《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
