第十四章-波動(dòng)光學(xué)課件

第十四章波動(dòng)光學(xué)Page1Page2振動(dòng)始終加強(qiáng)振動(dòng)始終減弱Page2平面電磁波方程始終加強(qiáng)始終減弱Page3平面電磁波760nm400nm

可見光

電磁波譜紅外線

紫外線

射線X射線長(zhǎng)波無線電波頻率波長(zhǎng)短波無線電波無線電波可見光紅外線紫外光

射線

射線教學(xué)基本要求Page5例題習(xí)題P186：例1；P188：例2；P194：例2；14-09、14-11、14-12、14-13、14-15、14-20、14-24P199：例4；P209：例1；P217：例1、2；光的干涉：光的衍射：雙縫干涉薄膜干涉單縫衍射衍射光柵Page6§14.1相干光§14.2楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)§14.3薄膜干涉§14.5光的衍射§14.6單縫衍射§14.8衍射光柵一光是一種電磁波介質(zhì)中的光速可見光的范圍

光矢量用矢量表示光矢量,它在引起人眼視覺和底片感光上起主要作用.§14.1相干光Page7P21二相干光普通光源發(fā)光特點(diǎn)：原子發(fā)光是斷續(xù)的，每次發(fā)光形成一長(zhǎng)度有限的波列,各原子各次發(fā)光相互獨(dú)立，各波列互不相干.1）普通光源的發(fā)光機(jī)制原子能級(jí)及發(fā)光躍遷基態(tài)激發(fā)態(tài)躍遷自發(fā)輻射§14.1相干光Page82）相干光的獲取波陣面分割法*光源振幅分割法§14.1相干光Page9激光束干涉實(shí)驗(yàn)單色激光光源不同原子所發(fā)的光具有相干性§14.1相干光p實(shí)驗(yàn)裝置一楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)波程差§14.2楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)光程勞埃德鏡Page11減弱加強(qiáng)暗紋明紋p§14.2楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)光程勞埃德鏡Page12討論條紋間距明暗條紋的位置白光照射時(shí)，出現(xiàn)彩色條紋暗紋明紋§14.2楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)光程勞埃德鏡Page13一定時(shí)，若變化，則將怎樣變化？1）§14.2楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)光程勞埃德鏡Page142）

條紋間距與的關(guān)系如何？一定時(shí)，§14.2楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)光程勞埃德鏡Page15例1以單色光照射到相距為0.2mm的雙縫上,雙縫與屏幕的垂直距離為10m.(1)從第一級(jí)明紋到同側(cè)的第四級(jí)明紋的距離為75mm,求單色光的波長(zhǎng);(2)若入射光的波長(zhǎng)為600nm,求相鄰兩明紋間的距離.解（1）（2）§14.2楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)光程勞埃德鏡Page16二光程和光程差光在真空中的速度光在介質(zhì)中的速度介質(zhì)中的波長(zhǎng)介質(zhì)的折射率n真空§14.2楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)光程勞埃德鏡*P**P*

問:若將這兩光源置于右圖的介質(zhì)中,P

點(diǎn)干涉結(jié)果是否變化?兩光源的光波在P

點(diǎn)的光振動(dòng)方程問如圖兩相干光源光振動(dòng)相位相同，且,P點(diǎn)干涉加強(qiáng)還是減弱?§14.2楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)光程勞埃德鏡波程差相位差1)光程:介質(zhì)折射率與光的幾何路程之積=*P*介質(zhì)中的波長(zhǎng)§14.2楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)光程勞埃德鏡2）光程差

(兩光程之差)光程差干涉加強(qiáng)相位差干涉減弱*P*§14.2楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)光程勞埃德鏡例2在楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，用波長(zhǎng)的單色光垂直照射在雙縫上.若用一折射率n=1.58、厚度為的云母片覆蓋在上方的狹縫上，問（1）屏上干涉條紋有什么變化？（2）屏上中央o點(diǎn)現(xiàn)在是明紋還是暗紋？o解：(1)干涉條紋向上平移，條紋間距不變(2)中央o點(diǎn)為明紋§14.2楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)光程勞埃德鏡三勞埃德鏡PML§14.2楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)光程勞埃德鏡

