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1、波动光学1. 光的本性、光源 2. 光的相干性 光程和光程差 3. 分波阵面干涉 4. 薄膜干涉 5. 光的衍射 6. 光栅衍射 7. 圆孔的夫琅禾费衍射 光学仪器的分辨本领 8. 光的偏振现象11.1.3 光源11.1.2 光的电磁波性质11.1.1 光学发展简史11.1 光的本性、光源11.1.1 光学发展简史十七世纪以前 几何光学 十七世纪后半叶 微粒说(牛顿)波动说(惠更斯)1865年麦克斯韦指出光是一种电磁波 1905年爱因斯坦提出了光量子理论 光既具有波动性，又具有粒子性 机械波菲涅耳/笛卡尔反射折射定理费马原理光程极值原理光在水中光在水中 的速度？的速度？4000 紫7600 红
2、11.1.2 光的电磁波性质设沿x轴正向传播的单色平行光的波方程为则坡印亭矢量的大小为则光强坡印亭矢量坡印亭矢量因为一般情况讨论的只是光强的相对大小 光在真空中的传播速率光在媒质中传播速率=该媒质的折射率=真空介电常数 真空磁导率介电常数 磁导率相对介电常数 相对磁导率11.1.3 光源发射光波的物体称为光源 热光源 冷光源 光源中每个原子每次发射的电磁波为 持续时间很短、长度有限的波列. 你知道光源的发光机理吗？光源的最基本发光单元是分子、原子。 = (E2-E1)/hE1E2能级跃迁辐射波列波列长 L = c是波列持续时间。1。普通光源：自发辐射独立（同一原子不同时刻发的光）独立 （不同原
3、子同一时刻发的光）复色光：不同频率单色光的混合光称为复色光。复色光 2 激光光源：受激辐射E1E2完全一样(频率、位相、振动方向,传播方向) = (E2-E1)/h单色光：具有单一频率的光波称为单色光。准单色光 强度波长0称为准单色光的谱线波长宽度强度波长011.2 光的相干性 光程和光程差 11.2.1 光波的叠加11.2.2 获得相干光的一般方法11.2.3 光程 光程差11.2.1 光波的叠加P和 在P点引起的光振动为 其中：根据光强的定义干涉项上式第三项 称为干涉项，它决定两 光波叠加的性质下面对干涉项进行讨论： 1. 非相干叠加（1）当 时，显然有, 即干涉项为零（2） 当 时(3)
4、当 时,初相差( ）随时 间快速地、无规则地在区间 变化 综合上述:（1）两光矢量互相垂直;（2）两光波频率不相等;（3）两光波的初相差不恒定.2. 相干叠加当振动方向相同，频率相同，初相差 恒定，则有：三种情况之一存在时，干涉项即为零1. 非相干叠加根据光强的定义称为相位差(k = 0,1,2,3)相消干涉（暗）(k = 0,1,2,3) 相长干涉（明）和波的干涉和波的干涉 对比学习对比学习结论：频率相同，振动方向相同，相位差恒定。干涉判据：相干条件：11.2.2 相干光的获得方法pS *分波面法分振幅法p薄膜S *从一个点光源（或线光源） 发出的光波的波阵面上分离 出两个点（或两条线）从一
5、束光波中分 出两束光波。11.2.3 11.2.3 光程光程 光程差光程差1. 光 程干涉现象决定于两束相干光的位相差 两束相干光通过不同的介质时，位相差不 能单纯由几何路程差决定。 同一束光，从真空到媒质，不变的是频率，速度从同一束光，从真空到媒质，不变的是频率，速度从c c降为降为u u ，波长也变短。波长也变短。光速光速真空中光的速度 c介质中光的速度介质中的波长是真空中的波长除以折射率。介质中的波长是真空中的波长除以折射率。11.2.3 11.2.3 光程光程 光程差光程差如果两束光分别在折射率为 和 的媒质中传播 假定 ，则： 波程差如果一束光连续经过几种媒质，则定义：光波在某一媒质
6、中所经历的几何路程 与这媒质的折射率的乘积为光程光程，用L表示，则 ：光程表示在相同的时间内光在真空中通过的路程 即：光程这个概念可将光在介质中走过的路程，折算为光在真空中的路程光程这个概念可将光在介质中走过的路程，折算为光在真空中的路程物理意义：光程的物理意义是什么呢？光程的物理意义是什么呢？4、在相同的时间内，一束波长为 的单色光在空气中和在玻璃中 (A) 传播的路程相等，走过的光程相等 (B) 传播的路程相等，走过的光程不相等 (C) 传播的路程不相等，走过的光程相等 (D) 传播的路程不相等，走过的光程不相等设在空间某点相遇的两束光的光程差为则相位差干涉判据：光程差和相位光程差和相位
