大學(xué)物理波動(dòng)光學(xué)課件

波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)學(xué)篇波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)學(xué)篇光的本質(zhì)—波動(dòng)說(shuō)與微粒說(shuō)的交鋒

1704年,牛頓在《光學(xué)》一書中指出,光是從發(fā)光體發(fā)出的,以直線傳播的微?！⒘Ｕf(shuō).I.Newton1643-17271690年,惠更斯在論文《光論》中指出,從光與聲的某些相似性出發(fā),認(rèn)為光是在以太介質(zhì)中傳播的球面縱波—波動(dòng)說(shuō).C.Huygens1629-1695光的本性—光具有波粒二象性光的本質(zhì)—波動(dòng)說(shuō)與微粒說(shuō)的交鋒1704年,牛頓在《光幾何光學(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(wèn)題.波動(dòng)光學(xué)光的直線傳播定律光的獨(dú)立傳播定律光的折射和反射定律以光的波動(dòng)性為基礎(chǔ),研究光的傳播及其規(guī)律.光的干涉光的衍射光的偏振內(nèi)容內(nèi)容幾何光學(xué)以光的直線傳播為基礎(chǔ),研究光在透明介質(zhì)中的量子光學(xué)以光與物質(zhì)相互作用時(shí)所顯示出的粒子性為基礎(chǔ),來(lái)研究光的一系列規(guī)律.現(xiàn)代光學(xué)反映了光學(xué)進(jìn)一步與各個(gè)科技領(lǐng)域的緊密結(jié)合.激光、全息攝影、光纖維光學(xué)計(jì)算機(jī)、傅里葉光學(xué)紅外技術(shù)、遙感、遙測(cè)等內(nèi)容內(nèi)容光與物質(zhì)的相互作用規(guī)律量子光學(xué)以光與物質(zhì)相互作用時(shí)所顯示出的粒子性為基礎(chǔ),光是某一波段的電磁波.可見光波長(zhǎng)為400~760nm.具有一定頻率的光稱為單色光.各種頻率不同的光復(fù)合起來(lái)稱為復(fù)色光

.光的相干性一、光源光源:發(fā)光的物體.兩大類光源:普通光源.激光光源.光是某一波段的電磁波.光的相干性一、光源光源:發(fā)光的物體.兩熱光源:利用熱能激發(fā)的光源,白熾燈.電致發(fā)光:由電能直接轉(zhuǎn)換為光能,發(fā)光二極管.光致發(fā)光:由光激發(fā)引起的發(fā)光現(xiàn)象,日光燈.化學(xué)發(fā)光:由化學(xué)反應(yīng)引起的發(fā)光現(xiàn)象,螢火蟲.普通光源按光的激發(fā)方式不同分為:原子模型“基態(tài)”電子“激發(fā)態(tài)”電子光子2014NobelPrizeinPhysicsIsamuAkasaki1929-ShujiNakamura1954-HiroshiAmano1960-熱光源:利用熱能激發(fā)的光源,白熾燈.電致發(fā)光:普通光源發(fā)光的兩個(gè)特點(diǎn):間歇性——

各原子發(fā)光是間歇的,平均發(fā)光時(shí)間t約為10-8～10-11s,所發(fā)出的是一段長(zhǎng)為L(zhǎng)=ct的光波列.

每次發(fā)光是隨機(jī)的,所發(fā)出各波列的振動(dòng)方向和振動(dòng)初相位都不相同.隨機(jī)性——兩獨(dú)立普通光源發(fā)出的光不可能產(chǎn)生干涉.普通光源發(fā)光的兩個(gè)特點(diǎn):間歇性——各原子發(fā)光是間歇1、光波描述光強(qiáng):光矢量振幅的平方,即二、光的干涉現(xiàn)象干涉定義:滿足相干條件的兩列或兩列以上的波,在空間重疊區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)相遇時(shí),將發(fā)生干涉現(xiàn)象.干涉條件:頻率、振動(dòng)方向相同,相位差恒定.相干光源:能產(chǎn)生相干光的光源.相干光:能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的光.1、光波描述光強(qiáng):光矢量振幅的平方,即二、光的干涉現(xiàn)2、干涉場(chǎng)中光強(qiáng)度的分布合振幅:相位差:合成光強(qiáng):2、干涉場(chǎng)中光強(qiáng)度的分布合振幅:相位差:合成光設(shè)1＝2若光強(qiáng)極大若光強(qiáng)極小其中為波程差光的干涉問(wèn)題關(guān)鍵在于計(jì)算波程差.設(shè)1＝2若光強(qiáng)極大若光強(qiáng)極小其中為波程差光的干兩束相干光的相位差一般可表示為:如果兩束光在兩種不同介質(zhì)中傳播:相位差:3、光程用光程差表述相干條件光程:兩束相干光的相位差一般可表示為:如果兩束光在兩種不同介質(zhì)中傳干涉的一般條件:光程的物理意義

光程是光在介質(zhì)中通過(guò)的路程折合到同一時(shí)間內(nèi)在真空中通過(guò)的相應(yīng)路程.結(jié)論:對(duì)光的干涉起決定作用的不是這兩束光的幾何路程之差,而是兩者的光程差.注:薄透鏡不引起附加光程差.干涉的一般條件:光程的物理意義光程是光在介質(zhì)中通過(guò)的分波前法:當(dāng)從同一個(gè)點(diǎn)光源或線光源發(fā)出的光波到達(dá)某平面時(shí),由該平面(即波前)上分離出兩部分.如楊氏雙縫干涉、菲涅耳雙面鏡、洛埃德鏡等.

4、從普通光源獲得相干光的方法分振幅法:利用透明薄膜上下兩個(gè)表面對(duì)入射光反射,產(chǎn)生的兩束反射光或一束反射光與一束透射光.如薄膜干涉、牛頓環(huán)和邁克耳遜干涉儀等.

分振動(dòng)面法:利用某些晶體的雙折射性質(zhì),將一束光分解為振動(dòng)面垂直的兩束光.分波前法:當(dāng)從同一個(gè)點(diǎn)光源或線光源發(fā)出的光波到達(dá)某平面時(shí),一、楊氏雙縫干涉1801年英國(guó)醫(yī)生兼物理學(xué)家托馬斯·楊首先成功進(jìn)行了光的干涉實(shí)驗(yàn),使光的波動(dòng)學(xué)說(shuō)得到了證實(shí).雙縫干涉ThomasYong1773-1829一、楊氏雙縫干涉1801年英國(guó)醫(yī)生兼物理學(xué)家托馬斯·干涉條件:由于兩列波由同一光束分解出來(lái),因此1=2.干涉條件:由于兩列波由同一光束分解出來(lái),因此楊氏雙縫光程差:由干涉條件得:楊氏雙縫光程差:由干涉條件得:相鄰明紋或暗紋的間距:結(jié)論:條紋等間距對(duì)稱分布在中央明紋兩側(cè).復(fù)色光照射雙縫時(shí)的條紋:-4-3-2-10123401-12-2明紋級(jí)數(shù)12-1-2暗紋級(jí)數(shù)干涉條紋在屏幕上的分布其中k稱為條紋的級(jí)次,屏幕中央(k=0)為中央明紋.暗紋:明紋:相鄰明紋或暗紋的間距:結(jié)論:條紋等間距對(duì)稱分布在中央明紋兩1、影響條紋寬度的因素楊氏雙縫干涉討論雙縫間距光波的波長(zhǎng)屏與縫的間距1、影響條紋寬度的因素楊氏雙縫干涉討論雙縫間距光波的波長(zhǎng)屏與2、在縫后加一薄玻璃片,觀察條紋的移動(dòng)dSS1S2PODxr1r2薄玻璃片蓋住上縫時(shí),條紋上移.薄玻璃片蓋住下縫時(shí),條紋下移.2、在縫后加一薄玻璃片,觀察條紋的移動(dòng)dSS1S2POD向下移動(dòng)光源時(shí),條紋上移.SS1S2PODxr1r23、上下移動(dòng)光源時(shí),觀察條紋的移動(dòng)向上移動(dòng)光源時(shí),條紋下移.向下移動(dòng)光源時(shí),條紋上移.SS1S2PODxr1r23二、菲涅耳雙鏡A.J.Fresnel1788-1827二、菲涅耳雙鏡A.J.Fresnel三、洛埃德鏡特點(diǎn):中央為暗條紋,說(shuō)明光從光疏媒質(zhì)入射到光密媒質(zhì)并反射時(shí)會(huì)出現(xiàn)半波損失.HumphreyLloyd1800-1881三、洛埃德鏡特點(diǎn):中央為暗條紋,說(shuō)明光從光疏媒質(zhì)入射到光例題:楊氏雙縫的間距為0.2mm,距離屏幕為1m.(1)若第一到第四明紋距離為7.5mm,求入射光波長(zhǎng).(2)若入射光的波長(zhǎng)為6000?,求相鄰兩明紋的間距.解:例題:楊氏雙縫的間距為0.2mm,距離屏幕為1m.例題:用薄云母片(n=1.58)覆蓋在楊氏雙縫的其中一條縫上,這時(shí)屏上的零級(jí)明紋移到原來(lái)的第七級(jí)明紋處.如果入射光波長(zhǎng)為5500?,問(wèn)云母片的厚度為多少?解:POd原七級(jí)明紋P點(diǎn)處插入云母后,P點(diǎn)為零級(jí)明紋例題:用薄云母片(n=1.58)覆蓋在楊氏雙縫的其

n1<n2<n3

無(wú)附加光程差.

