大学物理光学课件

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1、第十四章第十四章 波动光学波动光学光学光学光学光学 研究光的现象、光的本质和光与物质研究光的现象、光的本质和光与物质研究光的现象、光的本质和光与物质研究光的现象、光的本质和光与物质 相互作用的学科相互作用的学科相互作用的学科相互作用的学科几何光学几何光学几何光学几何光学波动光学波动光学波动光学波动光学量子光学量子光学量子光学量子光学以光的直线传播规律为依据以光的直线传播规律为依据以光的直线传播规律为依据以光的直线传播规律为依据研究光的电磁性质和传播规律研究光的电磁性质和传播规律研究光的电磁性质和传播规律研究光的电磁性质和传播规律研究光与物质相互作用的规律研究光与物质相互作用的规律研究光与物质相

2、互作用的规律研究光与物质相互作用的规律7/27/20241第14章 波动光学14-1 14-1 14-1 14-1 光是电磁波光是电磁波光是电磁波光是电磁波14-2 14-2 14-2 14-2 光源光源光源光源 光波的叠加光波的叠加光波的叠加光波的叠加14-3 14-3 14-3 14-3 14-3 14-3 杨氏干涉实验杨氏干涉实验杨氏干涉实验杨氏干涉实验杨氏干涉实验杨氏干涉实验14-5 14-5 14-5 14-5 薄膜干涉薄膜干涉薄膜干涉薄膜干涉14-6 14-6 14-6 14-6 迈克耳逊干涉仪迈克耳逊干涉仪迈克耳逊干涉仪迈克耳逊干涉仪 14-4 14-4 14-4 14-4 光程

3、与光程差光程与光程差光程与光程差光程与光程差第十四章第十四章 波动光学波动光学14-7 14-7 14-7 14-7 惠更斯菲涅耳原理惠更斯菲涅耳原理惠更斯菲涅耳原理惠更斯菲涅耳原理14-8 14-8 14-8 14-8 单缝夫琅和费衍射单缝夫琅和费衍射单缝夫琅和费衍射单缝夫琅和费衍射14-9 14-9 14-9 14-9 光栅衍射及光栅光谱光栅衍射及光栅光谱光栅衍射及光栅光谱光栅衍射及光栅光谱14-10 14-10 14-10 14-10 偏振光和自然光偏振光和自然光偏振光和自然光偏振光和自然光14-11 14-11 14-11 14-11 起偏和检偏起偏和检偏起偏和检偏起偏和检偏 马吕斯定

4、律马吕斯定律马吕斯定律马吕斯定律14-12 14-12 14-12 14-12 反射和折射产生的偏振光反射和折射产生的偏振光反射和折射产生的偏振光反射和折射产生的偏振光14-13 14-13 14-13 14-13 双折射现象双折射现象双折射现象双折射现象7/27/20242第14章 波动光学14-1 光是电磁波光是电磁波 一、一、一、一、 电磁波的产生电磁波的产生电磁波的产生电磁波的产生 1. 1.电磁波是交变电磁场在空间的传播电磁波是交变电磁场在空间的传播电磁波是交变电磁场在空间的传播电磁波是交变电磁场在空间的传播2. 2. 电磁波是横波电磁波是横波电磁波是横波电磁波是横波3. 3. 3.

5、 3. 电场与磁场大小的关系电场与磁场大小的关系电场与磁场大小的关系电场与磁场大小的关系4. 4. 4. 4. 波速波速波速波速真空中真空中真空中真空中5. 5. 5. 5. 电磁波的能量密度电磁波的能量密度电磁波的能量密度电磁波的能量密度7/27/20243第14章 波动光学二、二、二、二、 光是电磁波光是电磁波光是电磁波光是电磁波 光色光色光色光色 波长波长波长波长(nm)(nm) 频率频率频率频率(Hz) (Hz) 中心波长中心波长中心波长中心波长 (nm) (nm) 红红红红 760622760622 660660 橙橙橙橙 622597 622597 610610 黄黄黄黄 5975

