《大学物理学 下册 教学课件 ppt 作者 雒向东 第十一章 波动光学基础》由会员分享,可在线阅读,更多相关《大学物理学 下册 教学课件 ppt 作者 雒向东 第十一章 波动光学基础(86页珍藏版)》请在金锄头文库上搜索。
1、第13章 波动光学基础,上海同步辐射装置全景,教学要求: 1掌握光的干涉现象特征及其产生条件;了解获得相干光波的方法。 2掌握光程、光程差的物理意义,熟练掌握光的干涉加强和干涉减弱条件,准确 判断光在不同介质界面反射时有无半波损失。 3掌握扬氏双缝干涉、薄膜干涉、劈尖干涉、牛顿环的特征、熟练计算这些干涉 的光程差及光程差与干涉加强或干涉减弱之间的相关问题。 4了解迈克耳孙干涉仪构造、原理及应用。 5了解光的衍射条件、光的衍射现象分类。 6掌握单缝夫琅禾费衍射条纹的分布规律、惠更斯菲涅耳原理、半波带法。 7掌握衍射光栅的光栅公式及其应用、光栅衍射的缺级公式。 8了解光学仪器的最小分辩角和分辩率。
2、 9掌握光的偏振现象、自然光与偏振光及部分偏振光的区别和表示。 10了解起偏器与检偏器原理和作用,掌握马吕斯定律及其应用。 11. 掌握反射与折射的偏振、掌握布儒斯特定律及其应用。 12了解晶体的双析射、光轴、寻常光与非寻常光、二向色性、波片、偏振光的干 涉、人为双折射。 13. 了解旋光效应。,教学内容:,13.1 光是电磁波,一、电磁波,1. 平面简谐波电磁波的描述,(1),(3) 真空中的电磁波是横波,和,变化同步,相位相同。,(2) E 和H 的关系,说明,(4) 波速,真空中,(5) 非强磁性介质的折射率,2. 电磁波的能量密度,能量密度,能流密度,坡印亭矢量,(坡印亭矢量),波的强
3、度 I ( 平均能流密度 ),I 正比于 E02 或 H02, 通常采用其相对强度,说明,二、光是电磁波,可见光七彩颜色的波长和频率范围,13.2 光源 光的干涉,一、光源,(1) 热辐射,(2) 电致发光,(3) 光致发光,(4) 化学发光,能级跃迁,波列长 L = c 10-8,自发辐射,初相不相关(同一原子先后发的光),.,(5) 同步辐射光源,(6) 激光光源,受激辐射,自发辐射,二、光波的叠加,P,1,2,r1,r2,两波在P 点的光振动,P 点的合光矢量,两边平方,P 点光强,(1),(2),1.非相干叠加,讨论,(3),= 0,若 ,但 不恒定。,(3),2.相干叠加,相干条件:
4、频率相同;相位差 恒定;光矢量方向平行。,P 处波的强度,其中,(1) 相长干涉(明),(2) 相消干涉(暗),若,若,,则 。,,则 。,13.3 获得相干光的方法 杨氏双缝实验,(分波阵面法),一、杨氏双缝实验,明条纹位置,明条纹位置,明条纹位置,获得相干光的方法,1. 分波阵面法(杨氏实验),2. 分振幅法(薄膜干涉),x,两波在 P 点的相位差恒定不变,为,光程差,x,两波在 P 点的相位差恒定不变,为,明纹,暗纹,k = 0, 1,2,,k = 0, 1, 2,,相邻暗条纹中心间距,相邻明纹中心间距,(2) 相邻明条纹间距 正比于 ;,(3) 当用白光作为光源时,在零级白色中央条纹两
5、边对称地排列着几条彩色条纹 。,讨论,条纹周期性排列是光波空间周期性的体现。,0级明纹,(1) 为了能分辨各级,得到干涉图像,要求 d D。,1 级明纹,2级明纹,二、洛埃镜,(洛埃镜实验结果与杨氏双缝干涉相似),接触处, 屏上O 点出现暗条纹,半波损失,有半波损失,相当于入射波与反射波之间附加了一个半波长的波程差。,无半波损失,入射波,反射波,透射波没有半波损失,反射镜,观察屏,用白光作光源观察杨氏双缝干涉。设缝间距为d ,缝面与屏距离为 D。,解,清晰的可见光谱只有一级,例,在400 760 nm 范围内,最先发生重叠的是某一级次的红光和高一级次的紫光明纹条件为,求 能观察到的清晰可见光谱
