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1、物理光学,第五章,什么是物理光学？,以光线为基础，研究光的传播和成像规律，不涉及光的本性。,从波动角度研究光的各种现象。,从粒子角度研究光的各种现象。,光是一种电磁波,真空中的光速,光矢量 用 矢量表示光矢量, 它在引起人眼视觉和底片感光上起主要作用 .,主要内容,5-1 光度学基础 5-2 光的干涉 5-3 光的衍射 5-4 光的偏振 5-5 光的其他现象 旋光现象 光的吸收 光的散射,5.1 光度学基础,光度学是一门研究光强弱的学科 辐射通量 定义：单位时间内，光波通过面积为dS截面的能量。单位：瓦 不同颜色的光，在辐射通量相同的情况下使人眼感到的明亮程度不同。 视见函数 实验表明，较明亮
2、条件下，人眼对波长为555nm的绿光最为敏感 定义： 在亮暗感觉相同的条件下，波长555nm的光功率和某波长的光功率之比,光通量 考虑人眼的视觉因素，将视见函数作为权重引入辐射通量，描述视觉感受到的光功率的量 基于上述考虑，光通量和入射光的辐射通量和视见函数的乘积成正比 R为光功当量，R=683lm/W 单位： 流明（lm） 1W555nm波长的光的光通量为683lm。,发光强度 定义：点光源在某方向立体角d内的光通量是 dF，则在该方向上的发光强度为 单位： 坎德拉（cd） 1cd=1lm/sr,照度 一个被光照射的面，其照明情况可用照度描述 定义： 如在面元dS上接受到的光通量为dF,则此
3、面元上的照度为 单位：勒克斯（lx） 1lx=1lm/m2,前面我们引入了多个单位：流明，坎德拉和勒克斯，在实际应用中，需选定其中一个作为基本单位，其他作为导出单位,在光度学中选定发光强度的单位坎德拉作为基本单位。1979年国际计量大会规定：坎德拉是发出540 1012Hz频率的单色光源在给定方向上的发光强度，在该方向上的辐射强度为（1/683）W/sr,坎德拉是国际单位制中七个标准单位之一,丰富多彩的干涉现象,水膜在白光下,白光下的肥皂膜,5.2 光的干涉,蝉翅在阳光下,蜻蜓翅膀在阳光下,白光下的油膜,肥皂泡玩过吗?,1、光的相干性,一、光波的干涉条件:,振动方向相同，频率相同，位相差恒定,
4、相干条件,两列波必须：,相长干涉,相消干涉,振动方向相同，频率相同，位相差2k,振动方向相同，频率相同，位相差(2k+1),二、相长相消的判据,据波的相位传播公式,相长,相消,两个相同相位出发的两列波,x1,x2,三、光程,介质中的波长,相位差,物理意义：光在媒质中通过的几何路程r 相当于真空中的路程nr.这样就可以将不同媒质中光的传播都折算为在真空中的传播。,介质中的波长,1) 光程: 媒质折射率与光的几何路程之积 =,2）光程差 (两光程之差),光程差,相位差,透镜对光程的影响,（透镜只改变光路，不引起附加的光程差）,四、普通光源的发光特点,一个原子两次发光随机 不相干,两个原子同时发光
5、也不相干,随机 间歇,大量原子随机发光，彼此不满足相干条件,从普通光源中获得相干光的原则： 从一个原子一次发光中获得,基本方法,先分光 然后再相遇,分波面法 分振幅法,五、利用普通光源获得相干光的方法,光的干涉,杨氏双缝干涉 劳埃德镜 菲涅耳双镜,等倾干涉 等厚干涉,牛顿环 劈 尖,迈克尔逊干涉仪,托马斯杨(1773-1829),托马斯杨像,两岁认字，四岁能读圣经，23岁获医学学位。因牛顿反对波动说，光的微粒说在百年中占了上风，波动说几乎销声匿迹。面对牛顿如日中天的气势，杨以不唯名的勇敢精神说：“尽管我仰慕牛顿的大名，但我并不因此非得认为他是百无一失的。我遗憾地看到他也会弄错，而他的权威也许有