6、77597577 570 570 绿绿绿绿 577492 577492 540540 青青青青 492470 492470 480 480 兰兰兰兰 470455470455 460 460 紫紫紫紫 455400 455400 430 430 可见光七彩颜色的波长和频率范围可见光七彩颜色的波长和频率范围可见光七彩颜色的波长和频率范围可见光七彩颜色的波长和频率范围7/27/20244第14章 波动光学14-2 光源光源 光波的叠加光波的叠加 一、一、一、一、 光源光源光源光源 (1) (1) (1) (1) 热辐射热辐射热辐射热辐射 (2) (2) (2) (2) 电致发光电致发光电致发光电致

7、发光 (3) (3) (3) (3) 光致发光光致发光光致发光光致发光 (4) (4) (4) (4) 化学发光化学发光化学发光化学发光 能级跃迁能级跃迁能级跃迁能级跃迁波列波列波列波列L = L = L = L = c c c c自自自自发发发发辐辐辐辐射射射射(5) (5) (5) (5) 同步辐射同步辐射同步辐射同步辐射 (6) (6) (6) (6) 激光激光激光激光 受受受受激激激激辐辐辐辐射射射射自发辐射自发辐射自发辐射自发辐射E E E E2 2 2 2E E E E1 1 1 11. 1.发光机理发光机理发光机理发光机理7/27/20245第14章 波动光学非相干非相干非相干非

8、相干( ( ( (不同原子发的光不同原子发的光不同原子发的光不同原子发的光) ) ) )非相干非相干非相干非相干( ( ( (同一原子先后发的光同一原子先后发的光同一原子先后发的光同一原子先后发的光) ) ) ). . .2. 2. 发光特点发光特点发光特点发光特点间歇性间歇性间歇性间歇性独立性独立性独立性独立性二、二、二、二、 光的单色性光的单色性光的单色性光的单色性 单色光：具有同一波长（频率）的光单色光：具有同一波长（频率）的光单色光：具有同一波长（频率）的光单色光：具有同一波长（频率）的光（光学的理想化模型）（光学的理想化模型）（光学的理想化模型）（光学的理想化模型） 同同同同一一一一

9、种种种种原原原原子子子子组组组组成成成成的的的的光光光光源源源源发发发发出出出出的的的的光波频率也有一定的宽度光波频率也有一定的宽度光波频率也有一定的宽度光波频率也有一定的宽度 0 0 o oI II I0 0I I0 0 / /2 2 谱线宽度谱线宽度谱线宽度谱线宽度 越小，谱线的单色性越好越小，谱线的单色性越好越小，谱线的单色性越好越小，谱线的单色性越好7/27/20246第14章 波动光学三、三、三、三、 光波的叠加光波的叠加光波的叠加光波的叠加P P1 12 2r r1 1r r2 21. 1. 非相干叠加非相干叠加非相干叠加非相干叠加(1) (1) 相长干涉（亮）相长干涉（亮）相长干

10、涉（亮）相长干涉（亮）2. 2. 相干叠加相干叠加相干叠加相干叠加(2) (2) 相消干涉（暗）相消干涉（暗）相消干涉（暗）相消干涉（暗）相干条件相干条件相干条件相干条件: : 同频率、相差恒定、光矢量振动方向平行同频率、相差恒定、光矢量振动方向平行同频率、相差恒定、光矢量振动方向平行同频率、相差恒定、光矢量振动方向平行7/27/20247第14章 波动光学四、四、四、四、 如何获得相干光如何获得相干光如何获得相干光如何获得相干光1. 1. 分波阵面法分波阵面法分波阵面法分波阵面法 从从从从点点点点光光光光源源源源发发发发出出出出的的的的同同同同一一一一波波波波列列列列的的的的同同同同一一一一