6、的级次。p120,0 级明纹,k+1级明纹,k 级明纹,x,(1) 明纹间距分别为,(2) 双缝间距 d 为,双缝干涉实验中,用钠光灯作单色光源,其波长为589.3 nm,屏与双缝的距离 D=600 mm。,解,例,求 (1) d =1.0 mm 和 d =10 mm,两种情况相邻明条纹间距分别为多大?(2) 若相邻条纹的最小分辨距离为 0.065 mm,能分清干涉条纹的双缝间距 d 最大是多少?,13.4 光程与光程差,介质中,在相位改变相同的条件下,把光在介质中传播的路程折合为光在真空中传播的相应路程,在介质中传播距离 r 时, 相位的改变为,光程,真空中,c ,光程,在多种介质中,例 两
7、光源1 = 2 ,初相分别为1、 2。 求两波在P点相位差。,光程差,初相差,解 S2P光程,n(r2 d),+ nd,两波在P点相位差为,S2发出的波在P点的相位,S1发出的波在P点的相位,A A,例 物象之间等光程原理,物点、象点间所有光线的光程相等,AA 波面上各点到象点的光线的光程相等,用折射率 n =1.58 的很薄的云母片覆盖在双缝实验中的一条缝上,这时屏上的第七级亮条纹移到原来的零级亮条纹的位置上。如果入射光波长为 550 nm。,解,设云母片厚度为 d 。 无云母片时,零级亮纹在屏上 P 点,则到 P 点的两束光的光程差为零; 加上云母片后,光程变化 (n -1) d , 则到
8、P点的两光束的光程差为,当 P 点为第七级明纹位置时,例,求 此云母片的厚度是多少?,0 级 明纹,7 级 明纹,13.5 薄膜干涉,2,1,S,分振幅法,两条光线的光程差, 光程差,P,若两束光都是由光疏媒质向光密媒质反射的,或都是由光密媒质向光疏媒质反射的,则不考虑半波损失;否则 ,应考虑半波损失。,n2 n1, n3 或,(n2 最大或最小),n2 n1, n3,2,1,S,P,光线垂直入射,经劈尖上下表面的反射,形成两束反射光,光程差为,一、等厚干涉,1. 劈尖干涉,明纹,暗纹,相邻条纹之间间距,空气劈尖,(1) 同一厚度 d 对应同一级条纹等厚条纹。,讨论,(4) 测表面不平整度。,
9、(2) 空气劈尖顶点处是一暗纹。,(3) 可测量小角度、微位移 x、微小直径 D等。,为了测量一根细的金属丝直径D,按图办法形成空气劈尖,用单色光照射形成等厚干涉条纹,用读数显微镜测出干涉明条纹的间距,就可以算出D。已知单色光波长为 589.3 nm,测量结果是:金属丝与劈尖顶点距离L=28.880 mm,第1条明条纹到第31条明条纹的距离为 4.295 mm。,解,条纹间距,例,求 金属丝直径D。p123,2. 牛顿环,光程差,明纹,暗纹,内低外高,内疏外密,(2) 检测透镜的曲率半径误差及其表面平整度 。,(1) 若接触良好,中央为暗纹半波损失。,样板,待测 透镜,条纹,讨论,i,i,二、
