第4章 波動光學(xué)課件

1波動光學(xué)01光學(xué)的分類（1）幾何光學(xué)：以光的直線傳播為基礎(chǔ)，研究光在透明介質(zhì)中的傳播問題。包括：直線傳播定律、反射折射定律。①波動光學(xué)：以光的波動性為基礎(chǔ)，研究光的干涉、衍射、偏振。即：研究光的波動性。②量子光學(xué)：以光和物質(zhì)的相互作用所顯示的粒子性為基礎(chǔ)。（2）物理光學(xué)：第4章波動光學(xué)1波動光學(xué)01光是一種電磁波平面電磁波方程真空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。4.1描述光的基本概念4.1.1光源、光源的發(fā)光特點1波動光學(xué)01光源：可以發(fā)光的物體。其分類：（1）按發(fā)光機制可分為：普通光源、激光光源。（2）按能量激發(fā)方式可分為：熱光源、冷光源。（3）按相干性可分為：復(fù)色光源、單色光源。（4）按形狀可分為：點光源、面光源等。1波動光學(xué)014.1.2光強與光的單色性1.光強光的強度指單位面積上獲得的平均光功率，由坡印廷矢量S確定，即波的平均能流密度。（1）單色光：具有單一頻率的光。一般認為：2.光的單色性與復(fù)色性???單色性較差單色性較好單色性極好I

I0/2I0?

1波動光學(xué)01對應(yīng)的稱為波長寬度。?結(jié)論：絕對的單色光是不存在的!（2）復(fù)色光：由各種不同頻率的光復(fù)合而成的光。例如：白光即是由七種顏色的光復(fù)合而成的。紅光紫光波長：76004000??頻率：=C/

增加在同一介質(zhì)中：n增加（3）獲得單色光的方法：色散：濾波片：1波動光學(xué)014.1.3光的相干性設(shè)空間有兩個同頻的單色光源S1和S2，它們發(fā)出的光相交于空間一點P。S1S2r1r2P

1，

2為初位相，c/n為介質(zhì)中的光速。其中，如果兩光矢量的方向相同，則在P點的合成光矢量的值為：1波動光學(xué)01當兩光束有恒定的位相差時合光強為：1波動光學(xué)014.1.4光程與光程差對某一單色光，其頻率一定。在折射率為n的介質(zhì)中光的波長為：。（1）光程：因此在折射率為n的介質(zhì)中光波傳播x在位相上（時間上）相當于在真空中傳播nx的距離。我們就把nx稱為在這種介質(zhì)中的光程。相當于將光的傳播都折算為真空中的傳播。其大小將由位相差決定，出現(xiàn)有些點加強有些點減弱的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為光的干涉。若兩束光頻率相同、光矢量方向相同、位相差恒定或位相相同，這兩束光在空間相遇時將產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，稱為相干光，滿足此條件的光源稱為相干光源。1波動光學(xué)01（2）光程差。例如，如圖所示，求：A，B兩點間的位相差。n1n2ABd1d2兩束相干光在相遇點的位相差為：1波動光學(xué)01上式中，nr2-nr1表示兩相干光源到相遇點的光程的差值，稱為光程差。1波動光學(xué)01透鏡不引起附加的光程差：MSNABPQBSS’MNAPQPSnxd1波動光學(xué)014.1.5獲得相干光的方法來自兩個獨立光源的光和來自同一個光源的不同部分的光，不滿足相干光的條件。而將光源發(fā)出的一束光分解為兩束，在經(jīng)過不同的光程后相遇時，將滿足相干條件，發(fā)生干涉現(xiàn)象。分波陣面法：使同一波陣面上的兩點成為新的光源。（滿足相干光源的條件）分振幅法：將一束光分解為兩束光。（滿足相干光條件）1波動光學(xué)01相干光的產(chǎn)生波陣面分割法*光源振幅分割法1波動光學(xué)01楊T.（ThomasYoung，1773―1829）在科學(xué)史上他以作為物理學(xué)家而最著名。楊在行醫(yī)時就開始研究感官的知覺作用，1793年寫了第一篇關(guān)于視覺的論文，發(fā)現(xiàn)了眼睛中晶狀體的聚焦作用。1801年發(fā)現(xiàn)眼睛散光的原因，由此進入光學(xué)的研究領(lǐng)域。他懷疑光的微粒說的正確性，進行了著名的楊氏雙孔及雙縫干涉實驗，首次引入干涉概念論證了光的波動說，又利用波動說解釋了牛頓環(huán)的成因及薄膜的彩色。他第一個測定了7種顏色光的波長。1817年，他得知A.J.菲涅爾和D.F.J.阿拉果關(guān)于偏振光的干涉實驗后，提出光是橫波。楊對人眼感知顏色問題做了研究，提出了三原色理論。他首先使用運動物體的“能量”一詞來代替“活力”，描述材料彈性的楊氏模量也是以他的姓氏命名的，他在考古學(xué)方面亦有貢獻，曾破譯了古埃及石碑上的文字。英國物理學(xué)家，考古學(xué)家，醫(yī)生，光的波動說的奠基人之一。1773年6月13日生于米爾費頓，曾在倫敦大學(xué)、愛丁堡大學(xué)和格丁根大學(xué)學(xué)習(xí)。倫敦皇家學(xué)會會員，巴黎科學(xué)院院士。1829年5月10日在倫敦逝世。楊自幼天資過人，14歲就通曉拉丁、希臘、法、意、阿拉伯等多種語言。開始時學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)，后來酷愛物理學(xué)，特別是光學(xué)和聲學(xué)，一生在物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、天文、哲學(xué)、語言、考古等廣泛的領(lǐng)域做了大量的工作，但1波動光學(xué)01P0S1S2S裝置：如圖所示4.2應(yīng)用分波振面法獲得相干光的干涉實驗4.2.1楊氏雙縫實驗結(jié)果：（1）關(guān)于P0對稱的明暗相間的條紋，P0為明紋。（2）用不同單色光照射，明暗條紋的間距不等。且波長減少，條紋間距變窄。（3）若用白光照射，P0為白色，其兩側(cè)為對稱的彩色條紋。1波動光學(xué)01楊氏雙縫干涉實驗明、暗紋條件：由光源S1，S2發(fā)出的光到達屏E上的任一點P的光程差為：r2r1S1S2ODdPxx-d/2x+d/2E在空氣中，n=11波動光學(xué)01由相干加強和減弱的條件得由幾何關(guān)系：1波動光學(xué)01明暗條紋的位置白光照射時，出現(xiàn)彩色條紋。暗紋明紋討論條紋間距（1）條紋間距與