半波損失：光從光速較大（折射率?。┑慕橘|(zhì)射向光速較?。ㄕ凵渎蚀螅┑慕橘|(zhì)時(shí)反射光的相位較之入射光的相位躍變了，相當(dāng)于反射光與入射光之間附加了半個(gè)波長(zhǎng)的波程差，稱為半波損失.Page22Page23白光下的肥皂膜白光入射的楊氏雙縫干涉照片AB透鏡可以改變光的傳播方向，不引起附加的光程差A(yù)B焦平面Page24§14.3薄膜干涉一薄膜干涉的光程差132§14.3薄膜干涉Page25132§14.3薄膜干涉Page26當(dāng)時(shí)§14.3薄膜干涉Page27加強(qiáng)減弱例1在金屬鋁的表面，經(jīng)常利用陽(yáng)極氧化等方法形成一層透明的氧化鋁(Al2O3

)薄膜，其折射率n=1.80.設(shè)一磨光的鋁片表面形成了厚度d＝250nm的透明氧化鋁薄層，問在日光下觀察，其表面呈現(xiàn)什么顏色？（設(shè)白光垂直照射到鋁片上，鋁的折射率小于氧化鋁的折射率）解：12dn鋁表面呈橙紅色§14.3薄膜干涉

增透膜和增反膜利用薄膜干涉可以提高光學(xué)器件的透光率.§14.3薄膜干涉Page29ⅠⅡen1空氣n2氟化鎂n3透鏡取例2

為了增加透射率,求氟化鎂膜的最小厚度.已知空氣,氟化鎂,減弱解

§14.3薄膜干涉Page30玻璃氟化鎂為增透膜23SM劈尖角二劈尖明紋暗紋§14.3薄膜干涉Page31劈尖干涉（明紋）（暗紋）討論1）劈尖為暗紋.§14.3薄膜干涉Page323）條紋間距（明紋或暗紋）2）相鄰明紋（暗紋）間的厚度差劈尖干涉§14.3薄膜干涉Page33

4）干涉條紋的移動(dòng)§14.3薄膜干涉每一條紋對(duì)應(yīng)劈尖內(nèi)的一個(gè)厚度，當(dāng)此厚度位置改變時(shí)，對(duì)應(yīng)的條紋隨之移動(dòng)。Page342）測(cè)膜厚1）干涉膨脹儀劈尖干涉的應(yīng)用§14.3薄膜干涉Page35空氣3）檢驗(yàn)光學(xué)元件表面的平整度4）測(cè)細(xì)絲的直徑§14.3薄膜干涉Page36

例：用波長(zhǎng)為的單色光垂直照射到空氣劈尖上，從反射光中觀察干涉條紋，距頂點(diǎn)為L(zhǎng)處是暗紋，使劈尖角連續(xù)變大，直到該處再次出現(xiàn)暗條紋為止，求劈尖角的改變量?！?4.3薄膜干涉三牛頓環(huán)由一塊平板玻璃和一平凸透鏡組成光程差§14.3薄膜干涉Page38

牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置牛頓環(huán)干涉圖樣顯微鏡SLM半透半反鏡T§14.3薄膜干涉Page39R光程差明紋暗紋rd暗環(huán)半徑明環(huán)半徑§14.3薄膜干涉Page40

4）應(yīng)用例子:可以用來測(cè)量光波波長(zhǎng)，用于檢測(cè)透鏡質(zhì)量，曲率半徑等.

1）從反射光中觀測(cè)，中心點(diǎn)是暗點(diǎn)還是亮點(diǎn)？2）屬于等厚干涉，條紋間距不等，為什么？3）將牛頓環(huán)置于的液體中，條紋如何變？工件標(biāo)準(zhǔn)件暗環(huán)半徑明環(huán)半徑討論§14.3薄膜干涉Page41測(cè)量透鏡的曲率半徑§14.3薄膜干涉Page42

例4用氦氖激光器發(fā)出的波長(zhǎng)為633nm的單色光做牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)，測(cè)得第k個(gè)暗環(huán)的半徑為5.63mm,第k+5暗環(huán)的半徑為7.96mm，求平凸透鏡的曲率半徑R.解§14.3薄膜干涉Page43總結(jié)

