医用物理课件第12章波动光学

第十二章 波动光学第十二章第十二章1 1、光、光的干涉的干涉2 2、光光的衍射的衍射3 3、光光的偏振的偏振4*4*偏振光的应用偏振光的应用5*5*液晶的光学特性液晶的光学特性第十二章 波动光学教学基本要求教学基本要求掌握掌握杨氏双缝干涉、夫琅禾费单缝衍射、杨氏双缝干涉、夫琅禾费单缝衍射、光栅衍射的基本原理和公式。光栅衍射的基本原理和公式。理解理解光程、光程差、半波损失等概念及薄光程、光程差、半波损失等概念及薄膜干涉、劈尖干涉、牛顿环的有关原理和膜干涉、劈尖干涉、牛顿环的有关原理和公式。公式。掌握掌握偏振的有关概念及马吕斯定律，理解偏振的有关概念及马吕斯定律，理解布儒斯特定律和光的双折射现象。布儒斯特定律和光的双折射现象。理解理解物质的旋光性。物质的旋光性。了解了解圆孔衍射。圆孔衍射。第十二章 波动光学1 1、光是电磁波，一般、光是电磁波，一般指电磁波谱中的指电磁波谱中的可见光可见光部分。部分。引引 言言760nm400nm 可见光可见光 电电 磁磁 波波 谱谱红外线红外线 紫外线紫外线 射射 线线X射线射线长波无线电波长波无线电波频率频率波长波长短波无线电波短波无线电波2 2、光速光速与折射率关系与折射率关系 v=c/nC C是光在真空中是光在真空中的速度的速度。第十二章 波动光学一、光的相干性一、光的相干性1 1、光的干涉：光的干涉：两两束束相干光相干光在相遇区域形成在相遇区域形成稳定的明稳定的明暗相间的暗相间的条纹分布的现象。条纹分布的现象。第一节第一节 光的干涉光的干涉2 2、相干条件相干条件振动方向振动方向相同相同初相相同或相初相相同或相位差恒定位差恒定频率频率相同相同明显干涉条纹明显干涉条纹*光强相差光强相差不能太大不能太大 *光程差光程差不能太不能太大大 第十二章 波动光学3 3、普通普通光源发出的光不是相干光光源发出的光不是相干光1）普通光源发光特点普通光源发光特点E1E2光波列光波列独立独立(不同原子发的光不是相干光不同原子发的光不是相干光)独立独立(同一原子先后发的不是相干光同一原子先后发的不是相干光)2 2）激光器激光器发出的光是相干光。发出的光是相干光。*间歇间歇性性*随机性随机性：光波列光波列的初相位没有固定的初相位没有固定关关系、振动系、振动方向和方向和频率不一频率不一定相同定相同 10-9 10-8s 光波列长度光波列长度有限有限第十二章 波动光学2 2）分波阵面法：从同一）分波阵面法：从同一波阵面上分出两束相干光波阵面上分出两束相干光（杨氏双缝）（杨氏双缝）3 3）分振幅法）分振幅法：从同一波：从同一波列中分出两束振幅不同的列中分出两束振幅不同的相干光相干光（薄膜干涉）（薄膜干涉）1 1）基本思想基本思想：光源光源上上同一同一个原子个原子同一次所发同一次所发的一个光的一个光波列波列设法设法分成分成两个光两个光波列（波列（相干光相干光）。）。注意：由上述方法得到的两注意：由上述方法得到的两束束相干光相干光初相相同初相相同。4 4、如何从普通光中获得相干光如何从普通光中获得相干光第十二章 波动光学1、光程光程光在真空中（光在真空中（n n=1=1）走几何路程）走几何路程r r相相位的改变位的改变光在折射率为光在折射率为n的介质中走的介质中走几何路程几何路程r相位的改变相位的改变光程光程：折射率：折射率n n和光所通过的和光所通过的几何路程几何路程r r的乘积的乘积 *决定光波相位决定光波相位变化变化的是的是几何路程吗？几何路程吗？二、光程 光程差 第十二章 波动光学2 2、光程差光程差：两束光的光程之差。两束光的光程之差。3 3、相位差相位差与光程差的与光程差的关系式关系式4、薄透镜薄透镜的等光程性的等光程性光光路路中中放放入入透透镜镜后后，虽虽改改变变了了光光线线的的传传播播路路径径，但但不改变光线间的光程差不改变光线间的光程差.