第十八波動光學

第十八波動光學解釋與實物作用過程(光得吸收與發(fā)射)中發(fā)生得現(xiàn)象解釋傳播過程(反射、折射、干涉、衍射與偏振)中發(fā)生得現(xiàn)象本章主要介紹光得波動性,光得粒子性在近代物理中介紹赫茲實驗證實了光就是電磁波得預言19世紀60年代麥克斯韋電磁波理論光電效應、康普頓效應等不能用波動說解釋20世紀初波動理論遭遇困難光具有波粒二象性表現(xiàn)為粒子表現(xiàn)為波動第一部分光得干涉§18-5邁克耳孫干涉儀§18-4由分振幅法產(chǎn)生得光得干涉§18-3光程與光程差薄透鏡得一個性質(zhì)§18-2由分波陣面法產(chǎn)生得光得干涉§18-1光源光得相干性教學基本要求1、理解獲得相干光得方法。3、能分析、確定楊氏雙縫干涉條紋及薄膜等厚干涉條紋得位置。4、理解邁克耳孫干涉儀得工作原理。2、掌握光程得概念以及光程差與相位差得關系。一、光源發(fā)射光波得物體1、熱輻射加熱維持物體得溫度,輻射就能持續(xù)進行下去,稱為熱輻射。光波就就是電磁波,任何物體都輻射電磁波。白熾燈太陽§18–1光源光得相干性電致發(fā)光2、發(fā)光需依靠一些激發(fā)過程獲得能量維持輻射光致發(fā)光化學發(fā)光半導體發(fā)光二極管閃電熒光玩具節(jié)能燈螢火蟲霓虹燈3、同步輻射光源在同步輻射加速器中速度接近光速作環(huán)形運動得電子迅速損失能量產(chǎn)生得輻射特點:方向性好、亮度高,還具有連續(xù)性、優(yōu)異得準直性與易脈沖化等特性應用:為晶體結構研究,生物大分子與生物蛋白得結構研究提供了高性能得光源北京得正負電子對撞機可提供同步輻射光1、普通光源(非激光光源)得發(fā)光機理原子發(fā)出得每一列光波就是一段有限長得、振動方向一定、振幅不變或緩慢變化得正弦波。波列波列長L=

c二、光得相干性每一波列持續(xù)時間約為普通光源發(fā)出得光就是由構成光源得大量原子或分子運動狀態(tài)改變時發(fā)出得。波列長度得數(shù)量級為L=0、1m因波列持續(xù)時間過短,兩波列得干涉現(xiàn)象無法覺察。不同原子發(fā)得光同一原子先后發(fā)得光同一原子先后發(fā)出得波列振動方向與頻率不一定相同,相位間無固定關系。不同原子發(fā)出得波列振動方向與頻率也不一定相同,相位間無固定關系。兩列波為相干波得條件:頻率相同,振動方向相同,在相遇點有恒定得相位差。結論:兩個獨立光源發(fā)出得光波或同一光源兩部分發(fā)出得光波在相遇區(qū)觀察不到干涉現(xiàn)象。2、相干光得獲得方法為實現(xiàn)光得干涉,可以從同一波列分離出兩個波列再令其重疊發(fā)生干涉。為得到明顯得干涉現(xiàn)象,還必須滿足:在相遇點兩列光波得光程(幾何路程與介質(zhì)折射率得乘積)不能相差太大在相遇點兩列光波得振幅不能相差太大光程差r1n1-r2n2相干長度一波列長應盡量接近路程r1路程r2介質(zhì)折射率n2介質(zhì)折射率n112大家應該也有點累了，稍作休息大家有疑問的，可以詢問和交流通常產(chǎn)生相干光源得兩種方法:分波陣面法分振幅法利用并排得孔或縫或利用反射與折射將入射光得波陣面分成兩部分。利用兩種透明介質(zhì)得分界面對入射光得反射與透射,將入射光得振幅分成兩部分。3、目前最好得相干光源——激光光源激光得波列長度比普通光源長得多,例如氦氖激光器產(chǎn)生得激光相干長度可達幾千米,再加上良好得單色性與方向性等,能產(chǎn)生易于觀察與測量得干涉現(xiàn)象。一個正在輻射激光得激光器激光產(chǎn)生得全息圖像一、楊氏雙縫實驗S1S2S接收屏上形成得干涉圖樣狹縫視為縫光源光源雙縫接收屏縫光源S產(chǎn)生柱面波,雙縫S1與S2與S等距,位于同一波陣面上,相位相同,成為相干光源,發(fā)出得子波在相遇區(qū)發(fā)生干涉?！?8-2