n1>n2>n3

無(wú)附加光程差.

n1<n2,n2>n3

有半波損失,在上表面.

n1>n2,n2<n3

有半波損失,在下表面.薄膜干涉中的“半波損失”問(wèn)題:

找出干涉的兩束相干光.找出干涉地點(diǎn)(以便計(jì)算光程).計(jì)算兩相干光的光程差.列出明、暗紋的干涉條件.討論干涉的一般方法:薄膜干涉分類:等傾干涉和等厚干涉.薄膜干涉n1<n2<n3無(wú)附加光程差.薄膜特點(diǎn):等傾干涉條紋是一組內(nèi)疏外密的同心圓環(huán),入射角減小,圓半徑減小.

一、薄膜的等傾干涉1、等傾干涉特點(diǎn):等傾干涉條紋是一組內(nèi)疏外密的同心圓環(huán),入射角減小,光程差:干涉條件推導(dǎo)b2cQ1dan1n2

>n1en1考慮半波損失:光程差:干涉條件推導(dǎo)b2cQ1dan1n2>n1en1考薄膜干涉條件加強(qiáng):相消:等傾干涉:條紋級(jí)次取決于入射角的大小.問(wèn)題:透射光干涉時(shí)情況如何?特點(diǎn):傾角相同的光線對(duì)應(yīng)同一干涉條紋.薄膜干涉條件加強(qiáng):相消:等傾干涉:條紋級(jí)次取決于入射角的大越向內(nèi),級(jí)次越高.薄膜厚度e增大,k增大,條紋變密,向外移動(dòng).波長(zhǎng)增大,k減小,條紋變疏,向內(nèi)移動(dòng).條紋特征:越向內(nèi),級(jí)次越高.條紋特征:2、增透膜和高反膜增透膜:在透鏡表面鍍一層厚度均勻的透明介質(zhì)膜,使其上、下表面對(duì)某種色光的反射產(chǎn)生相消干涉.即減少對(duì)該色光的反射,增加其透射.高反膜:利用薄膜干涉原理,使薄膜上、下表面對(duì)某種色光的反射發(fā)生相長(zhǎng)干涉.即增加對(duì)該色光的反射,減少透射.激光器諧振腔宇航服2、增透膜和高反膜增透膜:在透鏡表面鍍一層厚度均勻的透明介解:例題:照相機(jī)透鏡常鍍上一層透明薄膜,目的就是利用干涉原理減少表面的反射,使更多的光進(jìn)入透鏡.常用的鍍膜物質(zhì)是MgF2,折射率n2

=1.38,為使可見光譜中=550nm的光有最小反射,問(wèn)膜厚e=?n2=1.38n3=1.50n1=1反射最小

k=0,1,2,…對(duì)應(yīng)于薄膜最小厚度,k=0得解:例題:照相機(jī)透鏡常鍍上一層透明薄膜,目的就是利用干涉例題:空氣中肥皂膜(n2=1.33),厚為0.32m.如用白光垂直入射,問(wèn)肥皂膜呈現(xiàn)什么色彩?解:∴2=567nm

(黃光)可見光范圍:400~760nm例題:空氣中肥皂膜(n2=1.33),厚為0.321、劈尖干涉條紋為一組平行于棱邊的平行線.由于存在半波損失,棱邊上為零級(jí)暗紋.條紋級(jí)次k隨著劈尖的厚度而變化.二、薄膜的等厚干涉條紋特征:1、劈尖干涉條紋為一組平行于棱邊的平行線.由于存在相鄰條紋所對(duì)應(yīng)的厚度差:增大,l減小,條紋變密.減小,l增大,條紋變疏.l明紋:暗紋:ne考慮垂直入射情況:相鄰條紋所對(duì)應(yīng)的厚度差:增大,l減小,條紋變密.l應(yīng)用一:

薄膜厚度的測(cè)量薄膜厚度:條紋數(shù)Ldl應(yīng)用一:薄膜厚度的測(cè)量薄膜厚度:條紋數(shù)Ldl說(shuō)明:k反映了偏離直線條紋的程度.應(yīng)用二:

光學(xué)表面檢查ee若因畸變使某處移動(dòng)了一個(gè)條紋的距離,k=1,則

k-1kk+1表面凸起

ek-1ek

k-1kk+1表面凹陷

ekek+1說(shuō)明:k反映了偏離直線條紋的程度.應(yīng)用二:光學(xué)表面檢例題:有一玻璃劈尖,放在空氣中,劈尖夾角

=810-6rad.波長(zhǎng)=0.589m的單色光垂直入射時(shí),測(cè)得干涉條紋間的寬度為l=2.4mm,求玻璃的折射率.解:例題:有一玻璃劈尖,放在空氣中,劈尖夾角=812、牛頓環(huán)特點(diǎn):干涉條紋是以平凸透鏡與平面玻璃板的接觸點(diǎn)為圓心的明暗相間圓環(huán),中心為暗點(diǎn).條紋間距不相等,且內(nèi)疏外密.2、牛頓環(huán)特點(diǎn):干涉條紋是以平凸透鏡與平面玻璃板暗紋明紋明、暗環(huán)半徑推導(dǎo)ORre牛頓環(huán)半徑公式明環(huán)暗環(huán)r暗紋明紋明、暗環(huán)半徑推導(dǎo)ORre牛頓環(huán)半徑公式明環(huán)暗環(huán)r例題:用鈉燈(

=589.3nm)觀察牛頓環(huán),看到第k條暗環(huán)的半徑為4mm,第k+5條暗環(huán)半徑為6mm,求所用平凸透鏡的曲率半徑R.解:聯(lián)立求解:例題:用鈉燈(=589.3nm)觀察牛頓環(huán),看到三、邁克耳遜干涉儀

邁克耳遜和莫雷利用邁克耳遜干涉儀進(jìn)行過(guò)著名的否定舊以太說(shuō)實(shí)驗(yàn),在近代科學(xué)技術(shù)中有著重要應(yīng)用.1907NobelPrizeinPhysics

邁克耳遜干涉儀是利用光的干涉精確測(cè)量長(zhǎng)度和長(zhǎng)度變化的儀器.EdwardW.Morley1838-1923AlbertA.Michelson1852-1931三、邁克耳遜干涉儀邁克耳遜和莫雷利用邁克耳遜干涉儀進(jìn)G2邁克爾遜干涉儀工作原理G1G2邁克爾遜干涉儀工作原理G1邁克耳遜干涉儀等傾干涉等厚干涉邁克耳遜干涉儀等傾干涉等厚干涉例題:當(dāng)把折射率為n=1.40的薄膜放入邁克爾遜干涉儀的一臂時(shí),如果產(chǎn)生了7條條紋的移動(dòng),求薄膜的厚度.(已知鈉光的波長(zhǎng)為

=589.3nm)解:t例題:當(dāng)把折射率為n=1.40的薄膜放入邁克爾遜干涉儀

波在傳播過(guò)程中遇到障礙物,能夠繞過(guò)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.正三邊形孔單縫正八邊形孔正六邊形孔正四邊形孔單縫衍射1、光的衍射現(xiàn)象一、惠更斯－菲涅耳原理波在傳播過(guò)程中遇到障礙物,能夠繞過(guò)障礙物的邊緣前進(jìn)說(shuō)明:幾何光學(xué)告訴我們,屏幕上的圖像大小與圓孔大小成正比.但繼續(xù)縮小圓孔直徑,發(fā)現(xiàn)……說(shuō)明:若孔徑與波長(zhǎng)相比不是很大,那么屏上圖象不再是均勻的,而是明暗相間變化的條紋.光的衍射現(xiàn)象說(shuō)明:幾何光學(xué)告訴我們,屏幕上的圖像大小與圓孔大小成正比2、惠更斯－菲涅耳原理

波前上每一面元都可看成是新的次波波源,它們發(fā)出的次波在空間相遇,空間每一點(diǎn)的振動(dòng)是所有這些次波在該點(diǎn)所產(chǎn)生振動(dòng)的疊加(出現(xiàn)干涉現(xiàn)象).假設(shè):次波在P點(diǎn)的振幅A與距離r

成反比.面積元dS與振幅A成正比.振幅A隨θ角增加而減小.菲涅耳衍射積分公式:SPθAugustinJeanFresnel1788-18272、惠更斯－菲涅耳原理波前上每一面元都可看成是新的次3、衍射和干涉的區(qū)別干涉和衍射都是光的波動(dòng)性表征.光的干涉是指兩束或有限束光的疊加,使得某些區(qū)域振動(dòng)加強(qiáng),某些區(qū)域減弱,形成明暗條紋,且每束光線都按幾何光學(xué)直線傳播.光的衍射是光在空間傳播時(shí)能夠繞過(guò)障礙物,且產(chǎn)生明暗條紋的現(xiàn)象,光不是按幾何光學(xué)的直線傳播.衍射現(xiàn)象就是無(wú)數(shù)個(gè)子波疊加時(shí)產(chǎn)生干涉的結(jié)果.衍射現(xiàn)象的本質(zhì)也是干涉現(xiàn)象.