真空真空中光的波长中光的波长第十二章 波动光学5 5、用用光光程程差差表表示示干干涉涉加加强强（明明条条纹纹）和和减减弱弱（暗暗条条纹纹）的条件）的条件光光程程差差是是半半波波长长的偶数倍的偶数倍 1 1）明条纹）明条纹2 2）暗条纹）暗条纹光光程程差差是是半半波波长的奇数倍长的奇数倍 6 6、说明说明（1 1）光程的物理意义）光程的物理意义：光在介质中通过的几何路程折光在介质中通过的几何路程折算到同一时间内真空中通过的路程算到同一时间内真空中通过的路程.（2 2）多种介质中光程）多种介质中光程 第十二章 波动光学ABC例：如图，光通过例：如图，光通过AB和和BC的时间相等，的时间相等，AB在真空在真空中，长为中，长为2m，BC在介质中，长为在介质中，长为1.5m，求（，求（1）介）介质折射率，（质折射率，（2）A到到C的总光程。的总光程。解：解：（1 1）（2 2）n第十二章 波动光学三、杨氏双缝三、杨氏双缝干涉干涉实验实验英国科学家英国科学家托马斯托马斯杨杨在在1802年首先用实年首先用实验的方法研究了光的干涉现象，为光的波验的方法研究了光的干涉现象，为光的波动理论确定了实验基础。动理论确定了实验基础。第十二章 波动光学1 1、光屏光屏上明暗条纹上明暗条纹分布分布 明条纹明条纹.暗条纹暗条纹.1)1)明纹中心明纹中心第二级明纹第二级明纹第一级明纹第一级明纹中央明纹中央明纹第一级明纹第一级明纹第二级明纹第二级明纹2)2)暗纹中心暗纹中心k k=1k k=1k k=2k k=2k k=1k k=2k k=2k k=0k k=13 3）相邻明）相邻明(暗暗)纹纹间距（宽度）间距（宽度）注意注意：级次：级次K K、光程差、光程差、光屏上位置、光屏上位置等等的对应关系的对应关系。第十二章 波动光学 2 2、杨氏杨氏双缝干涉图象双缝干涉图象:明暗相间地、明暗相间地、对称地、等间距对称地、等间距地地分布在中央明纹两侧。分布在中央明纹两侧。单色光的干涉单色光的干涉白光的干涉白光的干涉3 3、若若入射光入射光为白光时为白光时，只有中央明纹是白色，其他，只有中央明纹是白色，其他各级明纹都是由各级明纹都是由紫色到红色向外排列紫色到红色向外排列形成。形成。第十二章 波动光学14例例 以单色光照射到相距为以单色光照射到相距为0.2 mm的双缝上，双缝与的双缝上，双缝与屏幕的垂直距离为屏幕的垂直距离为1 m.(1)(1)从第一级明纹到同侧的第从第一级明纹到同侧的第四级明纹间的距离为四级明纹间的距离为7.5 mm，求单色光的波长；，求单色光的波长；(2)(2)若入射光的波长为若入射光的波长为600 nm,中央明纹中心距离最邻近中央明纹中心距离最邻近的暗纹中心的距离是多少？的暗纹中心的距离是多少？解（解（1）（2）第十二章 波动光学例例.杨氏双缝实验中杨氏双缝实验中,在一个光路上放置在一个光路上放置n为为1.58、厚度为、厚度为8.5 m 的云母片的云母片,使原中央明纹移至第使原中央明纹移至第9级明纹处级明纹处,求入求入射射光波长光波长 解解:L中央明纹的光程中央明纹的光程差是多少？差是多少？0 0第十二章 波动光学四四四四 劳埃德镜实验劳埃德镜实验劳埃德镜实验劳埃德镜实验 第十二章 波动光学PAB屏屏.BAs1s2虚光源平面镜实光源半波损失半波损失（相位突变（相位突变）（该实验意义）（该实验意义）光从空气射向玻璃发生反射时，反射光有大小为光从空气射向玻璃发生反射时，反射光有大小为 的的相位突变。相当于光波多（少）走了半个波长的距离。相位突变。相当于光波多（少）走了半个波长的距离。当当光从光从光疏媒质光疏媒质射向射向光密媒质光密媒质界面反射界面反射时时,反射光反射光有有半波损失。半波损失。第十二章 波动光学1、分折薄膜干涉分折薄膜干涉的的大概大概步骤步骤1 1）找薄膜找薄膜2 2）找相干光找相干光反射光反射光干涉、干涉、透射光干涉透射光干涉 五五 薄膜干涉薄膜干涉3）计算相干光总计算相干光总光程差（关键）光程差（关键）*总总光程差等于光程差等于几何光程差几何光程差加上由加上由于半波损失引起的于半波损失引起的附加光程差附加光程差.