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1、1北极光2 光学研究的内容1、光的发射、传播和吸收的规律；、光和物质的相互作用，包括吸收、散射、色散、光的机械作用、光的热效应、光的电效应、光的化学效应、光的生理效应等；、光的本质的研究。313. 1 光源 光的相干性13. 2 杨氏双缝干涉13. 3 薄膜的等倾干涉 13. 5 迈克尔逊干涉仪13. 6 光的衍射 惠更斯-菲涅耳原理13. 7 单缝的夫琅禾费衍射13. 8 圆孔衍射 光学仪器的分辨本领13. 4 薄膜的等厚干涉 41 （光的干涉）一、 理解相干光的条件及获得相干光的方法. 二 、掌握光程的概念以及光程差和相位差的 关系，理解在什么情况下的反射光有相位 跃变.三、 能分析杨氏双
2、缝干涉条纹及薄膜等厚干涉 条纹的位置.四、了解迈克耳逊干涉仪的工作原理.5（光的衍射） 一、了解惠更斯菲涅耳原理及它对光的衍射现象 的定性解释. 二、了解用波带法来分析单缝的夫琅禾费衍射条纹 分布规律的方法，会分析缝宽及波长对衍射条 纹分布的影响.三、理解光栅衍射公式 , 会确定光栅衍射谱线的 位置，会分析光栅常数及波长对光栅衍射谱线 分布的影响.四、了解衍射对光学仪器分辨率的影响.五、了解 X 射线的衍射现象和布拉格公式的物理 意义. 6几何光学 以光的直线传播规律为基础， 究各种成象规律和光学仪器的理论；主要研量子光学 以光的量子理论为基础， 质相互作用的规律；研究光与物波动光学 研究光的
3、电磁理论和传播规律， 是干涉、衍射、偏振的理论和应用；特别现代光学 以激光问世为标志，与许多科学技术 领域紧密结合，派生了许多新的分支 学科。（h0, 0）（ h0, 0）（h0, 0）7一. 光是一种电磁波1. 电磁波的产生 凡做加速运动的电荷都是电磁波的波源。例如：天线中的振荡电流分子或原子中电荷的振动2. 电磁波的性质(1)(2) 电磁波是横波和传播速度相同、相位相同8(3) 量值上(4) 波速(5) 电磁波具有波的共性 在介质分界面处有反射和折射真空中折射率910二. 光源(1) 热辐射 (2) 电致发光 (3) 光致发光 (4) 化学发光 能级跃迁波列波列长 L = c自发辐射非相干
4、(不同原子发的光)非相干(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E2E1最基本发光单元是分子、原子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.11激光光源：受激辐射。发出频率、相位、振动方向、传播方向相同的光。光的单色性单色光：（激光为最好的单色光源.）复色光：各种频率复合的光（普通光源）色散现象 把复色光中各种不同频率的光分开,形成光谱称为光的色散.普通光源：发光具有独立性、随机性、间歇性12光的单色性产生单色光的方法(1)利用色散;(2)利用滤波片;(3)利用单色光源;(4)激光振动方向相互平行频率相同相位差恒定两列光波相干
5、条件三. 相干光源: 同一原子的同一次发光.13四. 光程和光程差光在真空中的速度光在介质中的速度真空中的波长介质的折射率 介质中的波长若时间 t 内光波在介质中传播的路程为 r0 ,则相应在真空中传播的路程应为 14改变相同相位的条件下 物理意义：光在介质中通过的几何路程折算到真空中的路程.介质折射率与光的几何路程之积 =(1)光程光程 多种介质 若时间 t 内光波在介质中传播的路程为 r0 ,则相应在真空中传播的路程应为 15由光程差计算相位差光程 多种介质 (2)光程差 (两光程之差)*P*如右图真空中的波长！附加光程差16ABAB焦平面 平行光束通过透镜后，会聚于焦平面上成一亮点，焦点
6、 F、副焦点F 都是亮点，说明各光线在此同相叠加(光程差=0)。光线经过透镜后并不附加光程差。17S acbS物点到象点（亮点）各光线之间的光程差为零。FacbABCF 而 A、B、C 或 a、b、c 都在同一相面上。说明各光线等光程（物象之间等光程原理）18波阵面分割法*光源振幅分割法一.相干光获得法19实 验 装 置p波程差（分波阵面法） 加强 减弱 明纹暗纹20p暗纹 明纹(1) 相邻明纹中心或相邻暗纹中心间距:(2) 已知 d , D 及x,可测(3) x 正比 , D ; 反比 d21 一定时，若 变化, 则 将怎样变化？22 一定时， ； 。 单色光照射1、相邻两明、暗条纹等间距，
7、各级明、暗条纹等强度 ， 一定时， ； 。 2、23 一定时,条纹间距 与 的关系如何？24 点对所有波长的光均为零程差 ， 中央亮条纹为白色。 当 较大时，不同级的彩色亮条纹会重叠重叠。 ，一定时， ，其余亮条纹为彩色； 波长短的紫光靠近 点。(4) 白光作为光源时， (明纹)在零级白色中央条纹两边对称地排列着紫色-红色的彩色条纹 。25(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 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
8、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？26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: 最先发生重叠的是某一级次的红光和高一级次的紫光 清晰的可见光谱只有一级！ 在400 760 nm 范围内，明纹条件为求 能观察到的清晰可见光谱的级次27 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角度.ACB12解：波程差极大时28取 注意 考虑半波损失时，附加波程差取均可，