7、差之间的关系差之间的关系SacbSFABCFABCabcFa3. 等光程性路程（波程）不同，但光程相同。路程（波程）不同，但光程相同。 S1S2r1r2dnp解 ：例1 如图，在S2P 间插入折射率为n、厚度为d 的媒质。求：光由S1、S2 到 P 的相位差 。 小小 结结（光的干涉） 一、重要概念二、干涉加强和减弱的条件(k = 0,1,2,3)光程：几何路程与媒质折射率的乘积光程差：两列光波在不同路径中传播的光程之差。相位差与光程差之间的关系：获得相干光的方法：分波振面法；分振幅法11.3 分波阵面干涉11.3.1 杨氏双缝干涉11.3.2 洛埃镜实验11.3.3 光的空间相干性和时间相干
8、性11.3.1 杨氏双缝干涉一、杨氏双缝实验杨（T.Young）在1801年首先用实验方法研究光的干涉11.3.1 杨氏双缝干涉光程差为 由几何关系有因为D d，所以当x D 时, 则:设入射光波长为 两式相减得:这个结论很重要！这个结论很重要！为干涉条纹的级次，正负号表示各级干 涉条纹对称分布在中央明纹（ ）的两侧相邻两明纹（或暗纹）中心间的距离:干涉条纹各级中心位置可表示为相邻两明纹（或暗纹）中心间的距离:双缝间距越小，条 纹越宽条纹变化问：原来的零级条纹移至何处？若移至原来的第 k 级明条纹处，其厚度 h 为多少？例：已知：S2 缝上覆盖 的介质厚度为 h ，折射率 为 n ，设入射光的
9、波长为 . 解：从S1和S2发出的相干光所对应的光程差当光程差为零时，对应 零条纹的位置应满足：所以零级明条纹下移原来 k 级明条纹位置满足：设有介质时零级明条纹移到原来第 k 级处，它必须同时满足：作业：P285119，1111，1112杨氏实验的不足在于它存在边缘效应;菲涅耳双镜和劳 埃德镜正好克服了它的不足.洛埃镜实验11.3.2 洛埃镜实验光程差为因为从 发出的光线都有半波损失,所以 必须加 的附加光程差.平面反射镜与光屏 的交线理论上应是 暗条纹,实验的确如此.所以说,洛埃镜实验验 证了半波损失理论.若 n1 n2 ，介质1 光疏介质光在垂直入射（i =0）或者掠入射（i =90）的
10、情况下，如果光是从光疏介质传向光密介质，在其分界面上反射时将发生半波损失。折射波无半波损失。半波损失介质2 光密介质例1 在杨氏双缝装置中，若在下缝后放一 折射率为n，厚为L的透明媒质薄片，如图所示 （1）求两相干光到达屏上任一点P的光程差；（2）分析加媒质片前后干涉条纹的变化情况 D0xP 解： （1）加媒质 片后两光束到达P 点的光程差 （2）考虑第级明纹的位置由明纹条件将 代入上式，可求得加媒质 片后第 级明纹的位置 为 未加媒质片时 11.3.3 光的空间相干性和时间相干性1空间相干性具有一定宽度的面光源S 可以看成是由 无数条线光源组成的，每一条线光源各自在 屏幕上形成自己的一套干涉
11、条纹由于各线 光源的位置不同，它们在屏幕上的干涉条纹 之间有一定的相对位移光源宽度越大，同 级条纹在空间的分布范围越大当各套条纹 的最大位移等于或大于条纹间距时，干涉条 纹消失. 这种与扩展光源宽度有关的干涉性称为光 的空间相干性. 2时间相干性因为光源总有一定的谱线宽度 ，由于 范围内的每一个波长的光都会形成各自的一套干 涉条纹，且除零级以外各套条纹间都有一定的位 移，所以它们非相干叠加的结果会使总的干涉条 纹的清晰度下降当 时,总的干涉条纹消失 实现相干的最大光程差 相干光必须来自同一个原子同一次发射 的波列，而这种波列的长度（光程）为 为波列持续的时间, 是两相干波的最大 光程差显然，波列的长度越长，则这两个 波列在相遇点相互叠加的时间就越长，干涉 现象越明显这个性质称为时间相干性 可见，光源的单色性越好，光源的谱线宽 度 就越小，波列的长度就越长 显然有：
