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文檔簡介
1、關(guān)于大學(xué)物理波動(dòng)光學(xué)第1頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三光矢量的振動(dòng)相對(duì)于傳播方向的不對(duì)稱性,稱為光的偏振性。1、線偏振光(完全偏振光)2、自然光3、部分偏振光偏振度 第2頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三二、偏振片的起偏和檢偏1、偏振片工作原理只允許沿某一特定方向的光矢量通過的光學(xué)器件2、起偏自然光偏振光偏振化方向具有豎直偏振方向的偏振膜第3頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三3、檢偏(旋轉(zhuǎn)偏振片)自然光:透射光強(qiáng)度不發(fā)生變化線偏振光:透射光發(fā)生明暗變化部分偏振光:透射光發(fā)生明暗變化第4頁,共64頁,2022年,5月20
2、日,19點(diǎn)54分,星期三三、馬呂斯定律定量研究線偏振光通過偏振片后光強(qiáng)的變化規(guī)律P12I0自然光I0EE/P2馬呂斯定律第5頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三102 反射光和折射光的偏振1、反射光中垂直振動(dòng)強(qiáng)于平行的振動(dòng);2、折射光中平行的振動(dòng)強(qiáng)于垂直振動(dòng);3、反射光、折射光偏振化的程度隨入射角變化。n2n1第6頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三布儒斯特定律 這個(gè)特定的角稱為布儒斯特角;此時(shí)折射光仍為部分偏振光;此時(shí)反射光與折射光互相垂直。n2n1入射角為某一特定值時(shí),反射光中只有垂直振動(dòng)第7頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星
3、期三103 光的雙折射現(xiàn)象自然光O光e光方解石一、雙折射現(xiàn)象同一束光線通過折射后分為兩束的現(xiàn)象結(jié)論:o光、e光都是線偏振光第8頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三二、雙折射現(xiàn)象的解釋 光在各向異性介質(zhì)中的傳播速度與光的傳播方向、光矢量的振動(dòng)方向有關(guān),現(xiàn)象:o光、e光在晶體中的傳播速度不同本質(zhì):晶體各向異性及電矢量對(duì)晶體極化程度共同作用所致 第9頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三回顧:振動(dòng)疊加,波的疊加同頻率的平行簡諧振動(dòng)的合成第10頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三波的疊加相遇點(diǎn)分振動(dòng)的相位差:干涉相長 干涉相消 若波程差
4、第11頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三104 光波的疊加 光程一、光波的相干疊加 相干光必須滿足的條件:光振動(dòng)的頻率相同,振動(dòng)方向相同,相位差恒定。 可見度 第12頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三光強(qiáng)分布曲線,以及干涉圖樣第13頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三二、光波的非相干疊加 1、普通光源的發(fā)光機(jī)制自發(fā)輻射2、普通光源的發(fā)光特點(diǎn)間歇性、無規(guī)則性3、從普通光源獲得相干光的方法 分波振面法 分振幅法 第14頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三光程:光在媒質(zhì)中傳播的距離與媒質(zhì)折射率的乘積光程差:兩
5、個(gè)相干光的光程之差三、光程 意義:把光波在媒質(zhì)中傳播的距離折算為在相同時(shí)間內(nèi)在真空中傳播的相應(yīng)距離注意:考慮反射可能引發(fā)的半波損失第15頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三使用薄透鏡不引起附加光程差 第16頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三105 雙縫干涉 一、楊氏雙縫干涉第17頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三二、 干涉圖樣分析 1.干涉條紋的形狀:與雙縫平行的一組明暗相間彼此等間距的直條紋,對(duì)稱分布2.明、暗條紋位置r2r1OPxdS2S1D明條紋(中心)位置:暗條紋(中心)位置:3、同類條紋間距:第18頁,共64頁,2