9、符号不同， k 取值不同，对问题实质无影响.ACB12极大时29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，则到达 P 点的两束光的光程差为零。加上云母片后，到达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？常用的测微小长/厚度的方法30PLDC34E5A1B2（分振幅法 ）半波损失折射定律分析：31 反射光的光程差加 强减 弱PLDC34E5A1B232PLDC34E5A1B2 透射光的光程
10、差根据具体情况而定注意：透射光和反射光干涉具有互补 性 ，符合能量守恒定律.凡入射倾角i相同,其光程差相等,形成同一条纹.这种不同入射角形成的明暗相间的干涉条纹称等倾干涉条纹.33 光线垂直入射时当 时当 时（2束反射光均有半波损失） 此时膜厚d相同的干涉条纹级次相同-等厚干涉。34 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？
11、35解 (1)绿色已知n1=1.20n2=1.30d=460 nm反射光：油膜海水n1=1.20n2=1.3036 (2)透射光的光程差红光紫光紫红色油膜海水n1=1.20n2=1.3037 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 .增透膜和高反膜(应用) 利用反射光干涉减弱(透射光加强)使光能大部分透射的薄膜,称为增透膜; 反之为高反膜。3823玻璃取（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 则39SM劈尖角光垂直入射时：明纹暗纹同一厚度 d 对应同一级条纹等厚干涉。40劈尖干涉（明纹）
12、（暗纹）讨论 (1)棱边处为暗纹.明纹暗纹41(2)相邻明纹（暗纹）对应的厚度差厚度差劈尖干涉 (3)条纹间距42 (4 )干涉条纹的移动43(2) 测膜厚(1) 干涉膨胀仪 劈尖干涉的应用44 (3)检验光学元件表面的平整度 等厚条纹,各条纹对应空气膜厚度相同, 左条纹比右条纹对应空气膜厚度薄, 弯曲部分在左,如正常膜对应厚度应小, 只有为凹槽才能与右边平整处有相同空气膜厚.故不平处为凹槽.凸起高度（凹槽深度）45空气 (4) 测细丝的直径46 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
13、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: 由题知 直径 求 金属丝直径 DD47一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500nm和700nm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 求 油膜的厚度 48由一块平板玻璃和一平凸透镜组成光程差49 牛顿环实验装置牛顿环实验装置牛顿环干涉图样显微镜SLM 半透半反镜T50R明纹暗纹rd光程差暗环半径明环半径51说明:透射光条纹与
14、反射光条纹互补。(2)牛顿环为明暗相间的同心圆环,条纹中央疏边缘密. 牛顿环的级次外大,内小.(3)透射情况(n1 n2n3)(1)级次k的始值须保证且d=0处(中心)为暗斑.(4)平凸镜上移,此时反射纹向中收缩(内陷);接近时,环向外冒环心呈明暗交替地变化.暗环半径明环半径52(1)属于等厚干涉，条纹间距不等，为什么？ (2)将牛顿环置于 的液体中，条纹如何变？暗环半径明环半径牛顿环53检测透镜质量、测光波波长、测透镜曲率半径等. 测量透镜的曲率半径测量透镜的曲率半径 应用举例：工工 件件标标 准准 件件54牛顿环例题在牛顿环实验中589 nm4.00 mm6.00 mm暗环6.79 m55
15、半波损失需具体问题具体分析-中心是暗纹.-中心是明纹.56非平行膜等厚干涉57一一 迈克耳孙干涉仪光路及结构迈克耳孙干涉仪光路及结构补偿板 分光板 与 成 角58迈克耳孙干涉仪半透半反膜5960反射镜反射镜单色光源光程差 的像等倾干涉条纹61干涉条纹移动数目二 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.移动距离移动反射镜62插入介质片后光程差光程差变化光程差干涉条纹移动数目 介质片厚度：*思考：如何测透明介质的折射率？63迈氏干涉仪其它用途 可用来研究许多物理因素：如温度、压强、电场磁场等对光传播的影响，也可以用它测单色光的波长，光源和滤光片的相干长度
16、及透明介质的折射率等。64 例 在迈克耳孙干涉仪的两臂中，分别插入 长的玻璃管，其中一个抽成真空， 另一个则储有压强为 的空气 , 用以测量空气的折射率 . 设所用光波波长为546 nm，实验时，向真空玻璃管中逐渐充入空气，直至压强达到 为止 . 在此过程中 ，观察到107.2条干涉条纹的移动，试求空气的折射率 .解：已知65一 光的衍射现象 光在传播过程中若遇到尺寸比光的波长大得不多的障碍物时，光会传到障碍物的阴影区并形成明暗变化的光强分布的现象。缝大,直线传播； 缝小,衍射 圆孔、圆盘、细丝等尺寸大时为象； 尺寸小时形成明暗相间条纹.衍射屏观察屏光源66二 惠更斯-菲涅耳原理：波阵面上面元 (子波波源)子波在 点引起的振动振幅 并与 有关 .： 时刻波阵面 *e 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，就决定了该点波的强度。67夫 琅 禾 费 衍 射光源、屏与缝相距无限远缝菲 涅 耳 衍 射缝光源、屏与缝相距有限远在实验中实现夫琅禾费衍射近场衍射远场衍射68夫 琅 禾 费 单 缝 衍 射（衍射角 ：向上为正，向下为负）菲涅耳波带法衍射角69半波带法(1)原
