,)(kki暗紋暗紋 , 2 , 1 , 0,212kki傾角傾角i相同相同的光線對應的光線對應同一條干涉條紋。同一條干涉條紋。Siiiii i波動光學PPT課件 (2)2sin222122inne圓環(huán)的圓環(huán)的級次級次是是內大外小內大外小。波動光學PPT課件 (2)用白光照射，薄膜上出現(xiàn)用白光照射，薄膜上出現(xiàn)彩色條紋。彩色條紋。 中的附加光程差中的附加光程差 /2/2出現(xiàn)條件：出現(xiàn)條件：當當12312

16、3nnnor nnn時，時， 中無附加光程差中無附加光程差 /2/2。 中有附加光程差中有附加光程差 /2/2。123123nnnor nnn當當時，時，2ne3n1n波動光學PPT課件 (2)222212sine nni222212sine nni0,1,2k (21)2kk1n1ne12nn cB i波動光學PPT課件 (2)3.3.面光源照明時的干涉條紋分析面光源照明時的干涉條紋分析面光源上不同點發(fā)出的光線，凡有相同傾角面光源上不同點發(fā)出的光線，凡有相同傾角的，所形成的干涉環(huán)紋都重疊在一起。的，所形成的干涉環(huán)紋都重疊在一起。 強度相加強度相加，干涉條紋，干涉條紋明亮明亮結果結果: :S波

17、動光學PPT課件 (2)利用薄膜干涉使反射光減小，這樣的薄膜利用薄膜干涉使反射光減小，這樣的薄膜稱為稱為增透膜。增透膜。波動光學PPT課件 (2) 10n5 . 1ne38. 1n2ne(21)2k波動光學PPT課件 (2)min4enmin4nene波動光學PPT課件 (2)2.40Hn 1.38Ln 122Hn ek1,2,k 14Hn eHLZnSMgF2HLZnSMgF2波動光學PPT課件 (2)222Ln ek1,2,k 24Ln e波動光學PPT課件 (2)222212sin2e nnik波動光學PPT課件 (2)22(21)4sinkeni722(21) 4.8 104 1.30

18、.5k 7(21) 1.0 10 mkk=1時有時有7min1.0 10 me222212sin2e nnik波動光學PPT課件 (2)22nek421nek74 1.30 1.0 1021k75.20 1021k75.20 10m71.733 10m222212sin2e nnik波動光學PPT課件 (2)例例 在空氣中白光在空氣中白光垂直照射垂直照射在厚為在厚為0.40 m的玻璃的玻璃片上，玻璃的折射率為片上，玻璃的折射率為n= 1. 50 。試問在可見光范。試問在可見光范圍內（圍內（ =400700nm ），哪些波長的光在反射），哪些波長的光在反射中增強？哪些波長的光在透射中增強？中增強

19、？哪些波長的光在透射中增強？光線垂直入射，反射光增強，光線垂直入射，反射光增強，k222ne(K=1 (K=1 、2 2 、)421nek44 1.5 0.4 102400()2121nmkk12400knm2800knm3480knm4343knm（不可見）（不可見）（不可見）（不可見）（不可見）（不可見）（可見）（可見）波動光學PPT課件 (2)光線垂直入射，透射光增強，光線垂直入射，透射光增強，k22ne(K=0、1 、2 、)2nek42 1.5 0.4 101200()nmkk11200knm2600knm3400knm4300knm（不可見）（不可見）（可見）（可見）（不可見）（不

20、可見）（可見）（可見）波動光學PPT課件 (2)n 22nek(21)2k波動光學PPT課件 (2)22e波動光學PPT課件 (2)明、暗條紋處的膜厚：明、暗條紋處的膜厚：00ke棱邊呈現(xiàn)暗紋棱邊呈現(xiàn)暗紋/41/2nken第一級暗紋第一級暗紋第一級明紋第一級明紋(123)221(012)22kknekk， ， ， ， ，明紋明紋暗紋暗紋波動光學PPT課件 (2)一系列一系列明暗相間的、平行于棱邊明暗相間的、平行于棱邊的的平直條紋。平直條紋。波動光學PPT課件 (2)相鄰明紋（或暗紋）所對應的薄膜相鄰明紋（或暗紋）所對應的薄膜厚度之差厚度之差 相鄰明紋（或暗紋）相鄰明紋（或暗紋）所對應的所對應的

21、薄膜厚度之薄膜厚度之差相同。差相同。e ke ek k+1+1 e 明紋明紋暗紋暗紋1kkeee(21)(21)44kknn2n22knek波動光學PPT課件 (2)兩相鄰明紋（或暗紋）的間距兩相鄰明紋（或暗紋）的間距結論結論： a.a.條紋等間距分布條紋等間距分布b b. .夾角夾角 越小，條紋越疏越小，條紋越疏；反之則密。如；反之則密。如 過大，條紋將密集到難以分辨，就觀察過大，條紋將密集到難以分辨，就觀察不到干涉條紋了。不到干涉條紋了。 L e明紋明紋暗紋暗紋L e sineLe2n波動光學PPT課件 (2)eA2AeB波動光學PPT課件 (2)（5）應用）應用測量細絲直徑或薄膜厚度。測

