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1、波动光学,第十三章,第一节 光的干涉,第二节 光的衍射,第三节 光的偏振,光学：是研究光的现象、光的本质和光与物质相互作用的学科。,光学：,波动光学：研究光的电磁性质及传播规律， 特别是干涉、衍射及偏振的理论及应用。,以光的直线传播为基础,研究光的电磁性质和传播规律,以光的量子理论为基础，研究光与物质相互作用的规律,第一节 光的干涉,一、 光源 相干光,三、 杨氏双缝干涉,五、 薄膜干涉等倾干涉,六、 薄膜干涉等厚干涉,二、 光程 光程差,四、 劳埃德镜,1、电磁波(横波),1、光是一种电磁波,一、 光源 相干光,光矢量、光振动,由于产生感光作用与生理作用的主要是电场强度 ，因此称电场强度 为
2、光矢量， 的振动为光振动。,光速,真空,可见光七彩颜色的波长和频率范围,3 、相干光（coherent light）,2、光的叠加原理,当几列光在空间传播时，每列光波将保持原有的特性独立传播，在它们重叠区域里，各处的光振动是各列光波单独存在时引起的光振动的矢量和。,若两束光的光矢量满足相干条件，即光矢量的频率相同、振动方向相同、位相差恒定，则这两束光就叫相干光。,4、普通光源的发光机制：,光源的基本发光单位是分子和原子。,光是光源中的分子或原子的运动状态发生变化时辐射产生的。普通光源发生的是自发辐射。,某原子从高能级向低能级跃迁时，发出一列光波。该列光波的持续时间为：10-8 s。,每个原子发
3、光是随机的、间歇的，不同原子发光是独立的。,普通光源发出的光实际上是由大量原子发出的许许多多相互独立的、持续时间很短的波列组成，这些波列互不相干。,五、 用普通光源获得相干光的方法：,分波阵面法，即从同一个光波列的波阵面上取出两个子光波列作为相干光源，它们发出的光在空间相干，如后面将要分析和讨论的杨氏双缝干涉。,分振幅法，把同一光源发出的光射到介质表面后，经反射和折射，强度“一分为二或一分为四”，然后再让其在空间相遇，相互叠加而产生干涉，如后面将要分析和讨论的薄膜干涉。,1、光程（optical path）,当两相干光在两种不同介质中传播时，如果相遇，相遇处的光强是增强还是减弱是由两相干光的位
4、相差决定的。,设由S1、S2发出的两相干光传到P点，P点到光源的距离分别为r1、r2 ，由S1发出的光在折射率为n1的介质中传播，波长为1；由S2发出的光在折射率为n2的介质中传播，波长为2。,二、光程与光程差,在相遇点P，两相干光的位相差为：,介质中的波长,光在介质中波长与真空中波长的关系：,位相差：,光在折射率为n的介质中传播的速度为：,定义光在介质中通过的几何路程，与该介质折射率的乘积为光在介质中的光程。,2、光程差：,结论：一般情况下，明、暗条纹的位置取决于相干光的光程差，而不是几何路程差。,当相干光的频率一定时，光在真空中的波长也就一定了，位相差由 决定。,光程的物理意义是:将光在介
5、质中通过的路程折算为光在相同时间内在真空中通过的路程。,3、光程的物理意义,光在折射率为 n 的介质中通过几何路程 r 所用的时间为：,在相同的时间内光在真空中通过的路程为：,透镜不引起附加的光程差,4、等光程性,对透镜成象，从物点到象点，沿各条传播路径( 光线 )的光程相等，即物点到象点各光线之间的光程差为零，使用透镜不会产生附加的光程差。,三、 杨氏双缝干涉,1、杨氏双缝干涉实验装置,杨氏双缝干涉实验演示,2、双缝干涉条纹的位置分布,故有,由S1、S2发出的两束光到达P点的光程差为：,因为 ， 很小， 所以,两个同方向同频率的光振动合成后，光振动被加强还是被 减弱是由两个光振动的位相差 或
6、光程差 决定的。,根据波的干涉理论得：,（1）当P点到两相干光源的光程差满足条件：,时,干涉加强，P点为明条纹。,（两列波在同种媒介中传播）,当P点到两相干光源的光程差满足条件：,时,P点干涉相消，出现暗条纹。,暗纹中心到光屏中心的距离为：,其中k=1，对应一级暗纹k=2，对应二级暗纹,（2）明纹中心到光屏中心的距离为：,其中k=0，对应中央明纹K=1，对应第一级明条纹K=2，对应第二级明条纹等。,任意相邻明纹中心或相邻暗纹中心的距离为：,任意相邻明纹中心或相邻暗纹中心的距离为：,杨氏双缝干涉条纹的特点是：,（1）干涉条纹等间距分布。,（2）当 d、D一定时，波长越长，条纹间距越大。,（3）对
7、同一级明纹，波长越长，明纹距光屏中心的距离越远,明纹中心到光屏中心的距离为：,例13-1.在杨氏双缝实验中,已知双缝间的距离为0.6mm,缝和屏幕相距1.5m,若测得相邻明条纹间的距离为1.5mm. (1)入射光的波长.(2)若以折射率n=1.3,厚度l=0.01mm的透明薄膜遮住其中一缝,原来的中央明纹处,将变为第几级明条纹?,四、劳埃德镜,半波损失(half-wave loss) ：光从光疏介质射向光密介质时，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,五、薄膜干涉等倾干涉,求两束反射光 2、3的光程差,加 强,减 弱
8、,反射光的光程差为：,当薄膜的厚度e，波长一定时，光程差由入射角 i 决定 ，具有相同入射角 i 的入射光对应于同一级干涉条纹，称为等倾干涉。,当光线垂直入射时,当 时,当 (或 时）,两反射光相遇后加强,两反射光相遇后削弱,结论与上面相反。,K=1,2,3,K=0,1,2,3,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.,请看书中例题13-2,明纹,暗纹,六、 薄膜干涉等厚干涉,讨论光线垂直入射的情况：,1、劈尖膜,当入射角一定时，光程 差与膜的厚度有关，厚度相 同处对应于同一条干涉条纹 称之为等厚干涉。,3）条纹间距（明纹或暗纹）,2）相邻明纹（暗纹）间的厚度差,相邻明纹（暗纹）间的 距离为,条纹是等 间距的。,当 很小时，,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,二、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,3）应用例子:可以用来测量光波波长，用于检测透镜质量，曲率半径等。,1）从反射光中观测，中心点是暗点还是亮点？,2）属于等厚干涉，条纹间距不等，为什么？,
