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1、波动光学,第 二十一 章,2,1）光的机械微粒学说（17世纪-18世纪末）,代表：牛顿,对立面：惠更斯-波动说,分歧的焦点：光在水中的速度,1850年傅科（Foucault）测定,微粒说开始瓦解,概述：人们对光的认识经历了一个否定的 否定过程,3,2）光的机械波动说（19世纪初-后半世纪）,英国人杨（T.uoung)和法国人菲涅尔(A.T.Fresnel) 通过干涉、衍射、偏振等实验证明了光的波动性 及光的横波性。,3）光的电磁说（19世纪的后半期-）,19世纪后半期Maxwell建立电磁理论，提出了 光的电磁性，1887年赫兹用实验证实。,性质：弹性机械波，在机械以太中传播。,4,4）光的量
2、子说（20世纪初-）,电磁波动说在解释“热幅射实验”及“光电效应”等 实验遇到困难。,1900年普朗克提出了“热幅射量子理论”爱因斯坦 提出了光子理论，将光看成一束粒子流。与电磁 波动说相抗衡。二者各自统治着自已的领域。,“山重水复疑无路，柳暗花明又一村”,5,1924年法国人德布罗意（De.Broglie)大胆地提 出了“物质波”的概念，尔后薛定谔、海森伯等 人创建了量子力学，又将二者统一起来。,光是一个复杂性的客体，它的本性只能通过 它所表现的性质来确定，它的某些方面象波而另 一方面象微粒（波粒二象性）。,光学的发展仍是“方兴未艾，前途无限”,6,20世纪60年代激光的问世使光学的发展又获
3、得新的活力，激光技术与相关学科相结合，导致了光全息技术、光信息处理技术、光纤技术等的飞速发展，非线性光学、傅立叶光学等现代光学分支逐渐形成，带动了物理学及其相关学科的不断发展。,分类：,1）几何光学-研究光的直线传播及光学仪器的 制造；,2）波动光学-研究光的波动性；,3）量子光学-研究光与物质的相互作用。,7,一 光是一种电磁波,光矢量 E 矢量能引起人眼视觉和底片感光，叫做光矢量.,真空中的光速,8,可见光的范围,二 相干光,1 普通光源的发光机制,9,普通光源发光特点： 原子发光是断续的，每次发光形成一个短短的波列, 各原子各次发光相互独立，各波列互不相干.,10,2 相干光的产生,EN
4、D,薄膜干涉、劈尖、牛顿环,杨氏双缝干涉、洛埃镜实验,11,三 光程、光程差,光在真空中的速度,光在介质中的速度,介质中的波长,12,13,波程差,相位差,介质中的波长,14,物理意义：光程就是光在介质中通过的几何路程按相位差相等折合到真空中的路程.,(1)光程: 介质折射率与光的几何路程之积 =,15,(2)光程差 (两光程之差),光程差,相位差,16,17,四 透镜不引起附加的光程差,18,实 验 装 置,一 杨氏双缝干涉实验,波程差,211 杨氏双缝干涉,19,20,暗纹,p,21,明、暗条纹的位置,白光照射时，出现彩色条纹,暗纹,22,(1) 一定时，若 变化, 则 将怎样变化？,23
5、,(2) 一定时,条纹间距 与 的关系如何？,24,例1 在杨氏双缝干涉实验中，用波长=589.3 nm的纳灯作光源，屏幕距双缝的距离d=800 mm，问： (1)当双缝间距mm时，两相邻明条纹中心间距是多少？ (2)假设双缝间距10 mm，两相邻明条纹中心间距又是多少？,25,解,(1) d=1 mm时,(2) d=10 mm时,已知,=589.3 nm,d=800 mm,求,(1) d=1 mm时,(2) d=10 mm时,26,例2 以单色光照射到相距为0.2 mm的双缝上，双缝与屏幕的垂直距离为1 m. (1)从第一级明纹到同侧的第四级明纹间的距离为7.5 mm，求单色光的波长； (2
6、)若入射光的波长为600 nm,中央明纹中心距离最邻近的暗纹中心的距离是多少？,27,解,(1),(2),已知,求,(1),(2),28,二 双缝干涉光强分布,若,其中,29,加膜情况,30,三 洛埃镜,半波损失 ：光由光速较大（光疏）的介质射向光速较小（光密）的介质时，反射光相位突变 .,P,M,31,例2 如图 离湖面 h=0.5 m处有一电磁波接收器位于 C ，当一射电星从地平面渐渐升起时， 接收器断续地检测到一系列极大值 . 已知射电星所发射的电磁波的波长为20.0 cm,求第一次测到极大值时，射电星的方位与湖面所成的角度.,32,解 计算光程差,极大时,33,取,考虑半波损失时，附加
