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1、第十一章 波动光学,11-0 教学基本要求,11-1 光的相干性 光程,11-2 分波面干涉,11-3 分振幅干涉,4-0 第四章教学基本要求,11-4 光的衍射,第十一章 波动光学,4-0 第四章教学基本要求,11-5 衍射光栅,4-0 第四章教学基本要求,11-6 光的偏振,教学基本要求,一、了解获得相干光的方法，理解光程的概念以及光程差与相位差的关系，掌握光的干涉加强和减弱的条件.,二、掌握杨氏双缝干涉和薄膜等厚干涉条纹的分布规律，了解半波损失发生的条件，了解劈尖干涉的应用.,*三、了解迈克尔逊干涉仪的工作原理和迈克耳孙-莫雷实验.,四、了解惠更斯-菲涅尔原理，能用菲涅尔半波带法分析单缝
2、夫琅禾费衍射条纹的分布规律，理解缝宽及波长对衍射条纹分布的影响.,五、了解光栅衍射条纹的形成及特点，理解并会应用光栅极大方程，会分析光栅常数及波长对光栅衍射谱线分布的影响，了解光栅衍射的应用.,*六、了解光栅方程的缺级现象，了解X射线的衍射及应用.,七、理解自然光、线偏振光和部分偏振光的特征及检验方法，理解马吕斯定律，理解布儒斯特定律，了解反射和折射时光的偏振的应用.,11-1 光的相干性 光程,预习要点 普通光源发光有什么特点？实现稳定干涉的条件是什么？ 注意获得相干光的方法. 什么是光程? 如何用光程差表示两初相位相同的相干光的相位差以及干涉的加强和减弱的条件？,光学,几何 光学,物理 光
3、学,波动光学,量子 光学,干涉,衍射,偏振,光速和折射率,一、光的电磁波本质：,1、光速和折射率,真空中,介质中,=2.99792458108 ms -1,折射率,光在介质中频率不变,光强,2、光强,单色性,二、光的单色性同一频率的光为单色光。,三、光的相干性,两束光频率相同，振动方向一致，有恒定的相位差.,1.产生相干光的条件,光源发光机理,原子发光时间t小于10-8s. 光波列长度L=ct 同一光波列具有相同频率、振动方向相同。不同波列频率、振动方向和相位不同。,一、光源（light source）,光源发光，是大量原子、分子的微观过程。, = (E2-E1)/h,E1,E2,能级跃迁辐射
4、,波列长 L = c,能级、跃迁、辐射、波列,持续时间108s,2、激光光源：受激辐射, = (E2-E1) / h,完全一样,1、普通光源：自发辐射,独立（同一原子先后发的光）,独立（不同原子发的光）,（传播方向，,频率，,位相，,振动方向）,2.获得相干光的方法,把由光源上同一点发的光分成两部分，然后再使这两部分叠加起来.,分波面法,在同一波面上取两固定点光源，发出的光构成相干光，这种方法为分波面法. 如杨氏双缝干涉实验.,分振幅法,一束光线经过介质薄膜的反射与折射，形成的两束光线为相干光，这种方法为分振幅法. 如薄膜干涉、等厚干涉.,四、光程和光程差,则S1、S2传到P点的光振动的相位差
5、：,两相干光波在介质中以波长 传播,若 ,1. 光程,所以介质中的波长为,由,定义光程: 介质折射率n与光的几何路程r之积 nr.,以n表示的折射率,且,用介质中的波长 计算相位差比较麻烦，统一用光在真空中的波长 计算相位差可简化计算.,物理意义：光程是在引起相同相位改变的条件下，与光在折射率为n的介质中的几何路程r相当的同一单色光在真空中的传播路程nr.,如果光线穿过多种介质时，其光程为,对应的相位改变,2. 光程差与相位差,假设光在两种不同介质中传播，则,设光程差为,则,3. 用光程差表示干涉加强和减弱的条件,由,明纹,暗纹,干涉加强,干涉减弱,明纹,暗纹,得,例：求图S1和S2的光程差d