11、波波波波面面面面上上上上，取取取取出出出出两两两两个个个个次次次次波波波波源源源源，这这这这两两两两个个个个此此此此波波波波源源源源为相干光源。为相干光源。为相干光源。为相干光源。 2. 2. 分振幅法分振幅法分振幅法分振幅法 将将将将光光光光束束束束中中中中的的的的每每每每个个个个波波波波列列列列都都都都分分分分成成成成两两两两列列列列，二二二二分分分分波波波波列列列列为为为为相干光。相干光。相干光。相干光。薄膜薄膜薄膜薄膜1 12 27/27/20248第14章 波动光学14-3 杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验 1. 1. 实验装置实验装置实验装置实验装置 ( ( ( ( 点源点源点源点

12、源 分波面分波面分波面分波面 相遇相遇相遇相遇) ) ) )一、一、一、一、 杨氏实验杨氏实验杨氏实验杨氏实验明明明明条纹位置条纹位置条纹位置条纹位置明明明明条纹位置条纹位置条纹位置条纹位置明明明明条纹位置条纹位置条纹位置条纹位置2. 2. 现象现象现象现象与缝平行、等宽、等间距、明暗相间、与缝平行、等宽、等间距、明暗相间、与缝平行、等宽、等间距、明暗相间、与缝平行、等宽、等间距、明暗相间、对称分布的干涉条纹对称分布的干涉条纹对称分布的干涉条纹对称分布的干涉条纹7/27/20249第14章 波动光学3. 3. 强度分布强度分布强度分布强度分布 确定相干光束确定相干光束确定相干光束确定相干光束

13、计算波程差计算波程差计算波程差计算波程差 根据相长根据相长根据相长根据相长 相消条件确定坐标相消条件确定坐标相消条件确定坐标相消条件确定坐标步骤步骤步骤步骤o o o o观察屏观察屏观察屏观察屏P P P P两光线波程差两光线波程差两光线波程差两光线波程差7/27/202410第14章 波动光学亮纹亮纹亮纹亮纹暗纹暗纹暗纹暗纹（光强极大位置）（光强极大位置）（光强极大位置）（光强极大位置） （光强极小（光强极小（光强极小（光强极小位置）位置）位置）位置）o o o o观察屏观察屏观察屏观察屏P P P P装置装置装置装置1 1两光线波程差两光线波程差两光线波程差两光线波程差7/27/20241

14、1第14章 波动光学(1) (1) 屏上相邻明条纹中心或相邻暗条纹中心间距为屏上相邻明条纹中心或相邻暗条纹中心间距为屏上相邻明条纹中心或相邻暗条纹中心间距为屏上相邻明条纹中心或相邻暗条纹中心间距为一系列等间距的一系列等间距的一系列等间距的一系列等间距的明暗相间条纹明暗相间条纹明暗相间条纹明暗相间条纹(4) (4) 当用白光作为光源时，在零级白色中央条纹两边对称的当用白光作为光源时，在零级白色中央条纹两边对称的当用白光作为光源时，在零级白色中央条纹两边对称的当用白光作为光源时，在零级白色中央条纹两边对称的排列着几条彩色条纹排列着几条彩色条纹排列着几条彩色条纹排列着几条彩色条纹 I Ik k0 0

15、1 12 2- - - -1 1- - - -2 24 4I I0 0x x0 0x x1 1x x2 2x x- - - -2 2x x- - - -1 1光强分布光强分布光强分布光强分布讨论讨论讨论讨论(2) (2) 已知已知已知已知 d , D d , D 及及及及 x x, ,可测可测可测可测 (3) (3) x x 正比正比正比正比 , , D D ; ; 反比反比反比反比 d d（光强极大位置）（光强极大位置）（光强极大位置）（光强极大位置） （光强极小（光强极小（光强极小（光强极小位置）位置）位置）位置）7/27/202412第14章 波动光学白光入射的杨氏双缝干涉照片白光入射的