嚴(yán)格地說(shuō),衍射問(wèn)題要用積分方法處理,非常復(fù)雜.一般用“半波帶法”來(lái)研究衍射問(wèn)題.3、衍射和干涉的區(qū)別干涉和衍射都是光的波動(dòng)性表征.菲涅耳衍射:光源S距衍射小孔或狹縫以及屏幕E距小孔或狹縫都在有限遠(yuǎn)處(或其中之一在有限遠(yuǎn)處)—近場(chǎng)衍射.夫瑯和費(fèi)衍射:光源S距衍射小孔或狹縫以及屏幕E距小孔或狹縫都在無(wú)限遠(yuǎn)處—遠(yuǎn)場(chǎng)衍射.ESP二、單縫衍射PSEJ.V.Fraunhofer1787-1826菲涅耳衍射:光源S距衍射小孔或狹縫以及屏幕E距小孔或狹縫都1、單縫夫瑯和費(fèi)衍射單縫衍射的最大光程差中央為明紋(零級(jí))最大光程差:衍射角:縫寬:OBAPC1、單縫夫瑯和費(fèi)衍射單縫衍射的最大光程差中央為明紋(零級(jí))最半波帶法(菲涅耳波帶):2、單縫衍射條紋的形成狹縫分為n個(gè)的半波帶n=2,AB分為兩個(gè)波帶,相互抵消,P1處為暗紋.P1BACOA1根據(jù)最大光程差是半波長(zhǎng)的幾倍,確定將縫寬分成幾份.OBAPC半波帶法(菲涅耳波帶):2、單縫衍射條紋的形成狹縫分為n個(gè)的n為半波長(zhǎng)的偶數(shù)倍時(shí),P處為暗紋.n為半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí),P處為亮紋.且級(jí)次n越高,亮紋越暗.明紋暗紋中央明紋n=3,AB分為三個(gè)波帶,兩個(gè)抵消,P2處為亮紋,是剩下一個(gè)波帶的效果.P2OBA2A1ACk=1,2,3,...01-2-123、單縫衍射條紋的明、暗條件n為半波長(zhǎng)的偶數(shù)倍時(shí),P處為暗紋.n為半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí),討論:

當(dāng),光強(qiáng)介于最大和最小之間,明紋有一定的寬度.光強(qiáng)分布光強(qiáng)對(duì)稱分布.第一級(jí)明紋約為中央明紋的5%,隨k增大,I迅速減小.中央明紋的寬度為第一級(jí)明紋寬度的2倍.暗紋條件:中央明紋角寬度:01-2-12討論:當(dāng),光強(qiáng)介于最第一級(jí)明紋的線寬度:當(dāng)一定時(shí),a減小,增大,衍射明顯.反之衍射不明顯.增大,增大,衍射明顯.,當(dāng)時(shí),

,幾何光學(xué).

.01-2-12x1-x1o幾何光學(xué)是波動(dòng)光學(xué)在a>>時(shí)的極限.中央明紋的線寬度:第一級(jí)明紋的線寬度:當(dāng)一定時(shí),a減小,增大,衍射明i,同側(cè),取“+”.i,異側(cè),取“-”.最大光程差復(fù)色光照射單縫光譜4、斜入射情況i,同側(cè),取“+”.最大光程差復(fù)色光照射單縫光譜4、斜解:例題:波長(zhǎng)為5460?的平行光垂直照射在a=0.437mm的單縫上,縫后有焦距為40cm的凸透鏡,求透鏡焦平面上出現(xiàn)的衍射中央明紋的寬度.fx-xO解:例題:波長(zhǎng)為5460?的平行光垂直照射在a=0.光柵:由大量等寬、等間距的平行狹縫所組成的光學(xué)元件.光柵常量d=(a+b)條紋數(shù)N=1/(a+b)abPO光柵衍射一、衍射光柵光柵:由大量等寬、等間距的平行狹縫所組成的光學(xué)元件.光柵常光柵衍射理論和實(shí)驗(yàn)證明:光柵的狹縫條數(shù)越多(光柵常量越小),條紋越明亮;條紋間距越大,條紋越細(xì).光柵衍射理論和實(shí)驗(yàn)證明:光柵的狹縫條數(shù)越多(光柵常量越小)光柵衍射圖樣是單縫衍射和多縫干涉的總效果.光柵方程:二、光柵衍射的光強(qiáng)分布斜入射光柵方程:i,同側(cè),取“+”.i,異側(cè),取“-”

.光柵衍射圖樣是單縫衍射和多縫干涉的總效果.光柵方程:缺級(jí):多縫干涉應(yīng)出現(xiàn)明紋處,由于衍射效應(yīng)卻成為暗紋的現(xiàn)象.設(shè):則:令:缺級(jí)單縫雙縫缺級(jí):缺級(jí):多縫干涉應(yīng)出現(xiàn)明紋處,由于衍射效應(yīng)卻成為暗紋的現(xiàn)象衍射光譜:當(dāng)白光垂直入射光時(shí),形成光柵光譜.中央零級(jí)明條紋仍為白光,其它主極大則由各種顏色的條紋組成,按波長(zhǎng)由短到長(zhǎng)的次序自中央向外側(cè)依次分開排列.

光柵常量(a+b)越小,或光譜級(jí)次越高,則同一級(jí)衍射光譜中的各色譜線分散得越開.衍射光譜:當(dāng)白光垂直入射光時(shí),形成光柵光譜.中央零級(jí)明例題:波長(zhǎng)為500nm和520nm的兩種單色光同時(shí)垂直入射在光柵常量為0.002cm的光柵上,緊靠光柵后用焦距為2m的透鏡把光線聚焦在屏幕上.求這兩束光的第三級(jí)譜線之間的距離.解:fx2x1例題:波長(zhǎng)為500nm和520nm的兩種單色光同時(shí)垂直例題:用每毫米500條柵紋的光柵,觀察鈉光譜線(=590nm)問(wèn):(1)光線垂直入射;(2)光線以入射角30o入射時(shí),最多能看到幾級(jí)條紋?解:k最大取k=3(1)(2)k最大取k=1取k=5例題:用每毫米500條柵紋的光柵,觀察鈉光譜線(=例題:用波長(zhǎng)=600nm的單色光垂直照射光柵,觀察到第二級(jí)明紋出現(xiàn)在sin=0.20處,第四級(jí)缺級(jí).計(jì)算(1)光柵常量;(2)狹縫的最小寬度;(3)列出全部明條紋的級(jí)次.解:例題:用波長(zhǎng)=600nm的單色光垂直照射光柵,觀例題:一平面光柵的光柵常數(shù)為d=6.0×10-3mm,縫寬a=1.2×10-3mm.平行單色光垂直射到光柵上,求單縫衍射中央明紋范圍內(nèi)有幾條譜線?解:由單縫衍射暗紋公式k=1時(shí),得中央明紋一半寬度的條件是:由光柵方程依題意,取則同時(shí),光柵衍射條紋第五級(jí)缺級(jí).所以,單縫衍射中央明紋范圍內(nèi)有9條譜線,即:譜線.例題:一平面光柵的光柵常數(shù)為d=6.0×10-3mm光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)一、圓孔衍射圓孔衍射的中央亮斑愛(ài)里斑,集中衍射光能80%.愛(ài)里斑的半角寬度:GeorgeAiry1835-1881一、圓孔衍射圓孔衍射的中央亮斑愛(ài)里斑,集中衍射光能80%.二、光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)二、光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)瑞利判據(jù):一物點(diǎn)衍射圖樣的中央最亮處剛好與另一物點(diǎn)衍射圖樣的第一級(jí)暗環(huán)相重合,就認(rèn)為這兩個(gè)物點(diǎn)恰好能被這一光學(xué)儀器所分辨.能分辨恰能分辨不能分辨1904NobelPrizeinPhysicsJ.W.S.Rayleigh1842-1919瑞利判據(jù):一物點(diǎn)衍射圖樣的中央最亮處剛好與另一物點(diǎn)衍射圖樣最小分辨角:分辨率:結(jié)論:分辨率與儀器的孔徑和光波波長(zhǎng)有關(guān).①采用大口徑透鏡,如天文望遠(yuǎn)鏡.②

使用短波長(zhǎng)光源,如電子顯微鏡.KeckI和KeckII分別在1991年和1996年建成,現(xiàn)在夏威夷的莫納克亞,口徑為10米,由36塊六角鏡面拼接組成,每塊鏡面口徑均為1.8米,而厚度僅為10厘米.