6、时甚至阻碍了科学的进步。”,2、 杨氏双缝实验,杨氏双缝干涉实验,波程差,D,明暗条纹的位置,白光入射的杨氏双缝干涉照片,红光入射的杨氏双缝干涉照片,双缝干涉光强分布,若,其中,波长不同条纹间距不同,解 （1）,（2）,菲涅耳双镜,D,劳埃德镜,半波损失 ：光从光速较大的介质射向光速较小的介质时反射光的相位较之入射光的相位跃变了 ，相当于反射光与入射光之间附加了半个波长的波程差，称为半波损失.,P,M,L,3、 薄膜干涉（等倾）,反射光的光程差,加 强,减 弱,透射光的光程差,注意：透射光和反射光干涉具有互 补 性 ，符合能量守恒定律.,当光线垂直入射时,当 时,当 时,等倾干涉的实验观察,解
7、 (1),绿色,(2) 透射光的光程差,红光,紫光,镜头颜色为什么发紫?,增透膜和增反膜,取,（增强）,氟化镁为增透膜,利用薄膜干涉可以提高光学器件的透光率 .为了增加透射率 , 求照相机上氟化镁膜的最小厚度.,则,1.劈 尖,明纹,暗纹,4、 等厚干涉,3）条纹间距（明纹或暗纹）,2）相邻明纹（暗纹）间的厚度差,每一条纹对应劈尖内的一个厚度，当此厚度位置改变时，对应的条纹随之移动。,4 ）干涉条纹的移动,解,劈尖干涉的应用,3）检验光学元件表面的平整度,4）测细丝的直径,2.牛顿环,由一块平板玻璃和一平凸透镜组成,光程差,牛顿环实验装置,光程差,暗纹,4）应用例子:可以用来测量光波波长，用于
8、检测透镜质量，曲率半径等.,1）从反射光中观测，中心点是暗点还是亮点？从透射光中观测，中心点是暗点还是亮点？,2）属于等厚干涉，条纹间距不等，为什么？,3）将牛顿环置于 的液体中，条纹如何变？,（同一级条纹半径变小）,牛顿环的应用检测透镜质量,将标准验规覆盖于待测透镜表面，两者之间形成空气膜，因此可观察到牛顿圈。如圈数越多，说明误差越大。如牛顿圈偏离圆形，说明透镜表面不规则。,例 用氦氖激光器发出的波长为633nm的单色光做牛顿环实验，测得第个 k 暗环的半径为5.63mm , 第 k+5 暗环的半径为7.96mm，求平凸透镜的曲率半径R.,解,G,解： 条纹为同心圆,明纹,总结,1）干涉条纹
9、为光程差相同的点的轨迹，即厚度相等的点的轨迹,2）厚度线性增长条纹等间距，厚度非线性增长条纹不等间距,3）条纹的动态变化分析（ 变化时）,4 ）半波损失需具体问题具体分析,单色光源,反射镜,反射镜,一 迈克耳孙干涉仪,迈克耳孙干涉仪的工作过程,光程差,反射镜,反射镜,单色光源,迈克尔孙干涉仪的主要特性,两相干光束在空间完全分开，并可用移动反射镜或在光路中加入介质片的方法改变两光束的光程差.,移动反射镜,干涉条纹的移动,当 与 之间距离变大时 ，圆形干涉条纹从中心一个个长出, 并向外扩张, 干涉条纹变密; 距离变小时，圆形干涉条纹一个个向中心缩进, 干涉条纹变稀 .,插入介质片后光程差,光程差变
10、化,介质片厚度,光程差,光的干涉基本要求 理解相干光的条件及产生相干光的方法 掌握杨氏双缝实验过程及对波长的计算方法（重点） 了解菲涅耳双镜及劳埃德镜实验 理解半波损失及光程的概念 掌握等倾干涉光程差公式（尤其注意半波损失问题） 掌握等厚干涉公式及计算（尤其注意半波损失问题）,一、光的衍射,在一定条件下，光波遇到障碍物（圆孔、狭缝等），且障碍物的线度与光波波长可以相比拟时，产生偏离直线传播和光能在空间分布不均匀的现象。其特点是光在什么方向受到了限制、衍射图样就在什么方向铺展且限制愈甚，铺展愈甚，即衍射效果愈明显。,二、光的衍射种类,菲 涅 耳衍射（近场衍射）,夫琅禾费衍射（远场衍射）,5.3
11、光的衍射,菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射,三、惠更斯-菲涅耳原理,1、惠更斯原理,惠更斯原理:波前上每一点都可以看作是发出球面子波的新波源，这些子波的包络面就是下一时刻的波前。 Christian Huygens, (荷),1690,曾任土木工程师，1814年开始研究光学实验和理论，1823年被选为巴黎科学院院士，1825年被选为英国皇家学会会员。菲涅耳对光的本性进行了研究，独立提出光的波动说，他发展了惠更斯理论，对光的偏振和双折射现象、旋光理论都有深刻的研究。,菲涅耳（1788-1827）：法国物理学家,2、惠更斯-菲涅耳原理,波前S上每个面元dS都可以看成是发出球面子波的新波源，空间任意一点P