(1(1）几何）几何光程差光程差 1 1通过光通过光路图求出路图求出(2）附加）附加光程差光程差 2只有二个值只有二个值第十二章 波动光学两条相干光均无（有）半波损失时两条相干光均无（有）半波损失时两条相干光中只有一条有半波损失两条相干光中只有一条有半波损失时时4）有无半波损失的判断）有无半波损失的判断方法方法当光当光从光疏介质射向光密介质从光疏介质射向光密介质时，时，反射光反射光有有半波损失。半波损失。反射光可能有反射光可能有，折（透）射光没有，折（透）射光没有.5 5）由由光程差的明暗纹条件列式并得到相关公式。光程差的明暗纹条件列式并得到相关公式。干涉明纹干涉明纹干涉暗纹干涉暗纹半波损失无半波损失第十二章 波动光学2、平行平面薄膜反射光平行平面薄膜反射光3、透射光的光程差透射光的光程差 相同相同倾角的倾角的入射光有相同的光程差入射光有相同的光程差，将，将形成同一级干涉形成同一级干涉条纹条纹等倾干涉等倾干涉4、光线光线垂直入射垂直入射 几何光程差几何光程差 1 1=2ne=2ne注意：透射注意：透射光和反射光干涉具有光和反射光干涉具有互补性。互补性。第十二章 波动光学5 5、增透膜和增反膜增透膜和增反膜(2)(2)物理语言描述：在光学器件上物理语言描述：在光学器件上镀镀一层一层薄膜薄膜，使，使膜上下两表面的膜上下两表面的反射反射光干涉减弱光干涉减弱(透射光透射光干涉干涉加强加强).).1)1)增透膜增透膜2)2)增反膜增反膜(2)(2)物理语言描述：在光学器件上物理语言描述：在光学器件上镀一层镀一层薄膜薄膜，使膜上下两表面的，使膜上下两表面的反反射光干涉加强射光干涉加强(透射光干涉减弱透射光干涉减弱)。照相机镜头照相机镜头(1)(1)定义定义:在光学器件表面镀一层在光学器件表面镀一层薄膜薄膜以以提高某些波长光提高某些波长光的的透射率（强度）透射率（强度）.(1)(1)定义定义:在光学器件表面镀一层在光学器件表面镀一层薄膜薄膜以以提高某些波长光提高某些波长光的的反射率（强度）反射率（强度）.第十二章 波动光学例、照相机的透镜常镀上透明薄膜，目的是利用干涉原理例、照相机的透镜常镀上透明薄膜，目的是利用干涉原理来减少表面的反射，使更多的光进入透镜（来减少表面的反射，使更多的光进入透镜（增透膜增透膜）。）。常用的镀膜物质是氟化镁（常用的镀膜物质是氟化镁（MgFMgF2 2），它的折射率），它的折射率n n=1.381.38。如果要使可见光谱中。如果要使可见光谱中=550nm=550nm的光有最小反射，的光有最小反射，问膜的最小厚度应是多少？问膜的最小厚度应是多少？设光波垂直入射设光波垂直入射。解：最小反射即反射光满足干涉减弱条件解：最小反射即反射光满足干涉减弱条件 k=1，2，3，取取k=1，膜的最小厚度为，膜的最小厚度为第十二章 波动光学1 1 劈尖干涉劈尖干涉1 1）劈尖：劈尖：夹角很小的两个平面所构成的薄膜。夹角很小的两个平面所构成的薄膜。空气劈尖空气劈尖介质劈尖介质劈尖六六 等厚干涉等厚干涉单色光垂直入射到劈面上，单色光垂直入射到劈面上，从劈尖从劈尖上下上下表面反射表面反射的光，的光，在劈尖的在劈尖的上表面上表面附近附近相遇相遇而而发生干涉。发生干涉。第十二章 波动光学薄膜厚度相同对应同薄膜厚度相同对应同一级干涉条纹。一级干涉条纹。nn1n1nen12 2）等厚干涉（等厚干涉（垂直入射）垂直入射）3 3）劈尖的劈尖的干涉图像干涉图像平平行行于于棱棱边边的的等等间间距距的的直直条纹条纹，且棱边为零级暗纹，且棱边为零级暗纹.明纹：明纹：暗纹：暗纹：L eekek+1明明纹纹暗暗纹纹n(1)(1)相邻明相邻明(暗暗)纹纹间的厚度差间的厚度差(2)(2)相邻明相邻明(暗暗)纹间距离纹间距离第十二章 波动光学1 1）产生产生牛顿环牛顿环的薄膜的薄膜:半径很大的半径很大的平平凸透镜凸透镜放在放在平平板板玻璃玻璃上，两者之间的上，两者之间的这部分这部分空气空气。2 2、