1）干涉條紋為光程差相同的點(diǎn)的軌跡，即厚度相等的點(diǎn)的軌跡§14.3薄膜干涉Page442）厚度線性增長(zhǎng)條紋等間距，厚度非線性增長(zhǎng)條紋不等間距3）條紋的動(dòng)態(tài)變化分析（變化時(shí)）§14.3薄膜干涉Page454）半波損失需具體問題具體分析§14.3薄膜干涉Page46一光的衍射現(xiàn)象圓孔衍射*指縫衍射剃須刀片衍射§14.5光的衍射圓孔衍射單縫衍射**§14.5光的衍射Page48惠更斯原理:波動(dòng)傳播到的各點(diǎn)都可以看作發(fā)射子波的波源,其后任意時(shí)刻這些子波的包絡(luò)就是新的波前.特點(diǎn):定性解釋了波的衍射現(xiàn)象,

但無法解釋衍射條紋?；莞苟莞埂颇鶢栐怼?4.5光的衍射Page49菲涅爾指出同一波陣面上的子波是相干的,在傳播到空間某一點(diǎn)時(shí),各子波進(jìn)行相干疊加決定該處的波的振幅。子波在點(diǎn)引起的振動(dòng)振幅并與有關(guān).：波陣面上面元(子波波源)：時(shí)刻波陣面*§14.5光的衍射Page50三菲涅爾衍射和夫瑯禾費(fèi)衍射夫瑯禾費(fèi)衍射光源、屏與縫相距無限遠(yuǎn)縫在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)夫瑯禾費(fèi)衍射菲涅爾衍射縫光源、屏與縫相距有限遠(yuǎn)§14.5光的衍射Page51夫瑯禾費(fèi)單縫衍射衍射角（衍射角：向上為正，向下為負(fù).）菲涅爾波帶法§14.6單縫衍射Page52一半波帶法縫長(zhǎng)§14.6單縫衍射Page53干涉相消暗紋§14.6單縫衍射Page54干涉加強(qiáng)明紋干涉相消（暗紋）干涉加強(qiáng)（明紋）（介于明暗之間）（個(gè)半波帶）個(gè)半波帶個(gè)半波帶中央明紋中心§14.6單縫衍射Page55二光強(qiáng)分布干涉相消（暗紋）干涉加強(qiáng)（明紋）§14.6單縫衍射Page56當(dāng)較小時(shí)，§14.6單縫衍射Page57干涉相消（暗紋）干涉加強(qiáng)（明紋）討論（1）第一暗紋距中心的距離第一暗紋的衍射角§14.6單縫衍射Page58一定，越大，越大，衍射效應(yīng)越明顯.光直線傳播增大，減小一定減小，增大衍射最大第一暗紋的衍射角角范圍線范圍中央明紋的寬度（2）中央明紋（的兩暗紋間）§14.6單縫衍射Page59單縫寬度變化，中央明紋寬度如何變化？§14.6單縫衍射Page60越大，越大，衍射效應(yīng)越明顯.入射波長(zhǎng)變化，衍射效應(yīng)如何變化?§14.6單縫衍射Page61（4）單縫衍射的動(dòng)態(tài)變化單縫上移，零級(jí)明紋仍在透鏡光軸上.單縫上下移動(dòng)，根據(jù)透鏡成像原理衍射圖不變.（3）條紋寬度（相鄰條紋間距）干涉相消（暗紋）干涉加強(qiáng)（明紋）除了中央明紋外的其它明紋、暗紋的寬度§14.6單縫衍射Page62單縫夫瑯禾費(fèi)衍射圖案特點(diǎn)明、暗條紋對(duì)稱相間分布在中央明紋的兩側(cè)；除中央明紋外，其它級(jí)明、暗紋的寬度相同；中央明紋寬度是其它級(jí)明、暗紋寬度的兩倍；中央明紋較其它級(jí)明紋亮的多?！?4.6單縫衍射