目前世界上最大的單個(gè)地面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡口徑為10米最小分辨角:分辨率:結(jié)論:分辨率與儀器的孔徑和光波波長(zhǎng)有關(guān)EricBetzig1960-StefanW.Hell1962-WilliamE.Moerner1953-2014NobelPrizeinChemistry1986NobelPrizeinPhysicsErnstRuska

1906-1988Kangaroo鼠腎上皮細(xì)胞的有絲分裂JSM-7100FSEMNikonN-STORM微管常規(guī)圖像與STORM圖像EricBetzigStefanW.HellWilli解:

例題:在通常亮度下,人眼瞳孔直徑為3.0mm,問(wèn)人眼最小分辨角為多大?(

=550nm)如果窗紗上兩根細(xì)絲之間的距離為2.0mm,問(wèn)人在多遠(yuǎn)恰能分辨.ls解:例題:在通常亮度下,人眼瞳孔直徑為3.0mm,X射線衍射1895年11月8日倫琴發(fā)現(xiàn)X射線,又稱倫琴射線.12月22日倫琴拍攝到首張醫(yī)學(xué)X射線照片－他妻子的手,無(wú)名指上戴著一枚戒指.1901NobelPrizeinPhysicsWilhelmC.R?ntgen1845-1923由高速電子撞擊物體時(shí)產(chǎn)生,它在本質(zhì)上和可見光一樣,是一種電磁波,其波長(zhǎng)約為:0.001~0.1nm一、X射線的產(chǎn)生X射線衍射1895年11月8日倫琴發(fā)現(xiàn)X射線,又稱二、X射線在晶體上的衍射布喇格方程:通過(guò)衍射光譜分析,確定晶體結(jié)構(gòu).根據(jù)已知晶體結(jié)構(gòu),分析X射線譜.1914NobelPrizeinPhysicsMaxvonLaue1879-1960

意義:二、X射線在晶體上的衍射布喇格方程:通過(guò)衍射光譜分析,確定偏振光與自然光偏振態(tài):在垂直光傳播方向的平面內(nèi)光矢量有不同的振動(dòng)狀態(tài).光矢量:電磁波的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量.光振動(dòng):電磁波的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量的振動(dòng).偏振光與自然光偏振態(tài):在垂直光傳播方向的平面內(nèi)光矢量有不同的腰橫扁擔(dān)進(jìn)不了城門只有橫波有偏振現(xiàn)象,而縱波無(wú)偏振問(wèn)題.通光方向腰橫扁擔(dān)進(jìn)不了城門只有橫波有偏振現(xiàn)象,而縱波無(wú)偏振問(wèn)題.通

因原子發(fā)光的“隨機(jī)性”,光矢量各方向隨機(jī)均勻分布,振幅相等,稱為自然光.一、自然光各方向光振動(dòng)無(wú)固定相位關(guān)系.y二、偏振光線偏振光:光矢量只沿一個(gè)固定方向振動(dòng).振動(dòng)面:光振動(dòng)方向與傳播方向構(gòu)成的平面.部分偏振光:某一方向光振動(dòng)比與之相垂直的另一方向的光振動(dòng)占優(yōu)勢(shì).因原子發(fā)光的“隨機(jī)性”,光矢量各方向隨機(jī)均勻分布,一、偏振片的起偏和檢偏偏振片:能吸收某一方向的光振動(dòng),而只讓與之垂直方向上的光振動(dòng)通過(guò)的一種透明薄片,如聚乙烯醇薄膜.偏振化方向:允許通過(guò)的光振動(dòng)方向.偏振片的用途:“起偏”和“檢偏”.

馬呂斯定律自然光起偏偏振光檢偏偏振光一、偏振片的起偏和檢偏偏振片:能吸收某一方向的光振動(dòng),而二、馬呂斯定律光強(qiáng)為I0的線偏振光,透過(guò)偏振片后,透射強(qiáng)度為:I0I證明:為線偏振光與偏振片偏振化方向間的夾角.étienne-LouisMalus1775-1812二、馬呂斯定律光強(qiáng)為I0的線偏振光,透過(guò)偏振片后,自然光強(qiáng)I0線偏振光強(qiáng)線偏振光強(qiáng)I0線偏振光強(qiáng)有兩次消光現(xiàn)象自然光強(qiáng)I0線偏振光強(qiáng)線偏振光強(qiáng)I0線偏振光強(qiáng)有兩次消光解:例題:已知自然光通過(guò)兩個(gè)偏振化方向相交60o的偏振片,透射光強(qiáng)為I1,今在這兩偏振片之間再插入另一偏振片,它的偏振化方向與前兩個(gè)偏振片的偏振化方向均夾30o角,則透射光強(qiáng)為多少?解:例題:已知自然光通過(guò)兩個(gè)偏振化方向相交60o的偏振片解:設(shè)入射光強(qiáng)度I0,自然光強(qiáng)度I10,偏振光強(qiáng)度I20.設(shè)通過(guò)偏振片后的光強(qiáng)分別為:I,

I1,

I2.例題:一束光由自然光和線偏振光混合組成,當(dāng)它通過(guò)一偏振片時(shí),發(fā)現(xiàn)透射光的強(qiáng)度隨偏振片的轉(zhuǎn)動(dòng)可以變化到5倍.求入射光中自然光和線偏振光的強(qiáng)度各占入射光強(qiáng)度的幾分之幾?解:設(shè)入射光強(qiáng)度I0,自然光強(qiáng)度I10,偏振光強(qiáng)度I一、反射和折射的起偏反射和折射光的偏振一、反射和折射的起偏反射和折射光的偏振布儒斯特角:自然光以布儒斯特角入射到兩不同介質(zhì)表面,其反射光為線偏振光,光振動(dòng)垂直于入射面.透射光為部分偏振光.n1n2布儒斯特定律:SirDavidBrewster1781-1868布儒斯特角:自然光以布儒斯特角入射到兩不同介質(zhì)表面,玻璃堆布儒斯特角線偏振光玻璃堆布儒斯特角線偏振光偏振片的應(yīng)用光源透過(guò)旋轉(zhuǎn)的起偏器,成為振動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)變化的線偏振光,通過(guò)背面涂有偏振材料(檢偏器)的畫面,由于透過(guò)光的明暗變化,使畫面中涂有偏振材料的部分動(dòng)起來(lái).立體電影偏振片的應(yīng)用光源透過(guò)旋轉(zhuǎn)的起偏器,成為振動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)偏光鏡偏振太陽(yáng)鏡駕駛員戴上偏振太陽(yáng)鏡可以防止馬路反射光的炫目.用偏光鏡消除反射偏振光.可避免反光對(duì)攝影效果的影響,玻璃、水面等.偏光鏡偏振太陽(yáng)鏡駕駛員戴上偏振太陽(yáng)鏡可以防止馬路反射檢偏器檢驗(yàn)表明:o光和e光都是線偏振光.尋常光線(o光):恒遵守通常折射定律的光線.非常光線(e光):不遵守通常折射定律的光線.產(chǎn)生的原因:o光和e光在晶體中傳播的速度不同.一、雙折射現(xiàn)象雙折射現(xiàn)象方解石晶體雙折射現(xiàn)象檢偏器檢驗(yàn)表明:o光和e光都是線偏振光.尋常光線(o光):光軸:在晶體中存在一個(gè)特殊的方向,沿該方向不會(huì)產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象,這一方向稱為晶體的光軸.主平面:包含光軸和某光線的平面稱為該光線的主平面.主截面:包含光軸和晶面法線的平面.雙軸晶體:單軸晶體:方解石、石英、紅寶石.云母、硫磺、藍(lán)寶石.正晶體負(fù)晶體光軸:在晶體中存在一個(gè)特殊的方向,沿該方向不會(huì)產(chǎn)生雙折射在晶體中,o光的光振動(dòng)垂直其主平面,而e光的光振動(dòng)平行于其主平面.102o78o78oDCBA光軸方解石晶體－負(fù)單軸晶光軸eo在晶體中,o光的光振動(dòng)垂直其主平面,而e光的光振o光在晶體中各方向傳播速度相同.e光在晶體中各方向傳播速度不同.主折射率二、雙折射現(xiàn)象的解釋o光在晶體中各方向傳播速度相同.e光在晶體中各方向傳播速度不CAB惠更斯原理解釋雙折射現(xiàn)象:光軸EFoe負(fù)晶體oe沿z軸入射光軸CAB惠更斯原理解釋雙折射現(xiàn)象:光軸EFoe負(fù)晶體oe沿z軸oe光軸光軸oe沿y軸入射沿x軸入射oe光軸光軸oe沿y軸入射沿x軸入射三、偏振棱鏡尼科耳棱鏡:將天然的方解石晶體按一定的要求加工成兩塊直角棱鏡,然后再用特種樹膠把它們粘合起來(lái)制成一塊斜長(zhǎng)方形的光學(xué)棱鏡.