的關(guān)系：

d，D一定時，

若

變化，則將怎樣變化？1波動光學(xué)01（1）d，D一定時，若變化，則將怎樣變化？1波動光學(xué)01（2）一定時，條紋間距與的關(guān)系如何？1波動光學(xué)01楊氏雙縫實驗的缺點：為了保證兩個子波源的相干性，必須要求縫S很窄，這將導(dǎo)致光強減弱，條紋不清；同時還要受衍射的影響。4.2.2其它分波陣面法干涉實驗1.菲涅耳雙面鏡實驗光欄AM1M2S1S2dlSoB平面鏡M1，M2間的夾角很小，否則條紋太密，干涉現(xiàn)象不明顯。要求：1波動光學(xué)01P雙鏡實驗光路圖1波動光學(xué)012.勞埃德鏡鏡實驗PML半波損失：光從光速較大的介質(zhì)射向光速較小的介質(zhì)時，反射光的相位較之入射光的相位躍變了，相當于反射光與入射光之間附加了半個波長的波程差，稱為半波損失。1波動光學(xué)01（1）分析清楚哪兩束光發(fā)生干涉；（2）正確計算干涉點處的光程差（注意：當光從折射率小的光疏介質(zhì)射入折射率大的光密介質(zhì)時，反射光有半波損失）；（3）計算并討論干涉條紋的空間分布或分布的變化。分析干涉問題的基本步驟：1波動光學(xué)01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1m。（1）從第一級明紋到同側(cè)的第四級明紋的距離為7.5mm，求單色光的波長；（2）若入射光的波長為600nm，求相鄰兩明紋間的距離。解：（1）（2）1波動光學(xué)01例2

將焦距為f的透鏡切去寬為b=f/1000的中央部分，再將兩半粘合，如圖所示。距透鏡2f處放一波長為

的單色光源，在透鏡的后焦面上放一屏。已知：d>>b，

=5000?，f=100cm，求：(1)屏上兩相鄰干涉條紋的距離。(2)屏上可能呈現(xiàn)條紋的最大數(shù)目。(3)若屏放在2f以外能否發(fā)生干涉？db1波動光學(xué)01解：（1）如圖所示，在屏上的干涉區(qū)域O1O2。ffSS1S2O2O1屏b2f1波動光學(xué)01（2）如圖，干涉區(qū)間O1

O2=b（3）因為兩個相干波源發(fā)出的光不能相遇，所以不能發(fā)生干涉現(xiàn)象。1波動光學(xué)01例3

用n=1.58的薄云母片覆蓋楊氏雙縫干涉裝置的一條縫，這時接收屏中心被第五