6、。,费马原理,1657年，费马提出一条关于光传播的普遍原理： 光从空间的一点传到另一点是沿光程为极值的路径传播。 即：光的实际路径的光程与相邻路径的光程相比，只能取极小值、极大值和恒定值。,透镜改变光的方向，但不附加光程差,11-2 分波面干涉,预习要点 由杨氏双缝干涉和洛埃镜实验装置领会分波面干涉装置的基本特征.如何由光程出发，对杨氏双缝干涉条纹分布规律做定量分析? 注意半波损失现象的发生条件.,单色光入射,一、杨氏双缝干涉,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,杨氏双缝干涉,光程差,加强,减弱,（暗纹）,（明纹）,k=0时,零级明纹位于屏幕中央，而且只有一条.,其他各级明
7、纹和暗纹都有两条，且对称分布.,条纹间距,可以看出相邻明纹与相邻暗纹中心的间距都相同，所以条纹明暗相间平行等距.,明暗条纹中心的位置,二、双缝干涉光强分布,合光强,若,其中,则,合振幅,由,明纹中心处,暗纹中心处,光强分布曲线入图,可见，相干叠加使能量的空间分布不均匀，但是总能量守恒.,明纹位置,暗纹位置,书例11.1,三、洛埃镜实验,*,屏移至L处,一般光从光疏介质(光速较大，n较小)正入射或掠入射(入射角为零或接近90。)到光密介质(光速较小，n较大)的界面上发生反射时会发生相位为 的突变，相当于光程增加或减少了半个波长.,半波损失：波从波疏媒质向波密媒质传播，反射时引起相位为 的突变。（
8、损失半个波长）,1、无,2、有,解：光程差d,例：求图S1和S2的光程差d及条纹位置。,光程差增值,条纹位置：,令,明条纹下移值,令,暗条纹下移值,书例11.2,菲涅尔双面镜,干涉条纹由S1和S2的光叠加产生。,M1和M2是平面镜,S1和S2是S的虚象,EF是干涉条纹范围。,E,F,M1,M2,作业,11-1 11-2 11-3,11-3 分振幅干涉,预习要点 什么是等倾干涉、等厚干涉?条纹各有什么特点？ 劈尖的等厚干涉条纹有哪些特点? 劈尖干涉有哪些主要应用? 增透膜与增反膜的基本原理是什么?,【演示】等倾干涉条纹,等倾条纹照片,1、点光源照明时的干涉条纹分析,L,f,P,0,r环,r,A,
9、C,D,2,1,S,光束1、2的光程差：,得,膜厚均匀（e不变）,又,B,一、等倾干涉,或,明纹,暗纹,形状：,条纹的特点：,一系列同心圆环,r环= f tg i,条纹间隔分布：,内疏外密（为什么？）,条纹级次分布：,内高外低,波长对条纹的影响：,膜变厚，环纹扩大：,i相同的光线对应同一条干涉条纹 等倾条纹,即倾角,当k ( k) 一定时，,i也一定，,2 、面光源照明时，干涉条纹的分析,只要 i 相同，都将汇聚在同一个干涉环上,（非相干叠加），,因而明暗对比更鲜明。,观察等倾条纹的实验装置和光路,对于观察等倾条纹，没有光源宽度和条纹,衬比度的矛盾 !,（1）由 知,因此，增加薄膜厚度e, 变
10、小，条纹变密。,（2）两块玻璃板夹一空气夹层的干涉条纹情况取决于空气夹层厚度,（3）增大、减小薄膜厚度，条纹移动情况,增大薄膜厚度，条纹向外移动，条纹半径增大。反之，缩小。 中心处，看到条纹吞吐情况。由 知，当厚度改变1/（2n)时，就从中心冒出或缩进一个圆环。,增透膜和增反膜,一束单色光垂直照射空气中一厚度均匀的透明介质薄膜时，膜的上下表面的反射光发生干涉现象。,增反膜：,增透膜：,二、等厚干涉,1.等厚干涉：在同一干涉条纹下薄膜厚度相同.,如图：单色光在厚度不均匀的上下两个表面形成 、 两束反射光。当单色光垂直射入薄膜表面时， 和近乎平行, 在A处相遇，e为该处薄膜的厚度, 则光程差为,上
11、下表面都存在或都不存在半波损失,两反射光之一存在半波损失,二、劈尖,用单色平行光垂直照射两玻璃片G1和G2间的空气劈尖，形成干涉条纹为平行于劈棱的一系列等厚干涉条纹.,如图：光从劈尖中空气入射到玻璃片G2表面时有半波损失，因此,明纹,暗纹,1. 条纹位置,2. 相邻明纹（暗纹）间的厚度差,3. 条纹间距（明纹或暗纹）,4. 条纹移动,膜上某处光程差改变一个波长，该处将移过一条条纹，如某处移过m条条纹，则该处膜厚改变量,条纹向棱边方向移动，膜厚增加；反之膜厚减少.,劈尖干涉的应用,测量微小物体的厚度,将微小物体夹在两薄玻璃片间，形成劈尖，用单色平行光照射.,由,有,检验光学元件表面的平整度,由于