ACNM光軸樹膠的折射率:o光的折射率:e光的主折射率:oe76o三、偏振棱鏡尼科耳棱鏡:將天然的方解石晶體按一定的要求加工格蘭－傅科棱鏡

格蘭－傅科棱鏡是尼科耳棱鏡的改進(jìn)型.將一塊方解石晶體加工成直角長(zhǎng)方體,切成兩個(gè)楔型,切開的兩部分不用樹膠粘合,而代以空氣層.o光對(duì)空氣層的臨界角:oee光對(duì)空氣層的臨界角:光軸Jean-Bernard-LeonFoucault1819-1868格蘭－傅科棱鏡格蘭－傅科棱鏡是尼科耳棱鏡的改進(jìn)型.一、橢圓偏振光和圓偏振光橢圓偏振光和圓偏振光波片AoAe偏振光自然光A光軸一、橢圓偏振光和圓偏振光橢圓偏振光和圓偏振光波片Ao正橢圓線偏振光正橢圓線偏振光光矢量端點(diǎn)在垂直于光傳播方向的截面內(nèi)描繪出橢圓軌跡.檢偏器旋轉(zhuǎn)一周,光強(qiáng)兩強(qiáng)兩弱.

光矢量端點(diǎn)在垂直于光傳播方向的截面內(nèi)描繪出圓形軌跡.檢偏器旋轉(zhuǎn)一周,光強(qiáng)無(wú)變化.

橢圓偏振光圓偏振光光矢量端點(diǎn)在垂直于光傳播方向的截面內(nèi)描繪出橢圓軌跡.二、波片正橢圓線偏振光正橢圓線偏振光偏振光通過(guò)波片后,o光和e光的光程差等于4的奇數(shù)倍.四分之一波片的最小厚度:偏振光通過(guò)四分之一波片后出射的是正橢圓偏振光,反之亦然.四分之一波片:二、波片正橢圓線偏振光正橢圓線偏振光偏振光通過(guò)波片后,o光

線偏振光通過(guò)半波片后仍是線偏振光,只是振動(dòng)方向轉(zhuǎn)過(guò)了2.半波片的最小厚度:光軸MNNM半波片:偏振光通過(guò)半波片后出射的o光和e光正好反位相.全波片:

=,出射光與入射光相同.

適當(dāng)選取厚度d可將線偏振光轉(zhuǎn)化為橢圓偏振光或?qū)E圓偏振光轉(zhuǎn)化為線偏振光./4波片/4波片/2波片線偏振光通過(guò)半波片后仍是線偏振光,只是振動(dòng)方向轉(zhuǎn)入射光

檢偏器旋轉(zhuǎn)部分偏振光?橢圓偏振光?有消光線偏振光I變有消光I不變自然光?圓偏振光?/4

波片I變無(wú)消光無(wú)消光橢圓偏振光部分偏振光有消光I不變圓偏振光自然光第一步三、偏振光的檢驗(yàn)第二步入射光檢偏器旋波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)學(xué)篇波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)學(xué)篇光的本質(zhì)—波動(dòng)說(shuō)與微粒說(shuō)的交鋒

1704年,牛頓在《光學(xué)》一書中指出,光是從發(fā)光體發(fā)出的,以直線傳播的微?！⒘Ｕf(shuō).I.Newton1643-17271690年,惠更斯在論文《光論》中指出,從光與聲的某些相似性出發(fā),認(rèn)為光是在以太介質(zhì)中傳播的球面縱波—波動(dòng)說(shuō).C.Huygens1629-1695光的本性—光具有波粒二象性光的本質(zhì)—波動(dòng)說(shuō)與微粒說(shuō)的交鋒1704年,牛頓在《光幾何光學(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(wèn)題.波動(dòng)光學(xué)光的直線傳播定律光的獨(dú)立傳播定律光的折射和反射定律以光的波動(dòng)性為基礎(chǔ),研究光的傳播及其規(guī)律.光的干涉光的衍射光的偏振內(nèi)容內(nèi)容幾何光學(xué)以光的直線傳播為基礎(chǔ),研究光在透明介質(zhì)中的量子光學(xué)以光與物質(zhì)相互作用時(shí)所顯示出的粒子性為基礎(chǔ),來(lái)研究光的一系列規(guī)律.現(xiàn)代光學(xué)反映了光學(xué)進(jìn)一步與各個(gè)科技領(lǐng)域的緊密結(jié)合.激光、全息攝影、光纖維光學(xué)計(jì)算機(jī)、傅里葉光學(xué)紅外技術(shù)、遙感、遙測(cè)等內(nèi)容內(nèi)容光與物質(zhì)的相互作用規(guī)律量子光學(xué)以光與物質(zhì)相互作用時(shí)所顯示出的粒子性為基礎(chǔ),光是某一波段的電磁波.可見光波長(zhǎng)為400~760nm.具有一定頻率的光稱為單色光.各種頻率不同的光復(fù)合起來(lái)稱為復(fù)色光

.光的相干性一、光源光源:發(fā)光的物體.兩大類光源:普通光源.激光光源.光是某一波段的電磁波.光的相干性一、光源光源:發(fā)光的物體.兩熱光源:利用熱能激發(fā)的光源,白熾燈.電致發(fā)光:由電能直接轉(zhuǎn)換為光能,發(fā)光二極管.光致發(fā)光:由光激發(fā)引起的發(fā)光現(xiàn)象,日光燈.化學(xué)發(fā)光:由化學(xué)反應(yīng)引起的發(fā)光現(xiàn)象,螢火蟲.普通光源按光的激發(fā)方式不同分為:原子模型“基態(tài)”電子“激發(fā)態(tài)”電子光子2014NobelPrizeinPhysicsIsamuAkasaki1929-ShujiNakamura1954-HiroshiAmano1960-熱光源:利用熱能激發(fā)的光源,白熾燈.電致發(fā)光:普通光源發(fā)光的兩個(gè)特點(diǎn):間歇性——

各原子發(fā)光是間歇的,平均發(fā)光時(shí)間t約為10-8～10-11s,所發(fā)出的是一段長(zhǎng)為L(zhǎng)=ct的光波列.

每次發(fā)光是隨機(jī)的,所發(fā)出各波列的振動(dòng)方向和振動(dòng)初相位都不相同.隨機(jī)性——兩獨(dú)立普通光源發(fā)出的光不可能產(chǎn)生干涉.普通光源發(fā)光的兩個(gè)特點(diǎn):間歇性——各原子發(fā)光是間歇1、光波描述光強(qiáng):光矢量振幅的平方,即二、光的干涉現(xiàn)象干涉定義:滿足相干條件的兩列或兩列以上的波,在空間重疊區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)相遇時(shí),將發(fā)生干涉現(xiàn)象.干涉條件:頻率、振動(dòng)方向相同,相位差恒定.相干光源:能產(chǎn)生相干光的光源.相干光:能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的光.1、光波描述光強(qiáng):光矢量振幅的平方,即二、光的干涉現(xiàn)2、干涉場(chǎng)中光強(qiáng)度的分布合振幅:相位差:合成光強(qiáng):2、干涉場(chǎng)中光強(qiáng)度的分布合振幅:相位差:合成光設(shè)1＝2若光強(qiáng)極大若光強(qiáng)極小其中為波程差光的干涉問(wèn)題關(guān)鍵在于計(jì)算波程差.設(shè)1＝2若光強(qiáng)極大若光強(qiáng)極小其中為波程差光的干兩束相干光的相位差一般可表示為:如果兩束光在兩種不同介質(zhì)中傳播:相位差:3、光程用光程差表述相干條件光程:兩束相干光的相位差一般可表示為:如果兩束光在兩種不同介質(zhì)中傳干涉的一般條件:光程的物理意義

光程是光在介質(zhì)中通過(guò)的路程折合到同一時(shí)間內(nèi)在真空中通過(guò)的相應(yīng)路程.結(jié)論:對(duì)光的干涉起決定作用的不是這兩束光的幾何路程之差,而是兩者的光程差.注:薄透鏡不引起附加光程差.干涉的一般條件:光程的物理意義光程是光在介質(zhì)中通過(guò)的分波前法:當(dāng)從同一個(gè)點(diǎn)光源或線光源發(fā)出的光波到達(dá)某平面時(shí),由該平面(即波前)上分離出兩部分.如楊氏雙縫干涉、菲涅耳雙面鏡、洛埃德鏡等.