16、杨氏双缝干涉照片白光入射的杨氏双缝干涉照片白光入射的杨氏双缝干涉照片红光入射的杨氏双缝干涉照片红光入射的杨氏双缝干涉照片红光入射的杨氏双缝干涉照片红光入射的杨氏双缝干涉照片7/27/202413第14章 波动光学洛洛洛洛 埃埃埃埃 镜镜镜镜 的的的的 干干干干 涉涉涉涉S SSSMM或或或或三三三三. . . .其他类似装置其他类似装置其他类似装置其他类似装置洛埃镜洛埃镜洛埃镜洛埃镜 费涅耳双棱镜费涅耳双棱镜费涅耳双棱镜费涅耳双棱镜 费涅耳双面镜费涅耳双面镜费涅耳双面镜费涅耳双面镜处理办法：处理办法：处理办法：处理办法：等效双缝等效双缝等效双缝等效双缝思考：为什思考：为什思考：为什思考：为什么

17、光程差公么光程差公么光程差公么光程差公式中出现了式中出现了式中出现了式中出现了屏上屏上屏上屏上O O 点出点出点出点出现暗条纹现暗条纹现暗条纹现暗条纹 半波损失半波损失半波损失半波损失 相当于入射波相当于入射波相当于入射波相当于入射波与反射波之间与反射波之间与反射波之间与反射波之间附加了一个半附加了一个半附加了一个半附加了一个半波长的波程差波长的波程差波长的波程差波长的波程差7/27/202414第14章 波动光学(1) (1) 明纹间距分别为明纹间距分别为明纹间距分别为明纹间距分别为(2) (2) (2) (2) 双缝间距双缝间距双缝间距双缝间距 d d d d 为为为为双双双双缝缝缝缝干干

18、干干涉涉涉涉实实实实验验验验中中中中，用用用用钠钠钠钠光光光光灯灯灯灯作作作作单单单单色色色色光光光光源源源源，其其其其波波波波长长长长为为为为589.3 589.3 nmnm，屏与双缝的距离，屏与双缝的距离，屏与双缝的距离，屏与双缝的距离 D D=600 mm=600 mm解解解解 例例例例求求求求 (1) (1) d d =1.0 =1.0 mmmm 和和和和 d d =10 =10 mmmm，两两两两种种种种情情情情况况况况相相相相邻邻邻邻明明明明条条条条纹纹纹纹间间间间距距距距分分分分别别别别为为为为多多多多大大大大？(2) (2) 若若若若相相相相邻邻邻邻条条条条纹纹纹纹的的的的最最

19、最最小小小小分分分分辨辨辨辨距距距距离离离离为为为为 0.065 0.065 mmmm，能分清干涉条纹的双缝间距能分清干涉条纹的双缝间距能分清干涉条纹的双缝间距能分清干涉条纹的双缝间距 d d 最大是多少？最大是多少？最大是多少？最大是多少？7/27/202415第14章 波动光学用用用用白白白白光光光光作作作作光光光光源源源源观观观观察察察察杨杨杨杨氏氏氏氏双双双双缝缝缝缝干干干干涉涉涉涉。设设设设缝缝缝缝间间间间距距距距为为为为d d ，缝缝缝缝面面面面与与与与屏屏屏屏距离为距离为距离为距离为 D D解解解解 最先发生重叠的是某一级次的红光和高一级次的紫光最先发生重叠的是某一级次的红光和高

20、一级次的紫光最先发生重叠的是某一级次的红光和高一级次的紫光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清晰的可见光谱只有一级清晰的可见光谱只有一级清晰的可见光谱只有一级 例例例例在在在在400 760 nm 400 760 nm 范围内，明纹条件为范围内，明纹条件为范围内，明纹条件为范围内，明纹条件为求求求求 能观察到的清晰可见光谱的级次能观察到的清晰可见光谱的级次能观察到的清晰可见光谱的级次能观察到的清晰可见光谱的级次7/27/202416第14章 波动光学【内容回顾内容回顾内容回顾内容回顾】光光光光的的的的干干干干涉涉涉涉获得相干光的途径获得相干光的途径获得相干光