討論：下面單縫衍射圖中，各條入射光線間距相等，問：1）光線1與3在幕上P

點(diǎn)相遇時(shí),兩光振動(dòng)的位相差是什么？2）P

點(diǎn)是明還是暗？

答：1）1，3光線在P

點(diǎn)相遇時(shí),兩光振動(dòng)的位相差為.2）P

點(diǎn)是暗點(diǎn).縫長(zhǎng)RP135135§14.6單縫衍射例1一單色平行光垂直入射一單縫，其衍射第三級(jí)明紋位置恰好與波長(zhǎng)為600nm的單色光垂直入射該縫時(shí)衍射的第二級(jí)明紋位置重合，試求該單色光的波長(zhǎng).解

§14.6單縫衍射一光柵許多等寬度、等距離的狹縫（或放射面）排列起來形成的光學(xué)元件.類型：透射光柵，反射光柵.透射光柵透光縫寬度b

遮光部分寬度b’

光柵常數(shù)大小§14.8衍射光柵衍射角光柵常數(shù)

光柵衍射實(shí)驗(yàn)裝置§14.8衍射光柵光柵常數(shù)：衍射角干涉主極大（明紋中心）相鄰兩縫間的光程差：二光柵衍射條紋的形成光柵的衍射條紋是單縫衍射和多光束干涉的總效果.§14.8衍射光柵光柵中狹縫條數(shù)越多，明紋越亮.1條縫2條縫3條縫5條縫6條縫20條縫亮紋的光強(qiáng)：?jiǎn)慰p光強(qiáng)）（：狹縫數(shù)，§14.8衍射光柵討論光強(qiáng)分布中央明紋第一級(jí)主明紋第二級(jí)主明紋理論計(jì)算表明，在兩相鄰主明紋間有N-1條暗紋和N-2條次明紋，因?yàn)榇蚊骷y的光強(qiáng)遠(yuǎn)小于主明紋，所以暗紋和次明紋連成一片形成暗區(qū).§14.8衍射光柵一定，減少，增大．一定，

增大，

增大．光柵常數(shù)越小，明紋間相隔越遠(yuǎn)入射光波長(zhǎng)越大，明紋間相隔越遠(yuǎn)條紋最高級(jí)數(shù)討論§14.8衍射光柵干涉相消（暗紋）干涉加強(qiáng)（明紋）單縫衍射

單縫衍射對(duì)光柵衍射的影響（缺級(jí)現(xiàn)象）多縫干涉極大§14.8衍射光柵單縫衍射多縫干涉光柵衍射§14.8衍射光柵（缺級(jí)）0出現(xiàn)缺級(jí)例：假如同時(shí)滿足單縫衍射對(duì)光強(qiáng)的調(diào)制§14.8衍射光柵缺缺缺缺7654321012345670§14.8衍射光柵（1）1條;（2）3條;（3）4條;（4）5條

例雙縫的縫寬為b，縫間距為2b（縫的中心點(diǎn)的間隔），則單縫中央衍射包絡(luò)線內(nèi)明條紋有0單縫中央衍射包絡(luò)線k=1解（1）（2）條

例1

用氦氖激光器發(fā)出的的紅光，垂直入射到一平面透射光柵上，測(cè)得第一級(jí)明紋出現(xiàn)在的方向上，試求（1）這一平面透射光柵的光柵常數(shù)d,這意味著該光柵在1cm內(nèi)有多少條狹縫？（2）最多能看到第幾級(jí)衍射明紋？只能看到第一級(jí)衍射明紋§14.8衍射光柵入射光為白光時(shí)，不同，不同，按波長(zhǎng)分開形成光譜.一級(jí)光譜二級(jí)光譜三級(jí)光譜三衍射光譜§14.8衍射光柵Page78例如二級(jí)光譜重疊部分光譜范圍二級(jí)光譜重疊部分:一級(jí)光譜二級(jí)光譜三級(jí)光譜§14.8衍射光柵Page79連續(xù)光譜：熾熱物體光譜線狀光譜：鈉鹽、分立明線帶狀光譜：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(zhì)所含的元素或化合物；還可從譜線的強(qiáng)度定量分析出元素的含量．§14.8衍射光柵Page80

例2

用白光垂直照射在每厘米有6500條刻痕的平面光柵上，求第三級(jí)光譜的張角.解紅光第三級(jí)光譜的張角第三級(jí)光譜所能出現(xiàn)的最大波長(zhǎng)綠光紫光不可見§14.8