4、從普通光源獲得相干光的方法分振幅法:利用透明薄膜上下兩個(gè)表面對(duì)入射光反射,產(chǎn)生的兩束反射光或一束反射光與一束透射光.如薄膜干涉、牛頓環(huán)和邁克耳遜干涉儀等.

分振動(dòng)面法:利用某些晶體的雙折射性質(zhì),將一束光分解為振動(dòng)面垂直的兩束光.分波前法:當(dāng)從同一個(gè)點(diǎn)光源或線光源發(fā)出的光波到達(dá)某平面時(shí),一、楊氏雙縫干涉1801年英國(guó)醫(yī)生兼物理學(xué)家托馬斯·楊首先成功進(jìn)行了光的干涉實(shí)驗(yàn),使光的波動(dòng)學(xué)說(shuō)得到了證實(shí).雙縫干涉ThomasYong1773-1829一、楊氏雙縫干涉1801年英國(guó)醫(yī)生兼物理學(xué)家托馬斯·干涉條件:由于兩列波由同一光束分解出來(lái),因此1=2.干涉條件:由于兩列波由同一光束分解出來(lái),因此楊氏雙縫光程差:由干涉條件得:楊氏雙縫光程差:由干涉條件得:相鄰明紋或暗紋的間距:結(jié)論:條紋等間距對(duì)稱分布在中央明紋兩側(cè).復(fù)色光照射雙縫時(shí)的條紋:-4-3-2-10123401-12-2明紋級(jí)數(shù)12-1-2暗紋級(jí)數(shù)干涉條紋在屏幕上的分布其中k稱為條紋的級(jí)次,屏幕中央(k=0)為中央明紋.暗紋:明紋:相鄰明紋或暗紋的間距:結(jié)論:條紋等間距對(duì)稱分布在中央明紋兩1、影響條紋寬度的因素楊氏雙縫干涉討論雙縫間距光波的波長(zhǎng)屏與縫的間距1、影響條紋寬度的因素楊氏雙縫干涉討論雙縫間距光波的波長(zhǎng)屏與2、在縫后加一薄玻璃片,觀察條紋的移動(dòng)dSS1S2PODxr1r2薄玻璃片蓋住上縫時(shí),條紋上移.薄玻璃片蓋住下縫時(shí),條紋下移.2、在縫后加一薄玻璃片,觀察條紋的移動(dòng)dSS1S2POD向下移動(dòng)光源時(shí),條紋上移.SS1S2PODxr1r23、上下移動(dòng)光源時(shí),觀察條紋的移動(dòng)向上移動(dòng)光源時(shí),條紋下移.向下移動(dòng)光源時(shí),條紋上移.SS1S2PODxr1r23二、菲涅耳雙鏡A.J.Fresnel1788-1827二、菲涅耳雙鏡A.J.Fresnel三、洛埃德鏡特點(diǎn):中央為暗條紋,說(shuō)明光從光疏媒質(zhì)入射到光密媒質(zhì)并反射時(shí)會(huì)出現(xiàn)半波損失.HumphreyLloyd1800-1881三、洛埃德鏡特點(diǎn):中央為暗條紋,說(shuō)明光從光疏媒質(zhì)入射到光例題:楊氏雙縫的間距為0.2mm,距離屏幕為1m.(1)若第一到第四明紋距離為7.5mm,求入射光波長(zhǎng).(2)若入射光的波長(zhǎng)為6000?,求相鄰兩明紋的間距.解:例題:楊氏雙縫的間距為0.2mm,距離屏幕為1m.例題:用薄云母片(n=1.58)覆蓋在楊氏雙縫的其中一條縫上,這時(shí)屏上的零級(jí)明紋移到原來(lái)的第七級(jí)明紋處.如果入射光波長(zhǎng)為5500?,問(wèn)云母片的厚度為多少?解:POd原七級(jí)明紋P點(diǎn)處插入云母后,P點(diǎn)為零級(jí)明紋例題:用薄云母片(n=1.58)覆蓋在楊氏雙縫的其

n1<n2<n3

無(wú)附加光程差.

n1>n2>n3

無(wú)附加光程差.

n1<n2,n2>n3

有半波損失,在上表面.

n1>n2,n2<n3

有半波損失,在下表面.薄膜干涉中的“半波損失”問(wèn)題:

找出干涉的兩束相干光.找出干涉地點(diǎn)(以便計(jì)算光程).計(jì)算兩相干光的光程差.列出明、暗紋的干涉條件.討論干涉的一般方法:薄膜干涉分類:等傾干涉和等厚干涉.薄膜干涉n1<n2<n3無(wú)附加光程差.薄膜特點(diǎn):等傾干涉條紋是一組內(nèi)疏外密的同心圓環(huán),入射角減小,圓半徑減小.

一、薄膜的等傾干涉1、等傾干涉特點(diǎn):等傾干涉條紋是一組內(nèi)疏外密的同心圓環(huán),入射角減小,光程差:干涉條件推導(dǎo)b2cQ1dan1n2

>n1en1考慮半波損失:光程差:干涉條件推導(dǎo)b2cQ1dan1n2>n1en1考薄膜干涉條件加強(qiáng):相消:等傾干涉:條紋級(jí)次取決于入射角的大小.問(wèn)題:透射光干涉時(shí)情況如何?特點(diǎn):傾角相同的光線對(duì)應(yīng)同一干涉條紋.薄膜干涉條件加強(qiáng):相消:等傾干涉:條紋級(jí)次取決于入射角的大越向內(nèi),級(jí)次越高.薄膜厚度e增大,k增大,條紋變密,向外移動(dòng).波長(zhǎng)增大,k減小,條紋變疏,向內(nèi)移動(dòng).條紋特征:越向內(nèi),級(jí)次越高.條紋特征:2、增透膜和高反膜增透膜:在透鏡表面鍍一層厚度均勻的透明介質(zhì)膜,使其上、下表面對(duì)某種色光的反射產(chǎn)生相消干涉.即減少對(duì)該色光的反射,增加其透射.高反膜:利用薄膜干涉原理,使薄膜上、下表面對(duì)某種色光的反射發(fā)生相長(zhǎng)干涉.即增加對(duì)該色光的反射,減少透射.激光器諧振腔宇航服2、增透膜和高反膜增透膜:在透鏡表面鍍一層厚度均勻的透明介解:例題:照相機(jī)透鏡常鍍上一層透明薄膜,目的就是利用干涉原理減少表面的反射,使更多的光進(jìn)入透鏡.常用的鍍膜物質(zhì)是MgF2,折射率n2

=1.38,為使可見光譜中=550nm的光有最小反射,問(wèn)膜厚e=?n2=1.38n3=1.50n1=1反射最小

k=0,1,2,…對(duì)應(yīng)于薄膜最小厚度,k=0得解:例題:照相機(jī)透鏡常鍍上一層透明薄膜,目的就是利用干涉例題:空氣中肥皂膜(n2=1.33),厚為0.32m.如用白光垂直入射,問(wèn)肥皂膜呈現(xiàn)什么色彩?解:∴2=567nm

(黃光)可見光范圍:400~760nm例題:空氣中肥皂膜(n2=1.33),厚為0.321、劈尖干涉條紋為一組平行于棱邊的平行線.由于存在半波損失,棱邊上為零級(jí)暗紋.條紋級(jí)次k隨著劈尖的厚度而變化.二、薄膜的等厚干涉條紋特征:1、劈尖干涉條紋為一組平行于棱邊的平行線.由于存在相鄰條紋所對(duì)應(yīng)的厚度差:增大,l減小,條紋變密.減小,l增大,條紋變疏.l明紋:暗紋:ne考慮垂直入射情況:相鄰條紋所對(duì)應(yīng)的厚度差:增大,l減小,條紋變密.l應(yīng)用一:

薄膜厚度的測(cè)量薄膜厚度:條紋數(shù)Ldl應(yīng)用一:薄膜厚度的測(cè)量薄膜厚度:條紋數(shù)Ldl說(shuō)明:k反映了偏離直線條紋的程度.應(yīng)用二:

光學(xué)表面檢查ee若因畸變使某處移動(dòng)了一個(gè)條紋的距離,k=1,則

k-1kk+1表面凸起

ek-1ek

k-1kk+1表面凹陷

ekek+1說(shuō)明:k反映了偏離直線條紋的程度.應(yīng)用二:光學(xué)表面檢例題:有一玻璃劈尖,放在空氣中,劈尖夾角

=810-6rad.波長(zhǎng)=0.589m的單色光垂直入射時(shí),測(cè)得干涉條紋間的寬度為l=2.4mm,求玻璃的折射率.解:例題:有一玻璃劈尖,放在空氣中,劈尖夾角=812、牛頓環(huán)特點(diǎn):干涉條紋是以平凸透鏡與平面玻璃板的接觸點(diǎn)為圓心的明暗相間圓環(huán),中心為暗點(diǎn).條紋間距不相等,且內(nèi)疏外密.2、牛頓環(huán)特點(diǎn):干涉條紋是以平凸透鏡與平面玻璃板暗紋明紋明、暗環(huán)半徑推導(dǎo)ORre牛頓環(huán)半徑公式明環(huán)暗環(huán)r暗紋明紋明、暗環(huán)半徑推導(dǎo)ORre牛頓環(huán)半徑公式明環(huán)暗環(huán)r例題:用鈉燈(

=589.3nm)觀察牛頓環(huán),看到第k條暗環(huán)的半徑為4mm,第k+5條暗環(huán)半徑為6mm,求所用平凸透鏡的曲率半徑R.解:聯(lián)立求解:例題:用鈉燈(=589.3nm)觀察牛頓環(huán),看到三、邁克耳遜干涉儀

邁克耳遜和莫雷利用邁克耳遜干涉儀進(jìn)行過(guò)著名的否定舊以太說(shuō)實(shí)驗(yàn),在近代科學(xué)技術(shù)中有著重要應(yīng)用.1907NobelPrizeinPhysics

邁克耳遜干涉儀是利用光的干涉精確測(cè)量長(zhǎng)度和長(zhǎng)度變化的儀器.EdwardW.Morley1838-1923AlbertA.Michelson1852-1931三、邁克耳遜干涉儀邁克耳遜和莫雷利用邁克耳遜干涉儀進(jìn)G2邁克爾遜干涉儀工作原理G1G2邁克爾遜干涉儀工作原理G1邁克耳遜干涉儀等傾干涉等厚干涉邁克耳遜干涉儀等傾干涉等厚干涉例題:當(dāng)把折射率為n=1.40的薄膜放入邁克爾遜干涉儀的一臂時(shí),如果產(chǎn)生了7條條紋的移動(dòng),求薄膜的厚度.(已知鈉光的波長(zhǎng)為

=589.3nm)解:t例題:當(dāng)把折射率為n=1.40的薄膜放入邁克爾遜干涉儀

波在傳播過(guò)程中遇到障礙物,能夠繞過(guò)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.正三邊形孔單縫正八邊形孔正六邊形孔正四邊形孔單縫衍射1、光的衍射現(xiàn)象一、惠更斯－菲涅耳原理波在傳播過(guò)程中遇到障礙物,能夠繞過(guò)障礙物的邊緣前進(jìn)說(shuō)明:幾何光學(xué)告訴我們,屏幕上的圖像大小與圓孔大小成正比.但繼續(xù)縮小圓孔直徑,發(fā)現(xiàn)……說(shuō)明:若孔徑與波長(zhǎng)相比不是很大,那么屏上圖象不再是均勻的,而是明暗相間變化的條紋.光的衍射現(xiàn)象說(shuō)明:幾何光學(xué)告訴我們,屏幕上的圖像大小與圓孔大小成正比2、惠更斯－菲涅耳原理

波前上每一面元都可看成是新的次波波源,它們發(fā)出的次波在空間相遇,空間每一點(diǎn)的振動(dòng)是所有這些次波在該點(diǎn)所產(chǎn)生振動(dòng)的疊加(出現(xiàn)干涉現(xiàn)象).假設(shè):次波在P點(diǎn)的振幅A與距離r

成反比.面積元dS與振幅A成正比.振幅A隨θ角增加而減小.菲涅耳衍射積分公式:SPθAugustinJeanFresnel1788-18272、惠更斯－菲涅耳原理波前上每一面元都可看成是新的次3、衍射和干涉的區(qū)別干涉和衍射都是光的波動(dòng)性表征.光的干涉是指兩束或有限束光的疊加,使得某些區(qū)域振動(dòng)加強(qiáng),某些區(qū)域減弱,形成明暗條紋,且每束光線都按幾何光學(xué)直線傳播.光的衍射是光在空間傳播時(shí)能夠繞過(guò)障礙物,且產(chǎn)生明暗條紋的現(xiàn)象,光不是按幾何光學(xué)的直線傳播.衍射現(xiàn)象就是無(wú)數(shù)個(gè)子波疊加時(shí)產(chǎn)生干涉的結(jié)果.衍射現(xiàn)象的本質(zhì)也是干涉現(xiàn)象.

嚴(yán)格地說(shuō),衍射問(wèn)題要用積分方法處理,非常復(fù)雜.一般用“半波帶法”來(lái)研究衍射問(wèn)題.3、衍射和干涉的區(qū)別干涉和衍射都是光的波動(dòng)性表征.菲涅耳衍射:光源S距衍射小孔或狹縫以及屏幕E距小孔或狹縫都在有限遠(yuǎn)處(或其中之一在有限遠(yuǎn)處)—近場(chǎng)衍射.夫瑯和費(fèi)衍射:光源S距衍射小孔或狹縫以及屏幕E距小孔或狹縫都在無(wú)限遠(yuǎn)處—遠(yuǎn)場(chǎng)衍射.ESP二、單縫衍射PSEJ.V.Fraunhofer1787-1826菲涅耳衍射:光源S距衍射小孔或狹縫以及屏幕E距小孔或狹縫都1、單縫夫瑯和費(fèi)衍射單縫衍射的最大光程差中央為明紋(零級(jí))最大光程差:衍射角:縫寬:OBAPC1、單縫夫瑯和費(fèi)衍射單縫衍射的最大光程差中央為明紋(零級(jí))最半波帶法(菲涅耳波帶):2、單縫衍射條紋的形成狹縫分為n個(gè)的半波帶n=2,AB分為兩個(gè)波帶,相互抵消,P1處為暗紋.P1BACOA1根據(jù)最大光程差是半波長(zhǎng)的幾倍,確定將縫寬分成幾份.OBAPC半波帶法(菲涅耳波帶):2、單縫衍射條紋的形成狹縫分為n個(gè)的n為半波長(zhǎng)的偶數(shù)倍時(shí),P處為暗紋.n為半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí),P處為亮紋.且級(jí)次n越高,亮紋越暗.明紋暗紋中央明紋n=3,AB分為三個(gè)波帶,兩個(gè)抵消,P2處為亮紋,是剩下一個(gè)波帶的效果.P2OBA2A1ACk=1,2,3,...01-2-123、單縫衍射條紋的明、暗條件n為半波長(zhǎng)的偶數(shù)倍時(shí),P處為暗紋.n為半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí),討論:

當(dāng),光強(qiáng)介于最大和最小之間,明紋有一定的寬度.光強(qiáng)分布光強(qiáng)對(duì)稱分布.第一級(jí)明紋約為中央明紋的5%,隨k增大,I迅速減小.中央明紋的寬度為第一級(jí)明紋寬度的2倍.暗紋條件:中央明紋角寬度:01-2-12討論:當(dāng),光強(qiáng)介于最第一級(jí)明紋的線寬度:當(dāng)一定時(shí),a減小,增大,衍射明顯.反之衍射不明顯.增大,增大,衍射明顯.,當(dāng)時(shí),

,幾何光學(xué).