6、022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三4.光強(qiáng)分布曲線5、干涉條紋的特點(diǎn)雙縫干涉條紋是與雙縫平行的一組明暗相間彼此等間距的直條紋,對(duì)稱分布。第19頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三光源S位置改變雙縫間距d 改變雙縫與屏幕間距D 改變?nèi)肷涔獠ㄩL改變 6、討論 (1)波長及裝置結(jié)構(gòu)變化(2)介質(zhì)的影響 在S1后加透明介質(zhì)薄膜把整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置置于折射率為n的介質(zhì)中 第20頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三三、 雙縫性的其它干涉裝置 1、菲涅耳雙面鏡干涉實(shí)驗(yàn)兩個(gè)虛光源的干涉現(xiàn)象 2、洛埃鏡實(shí)驗(yàn)實(shí)光源與虛光源的干涉現(xiàn)象反相位的相干光源 第21頁,共64頁
7、,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三106 等厚干涉和等傾干涉一、薄膜干涉 薄膜干涉屬于分振幅法光程差 相同的入射角對(duì)應(yīng)同一級(jí)條紋。因此,稱為薄膜等傾干涉第22頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三對(duì)于同一厚度的薄膜,在某一方向觀察到某一波長對(duì)應(yīng)反射光相干相長,則該波長在對(duì)應(yīng)方向的透射光一定相干相消。滿足能量守恒。應(yīng)用:增透膜、增反膜二、等厚干涉 1、劈尖干涉透射光的干涉:第23頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三明紋中心暗紋中心特點(diǎn):空氣劈尖相鄰明條紋對(duì)應(yīng)的厚度差:若劈尖間是折射率為 n2 的介質(zhì),則:劈尖干涉條紋是一系列等間距、明暗相間的
8、平行直條紋明紋或暗紋之間間距第24頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三反射光干涉公式2、牛頓環(huán)第25頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三明環(huán)中心暗環(huán)中心(反射光牛頓環(huán))討論:中心為暗環(huán),級(jí)次最低。 離開中心越遠(yuǎn),圓條紋間距越小。 透射光干涉條紋與反射光的明暗互補(bǔ)。 用白光時(shí)將產(chǎn)生彩色條紋。 玻璃片與平凸透鏡間距變化反射牛頓環(huán)半徑oR曲率半徑re應(yīng)用:測量光的波長;測量平凸透鏡的曲率半徑;檢查透鏡的質(zhì)量第26頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三三、等傾干涉 不同傾角的透射光穿過等厚薄膜產(chǎn)生干涉 四、干涉現(xiàn)象的應(yīng)用 測定氣態(tài)物質(zhì)的折
9、射率 檢查表面質(zhì)量 測量長度的微小變化 牛頓環(huán)測平凸透鏡的曲率半徑 鍍膜光學(xué)元件ab第27頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三107 邁克耳孫干涉儀 時(shí)間相干性一、邁克耳孫干涉儀fG1G2M2M1光源1212T第28頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三M1與M2嚴(yán)格垂直等傾干涉M1與M2不垂直等厚干涉記下平移的距離,可測量入射光的波長測樣品參數(shù)測定光譜線的波長;測定遠(yuǎn)距離星體的直徑以及檢查透鏡和棱鏡的光學(xué)質(zhì)量邁克耳孫干涉儀的應(yīng)用二、時(shí)間相干性 2、相干長度波列長度 L3、相干時(shí)間原子發(fā)光的持續(xù)時(shí)間 t 1、光源發(fā)光特點(diǎn) 第29頁,共64頁,2022年
10、,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三108 惠更斯菲涅爾原理 一、光的衍射現(xiàn)象單縫KabS光源(a)屏幕E屏幕E單縫KaS光源(b)b波在傳播過程中遇到障礙物,能夠繞過障礙物的邊緣前進(jìn)這種偏離直線傳播的現(xiàn)象稱為衍射現(xiàn)象。條件:d第30頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三從同一波面上各點(diǎn)發(fā)出的子波,在傳播到空間某一點(diǎn)時(shí),各個(gè)子波之間也可以相互疊加而產(chǎn)生干涉惠更斯菲涅耳原理二、 惠更斯-菲涅耳原理“子波相干”數(shù)學(xué)表達(dá)式第31頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三三、衍射的分類1.菲涅耳衍射2.夫瑯和費(fèi)衍射光源衍射屏接收屏距離為有限遠(yuǎn)。光源衍射屏接收屏距離為無