12、同一条纹下的空气薄膜厚度相同，当待测平面上出现沟槽时条纹弯曲.,劈尖干涉的应用,三、牛顿环,将一块半径很大的平凸镜与一块平板玻璃叠放在一起，用单色平行光垂直照射，由平凸镜下表面和平板玻璃上表面两束反射光干涉，产生牛顿环干涉条纹.,加强,减弱,2. 牛顿环半径,明环由,暗环由,r=0的地方，是零级暗纹.,若两玻璃之间为空气时，n2=1,11-4 光的衍射,预习要点 光的衍射具有哪些特点？什么是夫琅禾费衍射？ 注意领会惠更斯-费涅耳原理的主要内容，以及由此原理处理衍射问题的基本思想. 什么是费涅耳半波带法？注意怎样用此方法分析单缝衍射图样的形成. 单缝衍射明暗纹位置如何确定？其条纹有何特点？,一、
13、光的衍射现象,光在传播过程中遇到障碍物，光波会绕过障碍物继续传播，如果波长与障碍物相当，衍射现象最明显.,衍射现象的特点：,1. 光的衍射是在一定条件下产生的光偏离直线传播并且光能在空间不均匀分布的现象.,2. 光束在什么地方受到限制，衍射图样就在什么方向铺展，且限制愈甚，铺展愈甚，即衍射效应愈强.,衍射现象 惠更斯-菲涅耳原理,衍射图样向光束受到限制的方向铺展， 狭缝越窄效应越强。,绕射和干涉。,二、惠更斯-费涅耳原理,惠更斯原理-波在介质中传播到的各点，都可看成新的子波源.,惠更斯原理只能解释波的衍射，不能给出波的强度.,菲涅耳原理-波传播到某一点的光强为各个子波在观察点的干涉叠加.,菲涅
14、耳在惠更斯原理基础上加以补充，提出子波相干叠加的概念.,波在前进过程中引起前方某点的总振动为面S上各面元dS所产生子波在P点引起分振动的总和.,衍射的分类：,菲涅耳衍射 夫琅和费衍射,三、夫琅禾费单缝衍射,在屏幕上某点P距屏幕中心O点为x，对应该点的衍射角(衍射线与缝平面法线的夹角)为，AB间两条光线的光程差为 . P点的光强是单缝处各面元上平行光的叠加.,光源、屏与缝相距无限远，平行光的衍射.,边缘两条光线的光程差为:,a,BC =asin,P,衍射角为任意值,2、半波带法,B,C,j,将BC分割成n个l/2 ;,半波带,则单缝a被分成n个 等宽的半波带 ;,点光源G1和G2, 发出的光线1
15、和2, 到P点的光程差是 l/2 。,相邻的两个半波带上，1和2, 3和4、任何一对等分点光源的光,其光程差总是l/2，结果光线在P点完全相消.,G3和G4,3和4,若可分为偶数个半波带，则P点为暗纹（相消完全）,若可分为奇数个半波带， 则P点为亮纹（相消不完全）,a,B,C,半波带,暗纹,明纹,暗纹,3、单缝衍射公式,若在介质n中？,若以q斜入射：,亮纹,d,若j很小，,4、条纹位置与透镜焦距的关系,(1)角宽度df 与线宽度Dx,其它明纹：,5、衍射条纹特点,中央明纹:,df0,df,f,角宽度,线宽度,角宽度,线宽度,当l不变时,a越小,条纹宽度越大， 铺得越开，衍射现象越清楚。 若是白
16、光入射,将出现-衍射光谱,O,(2) 级数K越大;条纹亮度越小.,半波带 多而窄,B,C,K越大;j 越大；BC越大；半波带数目越多、 宽度越窄；相消的面积越多.条纹亮度越小。,半波带 少而宽,B,j,C,j,1. 缝宽对衍射图样的影响,缝越窄，衍射就越显著；缝越宽，衍射就越不明显. 当缝宽 时，各级衍射条纹向中间靠拢，密集得无法分辨，只显出单一的明条纹. 即光的直线传播现象是衍射现象的极限情形.,2. 波长对条纹的影响,当缝宽不变时, 各级条纹的角位置和角宽度因波长而异. 如果用白光入射, 中央明条纹仍为白色, 但由中央至两侧的其他各级明纹会因波长不同位置相互错开而呈紫到红的彩色衍射图样, 即衍射光谱.,