.01-2-12x1-x1o幾何光學(xué)是波動(dòng)光學(xué)在a>>時(shí)的極限.中央明紋的線寬度:第一級(jí)明紋的線寬度:當(dāng)一定時(shí),a減小,增大,衍射明i,同側(cè),取“+”.i,異側(cè),取“-”.最大光程差復(fù)色光照射單縫光譜4、斜入射情況i,同側(cè),取“+”.最大光程差復(fù)色光照射單縫光譜4、斜解:例題:波長(zhǎng)為5460?的平行光垂直照射在a=0.437mm的單縫上,縫后有焦距為40cm的凸透鏡,求透鏡焦平面上出現(xiàn)的衍射中央明紋的寬度.fx-xO解:例題:波長(zhǎng)為5460?的平行光垂直照射在a=0.光柵:由大量等寬、等間距的平行狹縫所組成的光學(xué)元件.光柵常量d=(a+b)條紋數(shù)N=1/(a+b)abPO光柵衍射一、衍射光柵光柵:由大量等寬、等間距的平行狹縫所組成的光學(xué)元件.光柵常光柵衍射理論和實(shí)驗(yàn)證明:光柵的狹縫條數(shù)越多(光柵常量越小),條紋越明亮;條紋間距越大,條紋越細(xì).光柵衍射理論和實(shí)驗(yàn)證明:光柵的狹縫條數(shù)越多(光柵常量越小)光柵衍射圖樣是單縫衍射和多縫干涉的總效果.光柵方程:二、光柵衍射的光強(qiáng)分布斜入射光柵方程:i,同側(cè),取“+”.i,異側(cè),取“-”

.光柵衍射圖樣是單縫衍射和多縫干涉的總效果.光柵方程:缺級(jí):多縫干涉應(yīng)出現(xiàn)明紋處,由于衍射效應(yīng)卻成為暗紋的現(xiàn)象.設(shè):則:令:缺級(jí)單縫雙縫缺級(jí):缺級(jí):多縫干涉應(yīng)出現(xiàn)明紋處,由于衍射效應(yīng)卻成為暗紋的現(xiàn)象衍射光譜:當(dāng)白光垂直入射光時(shí),形成光柵光譜.中央零級(jí)明條紋仍為白光,其它主極大則由各種顏色的條紋組成,按波長(zhǎng)由短到長(zhǎng)的次序自中央向外側(cè)依次分開排列.

光柵常量(a+b)越小,或光譜級(jí)次越高,則同一級(jí)衍射光譜中的各色譜線分散得越開.衍射光譜:當(dāng)白光垂直入射光時(shí),形成光柵光譜.中央零級(jí)明例題:波長(zhǎng)為500nm和520nm的兩種單色光同時(shí)垂直入射在光柵常量為0.002cm的光柵上,緊靠光柵后用焦距為2m的透鏡把光線聚焦在屏幕上.求這兩束光的第三級(jí)譜線之間的距離.解:fx2x1例題:波長(zhǎng)為500nm和520nm的兩種單色光同時(shí)垂直例題:用每毫米500條柵紋的光柵,觀察鈉光譜線(=590nm)問(wèn):(1)光線垂直入射;(2)光線以入射角30o入射時(shí),最多能看到幾級(jí)條紋?解:k最大取k=3(1)(2)k最大取k=1取k=5例題:用每毫米500條柵紋的光柵,觀察鈉光譜線(=例題:用波長(zhǎng)=600nm的單色光垂直照射光柵,觀察到第二級(jí)明紋出現(xiàn)在sin=0.20處,第四級(jí)缺級(jí).計(jì)算(1)光柵常量;(2)狹縫的最小寬度;(3)列出全部明條紋的級(jí)次.解:例題:用波長(zhǎng)=600nm的單色光垂直照射光柵,觀例題:一平面光柵的光柵常數(shù)為d=6.0×10-3mm,縫寬a=1.2×10-3mm.平行單色光垂直射到光柵上,求單縫衍射中央明紋范圍內(nèi)有幾條譜線?解:由單縫衍射暗紋公式k=1時(shí),得中央明紋一半寬度的條件是:由光柵方程依題意,取則同時(shí),光柵衍射條紋第五級(jí)缺級(jí).所以,單縫衍射中央明紋范圍內(nèi)有9條譜線,即:譜線.例題:一平面光柵的光柵常數(shù)為d=6.0×10-3mm光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)一、圓孔衍射圓孔衍射的中央亮斑愛(ài)里斑,集中衍射光能80%.愛(ài)里斑的半角寬度:GeorgeAiry1835-1881一、圓孔衍射圓孔衍射的中央亮斑愛(ài)里斑,集中衍射光能80%.二、光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)二、光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)瑞利判據(jù):一物點(diǎn)衍射圖樣的中央最亮處剛好與另一物點(diǎn)衍射圖樣的第一級(jí)暗環(huán)相重合,就認(rèn)為這兩個(gè)物點(diǎn)恰好能被這一光學(xué)儀器所分辨.能分辨恰能分辨不能分辨1904NobelPrizeinPhysicsJ.W.S.Rayleigh1842-1919瑞利判據(jù):一物點(diǎn)衍射圖樣的中央最亮處剛好與另一物點(diǎn)衍射圖樣最小分辨角:分辨率:結(jié)論:分辨率與儀器的孔徑和光波波長(zhǎng)有關(guān).①采用大口徑透鏡,如天文望遠(yuǎn)鏡.②

使用短波長(zhǎng)光源,如電子顯微鏡.KeckI和KeckII分別在1991年和1996年建成,現(xiàn)在夏威夷的莫納克亞,口徑為10米,由36塊六角鏡面拼接組成,每塊鏡面口徑均為1.8米,而厚度僅為10厘米.

目前世界上最大的單個(gè)地面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡口徑為10米最小分辨角:分辨率:結(jié)論:分辨率與儀器的孔徑和光波波長(zhǎng)有關(guān)EricBetzig1960-StefanW.Hell1962-WilliamE.Moerner1953-2014NobelPrizeinChemistry1986NobelPrizeinPhysicsErnstRuska

1906-1988Kangaroo鼠腎上皮細(xì)胞的有絲分裂JSM-7100FSEMNikonN-STORM微管常規(guī)圖像與STORM圖像EricBetzigStefanW.HellWilli解:

例題:在通常亮度下,人眼瞳孔直徑為3.0mm,問(wèn)人眼最小分辨角為多大?(

=550nm)如果窗紗上兩根細(xì)絲之間的距離為2.0mm,問(wèn)人在多遠(yuǎn)恰能分辨.ls解:例題:在通常亮度下,人眼瞳孔直徑為3.0mm,X射線衍射1895年11月8日倫琴發(fā)現(xiàn)X射線,又稱倫琴射線.12月22日倫琴拍攝到首張醫(yī)學(xué)X射線照片－他妻子的手,無(wú)名指上戴著一枚戒指.1901NobelPrizeinPhysicsWilhelmC.R?ntgen1845-1923由高速電子撞擊物體時(shí)產(chǎn)生,它在本質(zhì)上和可見光一樣,是一種電磁波,其波長(zhǎng)約為:0.001~0.1nm一、X射線的產(chǎn)生X射線衍射1895年11月8日倫琴發(fā)現(xiàn)X射線,又稱二、X射線在晶體上的衍射布喇格方程:通過(guò)衍射光譜分析,確定晶體結(jié)構(gòu).根據(jù)已知晶體結(jié)構(gòu),分析X射線譜.1914NobelPrizeinPhysicsMaxvonLaue1879-1960

意義:二、X射線在晶體上的衍射布喇格方程:通過(guò)衍射光譜分析,確定偏振光與自然光偏振態(tài):在垂直光傳播方向的平面內(nèi)光矢量有不同的振動(dòng)狀態(tài).光矢量:電磁波的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量.光振動(dòng):電磁波的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量的振動(dòng).偏振光與自然光偏振態(tài):在垂直光傳播方向的平面內(nèi)光矢量有不同的腰橫扁擔(dān)進(jìn)不了城門只有橫波有偏振現(xiàn)象,而縱波無(wú)偏振問(wèn)題.通光方向腰橫扁擔(dān)進(jìn)不了城門只有橫波有偏振現(xiàn)象,而縱波無(wú)偏振問(wèn)題.通

因原子發(fā)光的“隨機(jī)性”,光矢量各方向隨機(jī)均勻分布,振幅相等,稱為自然光.一、自然光各方向光振動(dòng)無(wú)固定相位關(guān)系.y二、偏振光線偏振光:光矢量只沿一個(gè)固定方向振動(dòng).振動(dòng)面:光振動(dòng)方向與傳播方向構(gòu)成的平面.部分偏振光:某一方向光振動(dòng)比與之相垂直的另一方向的光振動(dòng)占優(yōu)勢(shì).因原子發(fā)光的“隨機(jī)性”,光矢量各方向隨機(jī)均勻分布,一、偏振片的起偏和檢偏偏振片:能吸收某一方向的光振動(dòng),而只讓與之垂直方向上的光振動(dòng)通過(guò)的一種透明薄片,如聚乙烯醇薄膜.偏振化方向:允許通過(guò)的光振動(dòng)方向.偏振片的用途:“起偏”和“檢偏”.

馬呂斯定律自然光起偏偏振光檢偏偏振光一、偏振片的起偏和檢偏偏振片:能吸收某一方向的光振動(dòng),而二、馬呂斯定律光強(qiáng)為I0的線偏振光,透過(guò)偏振片后,