10、等倾干涉,两条光线的光程差,条纹形状?,i,i,薄膜,半反半透镜,观察屏,(2) 等倾干涉条纹为一系列同心圆环;内疏外密;内高外低。,条纹形性状及特点,(3) 使用面光源条纹更清楚明亮。,(4) 透射光图样与反射光图样互补。,观察屏,(1) 同一入射角的光会汇聚于一个圆周上;因此到达圆周上各点的两反射光的光程差(取决于入射角)都相同。,二、等倾干涉,两条光线的光程差,波长550 nm黄绿光对人眼和照像底片最敏感。要使照像机对此波长反射小,可在照像机镜头上镀一层氟化镁MgF2薄膜,已知氟化镁的折射率 n=1.38 ,玻璃的折射率n=1.55。,解,两条反射光干涉减弱条件,k = 0 时,增透膜有
11、最小的厚度,并非对所有波长的光都具有小的反射率。,例,求 氟化镁薄膜的最小厚度。,说明,光程差,玻璃,薄膜,一平面单色光波垂直照射在厚度均匀的薄油膜上,油膜覆盖在玻璃板上,所用光源波长可连续变化,观察到500 nm和700 nm这两个波长的光在反射中消失。油的折射率为1.30,玻璃的折射率为1.50。,解,根据题意,不需考虑半波损失,暗纹的条件为,例,求 油膜的厚度 。,观察屏,13.6 迈克耳逊干涉仪,一、干涉仪结构,M1 镜,M2镜,半反半透镜,调节M2 的倾斜度,可分别得到等厚干涉和等倾干涉,可以前后移动M1,二、工作原理,空气膜,加强,减弱,光程差,光束1和光束2就像来自于空气薄膜 (
12、 M1 和 M2之间) 的上下表面一样。,调节M2 的倾斜度,可分别得到等厚干涉和等倾干涉,(M2 的像),半反半透膜,2. 若M1、M2有小夹角,当M1和M2不平行,且光平行入射, 此时为等厚条纹。,1. 若M1、M2平行,三、条纹特点,等倾条纹,四、时间相干性,两光束产生干涉效应的最大光程差称为相干长度,与相干长度对应的光传播时间称为相干时间。,13.7 惠更斯菲涅耳原理,一、光的衍射现象,衍射屏,观察屏,光源,(剃须刀边缘衍射),设波面 Q 初相为0 ,其上面元ds 在P 点引起的振动为,倾斜因子,二、惠更斯菲涅耳原理,同一波前上的各点发出的都是相干次波;,各次波在空间某点的相干叠加,就
13、决定了该点波的强度。,P 点的振动,(远场衍射),2. 夫琅禾费衍射,(近场衍射),1. 菲涅耳衍射,三、光的衍射分类,无限远光源,无限远相遇,光源O ,观察屏E (或二者之一) 到衍射屏S 的距离为有限的衍射,如图所示。,光源O ,观察屏E 到衍射屏S 的距离均为无穷远的衍射。,( 菲涅耳衍射 ),*,一、半波带法,|2,|2,|2,对于 P 点,狭缝处半波带的数目,暗纹条件,明纹条件,相邻两个半波带在 P 点引起的光振动相互抵消,|2,*,抵消,a,13.8 单缝的夫琅禾费衍射,|2,|2,|2,对于 P 点,狭缝处半波带的数目,暗纹条件,明纹条件,相邻两个半波带在 P 点引起的光振动相互
14、抵消,*,4,2,半波带 数目,级数,一级暗纹,二级暗纹,一级明纹,二级明纹,3,5,(2) 单缝衍射和双缝干涉条纹比较。,单缝衍射条纹,双缝干涉条纹,,则 在观察屏上形成狭缝的几何投影,(1),讨论,波动光学退化到几何光学。,用波长为 的光垂直照射狭缝,得到单缝的弗朗霍夫衍射图样,第三级暗纹位于屏上的P点,问 (1)若将狭缝宽度减小一半,P点是明纹还是暗纹? (2)若用波长为 1.5 的光照射狭缝,P点是明纹还是暗纹?,例,解,(1)P点是一级明纹。,(2)波长增大 1.5 倍,半波带数目变为原来的 1/1.5,即 4个,所以P点是二级暗纹。,二、单缝衍射强度 (振幅矢量法),设每个窄带在屏上各点引起的振幅为A,将缝 AB 均分成 N 个窄带,每个窄带宽度为,O,设每个窄带在P 点引起的振幅为,将缝 AB 均分成 N 个窄带,每个窄带宽度为,O,设每个窄带在P 点引起