21、的途径获得相干光的途径分波振面法分波振面法分波振面法分波振面法分振幅法分振幅法分振幅法分振幅法杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉薄膜干涉薄膜干涉薄膜干涉薄膜干涉亮纹亮纹亮纹亮纹暗纹暗纹暗纹暗纹亮纹亮纹亮纹亮纹暗纹暗纹暗纹暗纹？7/27/202417第14章 波动光学 引进光程可方便地计算相干光的相位差引进光程可方便地计算相干光的相位差引进光程可方便地计算相干光的相位差引进光程可方便地计算相干光的相位差光线光线光线光线1 1光线光线光线光线2 2取真空中的波长取真空中的波长取真空中的波长取真空中的波长 介质中的波长为介质中的波长为介质中的波长为介质中的波长为光在光在光在光在介质介质

22、介质介质1 1中的光程中的光程中的光程中的光程光在光在光在光在介质介质介质介质2 2中的光程中的光程中的光程中的光程14-4 光程与光程差光程与光程差 一、一、一、一、光程光程光程光程1 1）光程光程光程光程 折射率与几何路程的乘积折射率与几何路程的乘积折射率与几何路程的乘积折射率与几何路程的乘积 在相位改变相同的条件下，把光在介质中传播的在相位改变相同的条件下，把光在介质中传播的在相位改变相同的条件下，把光在介质中传播的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路程折合为光在真空中传播的相应路程路程折合为光在真空中传播的相应路程路程折合为光在真空中传播的相应

23、路程2 2）相位差）相位差）相位差）相位差 = = 光程差光程差光程差光程差( ( ) )7/27/202418第14章 波动光学由光程差计算由光程差计算由光程差计算由光程差计算相位差相位差相位差相位差光程光程光程光程 多种介质多种介质多种介质多种介质 光程光程光程光程1 1 1 1光程光程光程光程2 2 2 2光程光程光程光程3 3 3 3透镜成像不会引透镜成像不会引透镜成像不会引透镜成像不会引起附加相位差起附加相位差起附加相位差起附加相位差二、物象之间的等光程原理二、物象之间的等光程原理二、物象之间的等光程原理二、物象之间的等光程原理光程光程光程光程1 1 1 1= = = =光程光程光程

24、光程2 2 2 2= = = =光程光程光程光程3 3 3 37/27/202419第14章 波动光学用用用用折折折折射射射射率率率率 n n =1.58 =1.58 的的的的很很很很薄薄薄薄的的的的云云云云母母母母片片片片覆覆覆覆盖盖盖盖在在在在双双双双缝缝缝缝实实实实验验验验中中中中的的的的一一一一条条条条缝缝缝缝上上上上，这这这这时时时时屏屏屏屏上上上上的的的的第第第第七七七七级级级级亮亮亮亮条条条条纹纹纹纹移移移移到到到到原原原原来来来来的的的的零零零零级级级级亮亮亮亮条条条条纹纹纹纹的的的的位置上。如果入射光波长为位置上。如果入射光波长为位置上。如果入射光波长为位置上。如果入射光波长

25、为 550 nm550 nm解解解解 设设设设云云云云母母母母片片片片厚厚厚厚度度度度为为为为 d d 。无无无无云云云云母母母母片片片片时时时时，零零零零级级级级亮亮亮亮纹纹纹纹在在在在屏屏屏屏上上上上 P P 点点点点，则则则则到到到到达达达达 P P 点点点点的的的的两两两两束束束束光光光光的的的的光光光光程程程程差差差差为为为为零零零零。加加加加上上上上云云云云母母母母片片片片后后后后，到到到到达达达达P P点的两光束的光程差为点的两光束的光程差为点的两光束的光程差为点的两光束的光程差为当当当当 P P 点为第七级明纹位置时点为第七级明纹位置时点为第七级明纹位置时点为第七级明纹位置时