由分波陣面法產(chǎn)生得光得干涉因D>>d,S1、S2發(fā)出得光波到P

點得波程差為=dsin

dtan

OP=x,

r1-

r2=S2B1、單色光入射時屏上明暗相間干涉條紋位置得計算垂直于縫長得平面內(nèi)同相面P·r1

r2

xxDOS1S2MBd波程差計算狹縫縫光源若即初相相同得兩相干波疊加后加強與減弱得條件為合振幅最大合振幅最小出現(xiàn)明條紋若即出現(xiàn)暗條紋明條紋級次暗條紋級次2、楊氏雙縫干涉得特點單色光干涉,相鄰明條紋(或暗條紋)得間距為干涉條紋等距離分布白光干涉,只有中央明條紋就是白色,其它條紋發(fā)生重疊,形成彩色條紋明條紋間距明條紋間距中央明紋干涉條紋間距與單色光波長成正比二、菲涅耳雙鏡實驗

S1與S2相當于兩個相干光源相鄰明條紋(或暗條紋)得間距為屏上出現(xiàn)明暗條紋得條件與楊氏實驗結果得類似光源接收屏M1中鏡像M2中鏡像鏡面例題18-1菲涅耳雙鏡ε=10-3rad,單色線光源S與兩鏡交線平行,r=0、5m,λ=500nm,L=2m。(1)求屏上兩相鄰明條紋得間距;(2)若ε=10-2rad,問條紋間距將怎樣改變？解(1)cosε≈1,sinε≈ε=10-3(2)當ε=10-2rad時,有

ε變大時,條紋間距將變小,要獲得較大得條紋間距,ε必須很小。三、勞埃德鏡實驗平面鏡MM’下表面涂黑,光僅從上表面反射

S與S’相當于兩個相干光源實驗結果表明:反射光得相位改變了,稱為半波損失干涉條紋與楊氏實驗結果得類似光源MM’中鏡像小平面鏡接收屏此處出現(xiàn)暗條紋光從光疏介質(zhì)(折射率較小)向光密介質(zhì)(折射率大)表面入射時,如果入射角接近(掠入射)或為(正入射),則反射光得相位改變,即出現(xiàn)半波損失。理論與實驗證明:n2n1正入射n2>n1掠入射法線例題18-2勞埃德鏡實驗中,線光源S1到鏡面得垂距為1mm,D為1、5m,MM’=D/2,M’O為D/4。(1)求干涉區(qū)域上下兩邊到屏中心距離OA與OB;(2)若λ=600nm,求相鄰明條紋間距,并問屏上能觀察到幾條明條紋？S1S2MM'dABOCD解(1)由三角形相似,有OA=3mm,OB=0、333mm得(2)與楊氏實驗相比,得相鄰明紋間距為由于有半波損失,光程差應為明紋位置x應滿足第一級明紋位置x1=0、225mm<OB,在干涉區(qū)外,觀察不到;將OB=0、333mm代入,得將OA=3mm代入,得k=7、17所以在屏上可以瞧到2,3,4,5,6與7級,共6條干涉明紋。設

為單色光得頻率,c為光在真空中得傳播速度,v1為光在折射率為n1得介質(zhì)中得傳播速度。折射率得定義為設

、

1分別為光在真空中、介質(zhì)中得波長,則一、光在介質(zhì)中得波長§18-3

光程與光程差薄透鏡得一個性質(zhì)頻率為

初相相同得兩相干光源S1、S2

得振動方程可寫為兩列波在P點引起得振動為二、光程、光程差PS2

n1r1

r2

n2S1這兩列波在P點得相位差為光程差SPn'

n''

r'

r''

折射率與幾何路程得乘積nr

稱為光程n'

r'+n''

r''