22、量細絲直徑或薄膜厚度。檢查工件平整度。檢查工件平整度。等厚條紋等厚條紋待測工件待測工件平晶平晶波動光學PPT課件 (2)波動光學PPT課件 (2)d1n2nSiO2Si22n e0,1,k k波動光學PPT課件 (2)22kken6262den106 5893 102 1.5061.1786 10m波動光學PPT課件 (2) 例例 把金屬絲夾在兩塊平玻璃之間，形成把金屬絲夾在兩塊平玻璃之間，形成劈尖，如圖所示劈尖，如圖所示. .某次的測量結果為：單色某次的測量結果為：單色光的波長光的波長 = =589.3 nm金屬絲與劈間頂點間金屬絲與劈間頂點間的距離的距離L=28.880 mm，3030條條

23、明紋間得距離為明紋間得距離為4.295 mm, ,求金屬絲的直徑求金屬絲的直徑D？ LD波動光學PPT課件 (2)解解: : 相鄰兩條明紋間相鄰兩條明紋間距距 空氣層的厚度相差為空氣層的厚度相差為 很小很小代入得代入得 .mml 4 29529sin2lsinDL2LDl39328.880 10589.3 100.057464.2951029D1mmm2波動光學PPT課件 (2)例例 利用空氣劈尖檢測工件表面平整度，利用空氣劈尖檢測工件表面平整度， 在在經過精密加工的工件表面上放一光學平面玻經過精密加工的工件表面上放一光學平面玻璃，璃，使其間形成空氣劈形膜，用單色光照射使其間形成空氣劈形膜，用

24、單色光照射玻璃表面，并在顯微鏡下觀察到干涉條紋，玻璃表面，并在顯微鏡下觀察到干涉條紋，如圖所示，試判斷工件表面是如圖所示，試判斷工件表面是2bah ab hba hek-1ek凹的還是凸的；并證明凹的還是凸的；并證明凹凸深度可用下式求得凹凸深度可用下式求得:波動光學PPT課件 (2)2bah 解解: :如果工件表面是精確的如果工件表面是精確的平面平面, ,等厚干涉條紋等厚干涉條紋應該是等距離的平行直條紋應該是等距離的平行直條紋. .可判斷工件表面可判斷工件表面是下凹的是下凹的. .由圖中相似直角三角形可知由圖中相似直角三角形可知: 所以所以12kkahhbeeab hba hek-1ek2ba

25、h波動光學PPT課件 (2).S分束鏡分束鏡M顯微鏡顯微鏡o 牛頓環(huán)牛頓環(huán)裝置簡圖裝置簡圖平凸透鏡平凸透鏡平晶平晶 (1)(1) 牛頓環(huán)實驗裝置及光路牛頓環(huán)實驗裝置及光路2.等厚干涉等厚干涉-牛頓環(huán)牛頓環(huán)波動光學PPT課件 (2)(2)(2) 反射光光程差的計算反射光光程差的計算eA1222e( 21)2kkk=1,2,.明紋明紋k=0,1,2,.暗紋暗紋光程差：光程差：波動光學PPT課件 (2)22222 e-RRerR(3)(3) 牛頓環(huán)干涉條紋的特征牛頓環(huán)干涉條紋的特征rRe0由幾何關系可知由幾何關系可知222RerR22reR(12 3)221(012)22kknekk， ， ， ，

26、，明紋明紋暗紋暗紋波動光學PPT課件 (2)r =0 ， k=0中心是暗斑中心是暗斑牛頓環(huán)牛頓環(huán)干涉條紋是一系列明暗相間的同心圓環(huán)。干涉條紋是一系列明暗相間的同心圓環(huán)。11,2RkrR明環(huán)明環(huán)暗環(huán)暗環(huán)(1 2)12 3012kRkrkRk， ， ， ， ，明環(huán)明環(huán)暗環(huán)暗環(huán)波動光學PPT課件 (2)相鄰暗環(huán)的間距相鄰暗環(huán)的間距內疏外密內疏外密(1 2)123012kRkrkRk， ， ， ， ，明環(huán)明環(huán)暗環(huán)暗環(huán)波動光學PPT課件 (2)牛頓環(huán)干涉是一系列明暗相間的、牛頓環(huán)干涉是一系列明暗相間的、內疏外密內疏外密的同心圓環(huán)的同心圓環(huán)。波動光學PPT課件 (2) 測透鏡球面的半徑測透鏡球面的半徑R 已知已知 , 測測 m、rk+m、