7、波程差取 均可，符号不同， 取值不同，对问题实质无影响.,34,L,一 薄膜干涉(1)-等倾干涉,212 薄膜干涉,35,36,反射光的光程差,对于厚度均匀的薄膜，光程差是由入射角 决定的，凡以相同倾角入射的光，经膜的上下表面反射后产生的相干光束都有相同的光程差，从而对应于干涉图样中的一条条纹，将此类干涉条纹称为等倾干涉条纹。,37,加 强,减 弱,根据具体情况而定,38,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.,39,当光线垂直入射时,当 时,当 时,40,例 一油轮漏出的油(折射率n1=1.20)污染了某海域, 在海水(n2=1.30)表面形成一层薄薄的油
8、污.,(1)如果太阳正位于海域上空，一直升飞机的驾驶员从机上向正下方观察，他所正对的油层厚度为460 nm,则他将观察到油层呈什么颜色?,(2)如果一潜水员潜入该区域水下，并向正上方观察，又将看到油层呈什么颜色？,41,解 (1),绿色,已知,n1=1.20,n2=1.30,d=460 nm,42,(2)透射光的光程差,红光,紫光,43,增透膜和增反膜,利用薄膜干涉可以提高光学器件 的透光率 .,（光学镀膜）,44,取,增强,氟化镁为增透膜,例 为了增加透射率，求氟化镁膜的最小厚度已知 空气n1=1.00，氟化镁 n2=1.38 ，=550 nm,减弱,解,或,45,二 薄膜干涉(2)-等厚干
9、涉,为该处膜厚,常见装置：劈尖膜和牛顿环,46,S,M,一 劈 尖,47,明纹,暗纹,48,49,(2)相邻明纹（暗纹） 之间劈尖的厚度差,(3)相邻明纹（暗纹）中心的间距,50,(4)劈尖角,51,(5 )干涉条纹的移动,52,例 1 波长为680 nm的平行光照射到L=12 cm长的两块玻璃片上，两玻璃片的一边相互接触 ，另一边被厚度=0.048 mm的纸片隔开. 试问在这12 cm长度内会呈现多少条暗条纹 ?,解,53,共有142条暗纹,54,(2)测膜厚,劈尖干涉的应用,55,(3)检验光学元件表面的平整度,56,(4)测细丝的直径,57,二 牛顿环,由一块平板玻璃和一平凸透镜组成,光
10、程差,58,牛顿环实验装置,显微镜,S,L,M 半透半反镜,T,明纹,暗纹,光程差,(1)从反射光中观测，中心点是暗点还是亮点？从透射光中观测，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？,(4)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.,(3)将牛顿环置于 的液体中，条纹如何变？,63,测量透镜的曲率半径,64,例2 用氦氖激光器发出的波长为633nm的单色光做牛顿环实验，测得第个 k 暗环的半径为5.63mm , 第 k+5 暗环的半径为7.96mm，求平凸透镜的曲率半径R.,解,65,总结,(1)干涉条纹为光程差相同的点的轨迹，即厚度相等的点的轨
11、迹.,66,(2)厚度线性增长条纹等间距，厚度非线性增长条纹不等间距.,(3)条纹的动态变化分析（ 变化时）,67,(4)半波损失需具体问题具体分析.,68,一 迈克耳孙干涉仪光路及结构,单色光源,反射镜,反射镜,213 迈克耳孙干涉仪,69,反射镜,反射镜,单色光源,光程差,70,反射镜,反射镜,单色光源,71,二 迈克耳孙干涉仪的主要特性,(1)两相干光束完全分开； (2)两光束的光程差可调.,移动反射镜,72,干涉条纹的移动,当 与 之间距离变大时 ，圆形干涉条纹从中心一个个长出,并向外扩张, 干涉条纹变密；距离变小时，圆形干涉条纹一个个向中心缩进, 干涉条纹变稀 .,73,插入介质片光程差,光程差变化,光程差,74,介质片厚度,