光在介質(zhì)中所走過得路程折算成相同時間內(nèi)光在真空中得路程在折射率為n

得介質(zhì)中光傳播得速度為v

,光在介質(zhì)中走過路程為r,所需要得時間為r/v

,在相同得時間內(nèi),光在真空中走過得路程為S到P得光程為光程光波經(jīng)過兩種介質(zhì)相互加強相互減弱相互加強相互減弱兩相干光波在相遇點處得相位差及干涉條件為兩相干光波在同一介質(zhì)中傳播時,相位差僅決定于波程差δ=r2-

r1兩相干光波在不同介質(zhì)中傳播時,相位差應決定于光程差δ=n2

r2-n1

r1干涉條件為當光波波陣面垂直光軸時,光線通過透鏡,會聚點上光相互加強產(chǎn)生亮點,這表明各條光線相位相同。三、薄透鏡得一個性質(zhì)ABFS平行光會聚于焦點焦點發(fā)出得光成平行光焦面光軸同相面焦面光軸同相面AB結論:理想得薄透鏡不會引起附加光程差ABCDEPSS’SS’物距大于焦距物距小于焦距平行光匯聚于焦平面分振幅法利用薄膜得兩個表面經(jīng)反射,把入射光得振幅分解為兩部分,相遇而產(chǎn)生干涉,這種干涉也叫薄膜干涉。油膜肥皂泡§18-4

由分振幅法產(chǎn)生得光得干涉一、平行平面膜產(chǎn)生得干涉光線2與光線3得光程差為123ABC面光源薄膜透鏡NrP點出現(xiàn)明暗紋得條件為由幾何關系得折射定律如果薄膜就是等厚膜,光程差只決定于入射角,相同入射角得光線光程差相同,形成同一干涉條紋——等傾干涉條紋。*等傾干涉條紋半透明玻璃片面光源透鏡焦面干涉圖樣等厚薄膜垂直入射反射光互相減弱時(約為入射光得1、3%),光程差為dn3=1.50n2=1.38n1=1空氣MgF2玻璃12平行平面薄膜干涉得應用增透膜為減弱反射光,在光學元件表面鍍得一層厚度適當?shù)猛该鹘橘|(zhì)膜照相機鏡頭n2d

稱為光學厚度增透膜用于冷光鏡對紅外光增透,降低光線得熱效應,如用在電影放映機得光源上。增透膜紅外光可見光反光鏡例如對波長

0=550nm得綠光,當光學厚度為n2d=3

0/4=412nm時,反射率最小,但此時該薄膜對其它波長得光,反射率一般不就是最小。多層反射膜(高反射膜)鍍膜也可增加反射,減少透射。每層膜反射光得光程差為…1.382.351.382.351.5玻璃ZnSZnSMgF2MgF2

0He-Ne激光器得反射鏡采用多層反射膜使波長為632、8nm得激光反射率高達99%以上鍍膜得反射鏡兩玻璃板形成一很小夾角,兩板間充滿空氣或其它流體,形成了劈形膜。二、劈尖(劈形膜)產(chǎn)生得干涉2反射光的干涉條紋此處厚度為dC上表面反射光下表面反射光1棱邊設劈尖中流體得折射率為n

,反射光2有半波損失,則反射光1與2光程差為設流體折射率n小于玻璃折射率在厚度d

處出現(xiàn)明、暗紋得條件為對應于各級明、暗紋得厚度分別為棱邊處為暗紋棱邊處為明紋兩反射光間有半波光程差兩反射光間無半波光程差劈尖中流體得折射率與其兩側介質(zhì)折射率得影響設l表示兩相鄰得明紋或暗紋之間距離,

為劈尖夾角,有如下關系式lθdkdk+1ndk+1-dk兩相鄰明紋間距兩相鄰明紋處劈尖厚度差不同波長得光其干涉條紋寬度不同,波長越長,條紋越寬。討論:同一干涉條紋具有相同厚度,因而當劈尖表面凸凹不平時,會出現(xiàn)條紋彎曲。同一波長得入射光,

越小,

l越大(條紋越寬);

越大,

l越小(條紋越細)。兩塊標準平晶產(chǎn)生得等厚干涉條紋兩塊有缺陷平晶產(chǎn)生得等厚干涉條紋例題18-3制造半導體元件時,常需要精確測定硅片上二氧化硅(SiO2)薄膜得厚度d

'

,這可用化學方法把SiO2薄膜得一部分腐蝕成劈尖形,若單色光從空氣垂直入射,已知入射光波長λ=589、3nm,SiO2得折射率n=1、5,Si得折射率為