11、限遠(yuǎn)。光源障礙物接收屏光源障礙物接收屏障礙物接收屏第32頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三109 單縫和圓孔的夫瑯和費(fèi)衍射2.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明暗相間平行于單縫的衍射條紋;中央明紋明亮且較寬;兩側(cè)對(duì)稱分布著其它明紋。一、單縫夫瑯和費(fèi)衍射1.實(shí)驗(yàn)裝置光源在透鏡 1 的物方焦平面接收屏在 2 的像方焦平面12第33頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三菲涅耳半波帶作圖 3、菲涅耳半波帶法解釋單縫衍射ABaasinC單縫PBAA,B兩條平行光線之間的光程差 BC=asin第34頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三第35頁,共64頁,2022年
12、,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三第36頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三半波原理:任何兩個(gè)相鄰半波帶所發(fā)出的光線在匯聚點(diǎn)相互抵消.推廣:當(dāng)BC是/2的偶數(shù)倍,所有波帶成對(duì)抵消,P點(diǎn)暗當(dāng)BC是/2的奇數(shù)倍,所有波帶成對(duì)抵消后留下一個(gè)波帶,P點(diǎn)明特點(diǎn):將波面分成整數(shù)個(gè)半波帶,相鄰波帶的相位差為明暗條紋條件暗紋中心明紋中心第37頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三第38頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三半波原理:任何兩個(gè)相鄰半波帶所發(fā)出的光線在匯聚點(diǎn)相互抵消.推廣:當(dāng)BC是/2的偶數(shù)倍,所有波帶成對(duì)抵消,P點(diǎn)暗當(dāng)BC是/2的奇數(shù)
13、倍,所有波帶成對(duì)抵消后留下一個(gè)波帶,P點(diǎn)明特點(diǎn):將波面分成整數(shù)個(gè)半波帶,相鄰波帶的相位差為明暗條紋條件暗紋中心明紋中心中央明紋區(qū)第39頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三明,暗條紋在接收屏上的位置暗紋中心明紋中心單縫半角寬度 第40頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三中央明條紋的寬度:(焦距 f )其它各級(jí)明條紋的寬度為中央明條紋寬度的一半。條紋寬度幾何光學(xué)是 波動(dòng)光學(xué)在 a時(shí)的極限情況。第41頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三條紋亮度中央明紋: asin=0 所有子波干涉加強(qiáng);第一級(jí)明紋:k=1,三個(gè)半波帶,兩個(gè)干涉相消 (
14、1/3)第二級(jí)明紋:k=2,五個(gè)半波帶,四個(gè)干涉相消 (1/5)衍射光譜波長對(duì)衍射條紋的影響第42頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三2 愛里斑:第一暗環(huán)對(duì)應(yīng)的衍射角0稱為愛里斑的半角寬度愛里斑的半徑:中央明區(qū)集中了衍射光能的83.5%二、圓孔夫瑯和費(fèi)衍射1、實(shí)驗(yàn)裝置及衍射圖樣衍射圖象:中央是個(gè)明亮的圓斑,外圍是一組明暗相間的同心圓。第43頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三點(diǎn)物S像SL1、物與像的關(guān)系物理光學(xué) 像點(diǎn)是愛理斑SLSO幾何光學(xué) 像點(diǎn)是幾何點(diǎn)SLSO問題的出現(xiàn):點(diǎn)物S和S1在透鏡的焦平面上呈現(xiàn)兩個(gè)愛理斑,屏上總光強(qiáng)為兩衍射光斑的非相干迭加
15、。S1SS1SAf1f2OS1SSS1LO當(dāng)兩個(gè)物點(diǎn)距離足夠小時(shí),就有能否分辨的問題。三、光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)第44頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三點(diǎn)物S1的愛里斑中心剛好與另一個(gè)點(diǎn)物S2的愛里斑邊緣(第一級(jí)暗環(huán))重合時(shí),恰可分辨兩物點(diǎn)2、瑞利判據(jù)第45頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三滿足瑞利判據(jù)的兩像點(diǎn)間的距離,就是光學(xué)儀器所能分辨的最小距離。分辨率3、光學(xué)儀器的分辨率人眼的分辨本領(lǐng)設(shè)人眼瞳孔直徑為D,可把人眼看成一枚凸透鏡,焦距為20毫米,其成象為夫瑯和費(fèi)衍射的圖樣。yn=1n=1.336L1212兩物點(diǎn)對(duì)透鏡中心所張的角0 稱為最小分辨角