12、的振动是所有这些子波在该点的相干叠加。,：波阵面上面元 (子波波源),： 时刻波阵面,*,子波在 点引起的振动振幅 并与 有关 .,面元 在 点引起的振动可以表示为,由子波相干叠加得到在 点的合振动为：,为倾斜因子，其大小随 增加减小 时， ，即子波不能向后传播,菲涅尔指出 衍射图中的强度分布是因为衍射时， 波场中各点的强度由各子波在该点的相干叠加.P点振动是各子波在此产生的振动的叠加 .,菲涅尔波带法,四 单缝（长度远大于宽度）衍射,一 半波带法,缝长,干涉相消（暗纹）,干涉加强（明纹）,（介于明暗之间）,（ 个半波带）,中央明纹中心,二 光强分布,当 较小时，,（1）第一暗纹距中心的距离,
13、第一暗纹的衍射角,一定， 越大， 越大，衍射效应越明显.,光直线传播,增大， 减小,一定,减小， 增大,衍射最大,第一暗纹的衍射角,角范围,线范围,（2）中央明纹,（ 的两暗纹间）,单缝宽度变化，中央明纹宽度如何变化？,越大， 越大，衍射效应越明显.,入射波长变化，衍射效应如何变化 ?,（4）单缝衍射的动态变化,单缝上移，零级明纹仍在透镜光轴上.,单缝上下移动，根据透镜成像原理衍射图不变 .,（3）条纹宽度（相邻条纹间距）,除了中央明纹外的其它明纹、暗纹的宽度,（5）入射光非垂直入射时光程差的计算,（中央明纹向下移动）,（中央明纹向上移动）,思考： 1.如果入射光为白光时，图样的特征？ 2.衍
14、射与干涉的区别？ 答：两者都利用了波的叠加原理，都是光波相干叠加的表现。本质上没有区别，习惯上干涉是指那些有限多的分立的光束的相干叠加；而衍射是指波面上连续的无穷多子波发出的光波的相干叠加。两者常常出现于同一个现象中。,一 光栅,许多等宽度、等间距的狭缝排列起来形成的光学元件.,五、 光栅衍射,相邻两缝间的光程差：,光栅常数：,光栅常数d,二 光栅衍射条纹的形成,光栅的衍射条纹是衍 射和干涉的总效果,1) 主极大位置 满足的光程差公式是光栅方程,三 光栅衍射图样特征,方程决定了光栅主极强的位置，但与缝数无关。当单缝的缝宽一定时，光栅的缝数越多，主极大的光强越强， 条纹越尖锐。,2) 极小位置满
15、足的光程差公式是,m1，2，3时，为暗条纹位置，当mN，2N，3N时，符合光栅方程中产生明条纹的条件，由此可见主极大之间有N -1条暗纹，又由于相邻两暗纹之间有一个次极大，故在相邻的主极大之间共有N -2次极大。次极大亮度很弱，可以认为光栅衍射除主极大外是一片黑色背景。,3) 主极大的强度由单缝衍射进行了调制,四 主极大的缺级,由于单缝衍射满足极小,所以使得这一级主极大无法出现,这一现象叫主极大缺级,如果某主极大的位置 同时又是单缝衍射极小位置 则该衍射角同时满足两个光程差公式,结果:,和,缺级满足关系,从,得,和,能看出缺哪些级次吗? d/a 是多少?,入射光为白光时， 不同， 不同，按波长分开形成光谱.,五 衍射光谱,光栅 光谱,例如 二级光谱重叠部分光谱范围,二级光谱重叠部分:,用途光谱分析,由于不同元素（或化合物）各有自己特定的光谱，所以由谱线的成分，可分析出发光物质所含的元素或化合物；还可从谱线的强度定量分析出元素的含量,例 用白光垂直照射在每厘米有6500条刻痕的平面光栅上，求第三级光谱的张角.,解,红光,第三级光谱的张角,第三级光谱所能出现的最大波长,绿光,紫光,不可见,例 波长为 的单色光垂直入射在一光栅上，第三级谱线出现的衍射角 满足 ，第四级缺级。试求该光栅的光栅常量d 以及光栅狭缝的最小可能宽度a。然后，按此 d 和a的值 ，列出屏上可能呈现的