16、。 0=1.22/D第46頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三光學(xué)鏡頭直徑越大,分辨率越高。地面觀測用哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測電子顯微鏡拍攝的照片采用波長較短的光,也可提高分辨率。第47頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三圓孔衍射公式對(duì)人眼、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、拋物面式的天線,雷達(dá)均成立第48頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三光的干涉與衍射一樣,本質(zhì)上都是光波相干疊加的結(jié)果。干涉是有限個(gè)分立光束的相干疊加,衍射是連續(xù)的無限個(gè)子波的相干疊加。干涉強(qiáng)調(diào)的是不同光束相互影響而形成相長或相消的現(xiàn)象;衍射強(qiáng)調(diào)的是光線偏離直線而進(jìn)入陰影區(qū)域。四、干涉與
17、衍射的本質(zhì)第49頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三上下移動(dòng)狹縫,明暗條紋位置不變第50頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三反射光柵透射光柵1、光柵2、光柵衍射的實(shí)驗(yàn)裝置與衍射圖樣1010 光柵一、光柵衍射 光柵常數(shù)第51頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三3、光柵衍射圖樣的形成衍射圖樣,不隨縫的上下移動(dòng)而變化單縫衍射多縫干涉相鄰狹縫對(duì)應(yīng)點(diǎn)在衍射角 方向上滿足:則形成明條紋(a+b)sin =k k=0, 1, 2, 3 abPOf第52頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三光柵衍射圖樣是多縫干涉光強(qiáng)分布受單
18、縫衍射光強(qiáng)分布調(diào)制的結(jié)果。光柵衍射 缺極第53頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三abPOf垂直入射時(shí)的光柵方程abPOf(a+b)sin =k k=0, 1, 2, 3 斜入射時(shí)的光柵方程(a+b)(sin + sin )=k k=0, 1, 2, 3 4、光柵方程一般只討論垂直入射情況第54頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三主極大明條紋中心位置:(a+b)sin =k k=0, 1, 2, 3 5、討論光柵常數(shù)越小,條紋間隔越大 波長越大條紋間隔越寬 縫數(shù)增大只是使條紋亮度增大與條紋變窄 衍射暗紋干涉明紋k =(a+b) k /ak 為所缺的級(jí)
19、次光柵的缺極缺極時(shí)衍射角同時(shí)滿足:(a)1條縫(f)20條縫(e)6條縫(c)3條縫(b)2條縫(d)5條縫第55頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三6、衍射光譜第56頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三二、X射線的衍射倫琴(W. K. Rontgen,1845-1923) 勞厄(M. V. Laue,1879-1960) 布拉格父子(W. H. Bragg,W. L. Bragg)第57頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三在乳膠板上形成對(duì)稱分布的若干衍射斑點(diǎn),稱為勞厄斑。勞厄?qū)嶒?yàn)證明了X射線的波動(dòng)性,同時(shí)還證實(shí)了晶體中原子排列的規(guī)則性。1、勞厄?qū)嶒?yàn)第58頁,共64頁,2022年,5月20日,19點(diǎn)54分,星期三2、布拉格公式AB123dCDMNP當(dāng) 2dsin=k時(shí)各層面上的反射光相干相長,形成亮點(diǎn),稱為 k 級(jí)干涉主極大。晶體有很多組平行晶面,晶面間的距離 d 各不相同
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