26、例例例例求求求求 此云母片的厚度是多少？此云母片的厚度是多少？此云母片的厚度是多少？此云母片的厚度是多少？7/27/202420第14章 波动光学14-5 薄膜干涉薄膜干涉水膜在水膜在水膜在水膜在白光下白光下白光下白光下白光下的肥皂膜白光下的肥皂膜白光下的肥皂膜白光下的肥皂膜7/27/202421第14章 波动光学蝉翅在蝉翅在蝉翅在蝉翅在阳光下阳光下阳光下阳光下蜻蜓翅膀在阳光下蜻蜓翅膀在阳光下蜻蜓翅膀在阳光下蜻蜓翅膀在阳光下白光下的油膜白光下的油膜白光下的油膜白光下的油膜肥皂泡玩过吗肥皂泡玩过吗肥皂泡玩过吗肥皂泡玩过吗? ?7/27/202422第14章 波动光学一一一一. . . . 等厚干

27、涉等厚干涉等厚干涉等厚干涉 反射光反射光反射光反射光2 2 2 2 反射光反射光反射光反射光1 1 1 1S S1 12 2两条相干光线的光程差两条相干光线的光程差两条相干光线的光程差两条相干光线的光程差 （光程差）（光程差）（光程差）（光程差）入射角固定，而厚度不均匀的薄膜表面发生的干涉现象。入射角固定，而厚度不均匀的薄膜表面发生的干涉现象。入射角固定，而厚度不均匀的薄膜表面发生的干涉现象。入射角固定，而厚度不均匀的薄膜表面发生的干涉现象。若考虑半波损失若考虑半波损失若考虑半波损失若考虑半波损失 7/27/202423第14章 波动光学薄膜薄膜薄膜薄膜1 1 1 12 2 2 2反射光干涉反

28、射光干涉反射光干涉反射光干涉薄膜薄膜薄膜薄膜透射光干涉透射光干涉透射光干涉透射光干涉1 1 1 12 2 2 27/27/202424第14章 波动光学(3)(3)(3)(3)光线垂直入射光线垂直入射光线垂直入射光线垂直入射 反射光反射光反射光反射光1 1 1 1反射光反射光反射光反射光2 2 2 2入射光入射光入射光入射光(1) (1) 同一厚度同一厚度同一厚度同一厚度 d d 对应同一级条纹对应同一级条纹对应同一级条纹对应同一级条纹等厚条纹。等厚条纹。等厚条纹。等厚条纹。讨论讨论讨论讨论(2) (2) 公式中有无半波损失项，取决于介质折射率。公式中有无半波损失项，取决于介质折射率。公式中有

29、无半波损失项，取决于介质折射率。公式中有无半波损失项，取决于介质折射率。无半波损失项无半波损失项无半波损失项无半波损失项 有半波损失项有半波损失项有半波损失项有半波损失项 7/27/202425第14章 波动光学二二二二. . . . 劈尖干涉劈尖干涉劈尖干涉劈尖干涉 明纹明纹明纹明纹暗纹暗纹暗纹暗纹平行光平行光平行光平行光垂直入射垂直入射垂直入射垂直入射到劈尖上到劈尖上到劈尖上到劈尖上 光程差光程差光程差光程差 相干光的获得相干光的获得相干光的获得相干光的获得 条纹特点：条纹特点：条纹特点：条纹特点： 一一一一组组组组平平平平行行行行于于于于楞楞楞楞边边边边的的的的直直直直线线线线，条纹出现

30、在薄膜的上表面。条纹出现在薄膜的上表面。条纹出现在薄膜的上表面。条纹出现在薄膜的上表面。明纹明纹明纹明纹暗纹暗纹暗纹暗纹 楞边是暗纹。楞边是暗纹。楞边是暗纹。楞边是暗纹。反射光反射光反射光反射光1 1 1 1反射光反射光反射光反射光2 2 2 2入射光入射光入射光入射光7/27/202426第14章 波动光学 条纹间距条纹间距条纹间距条纹间距相邻条纹的光程差差一个波长相邻条纹的光程差差一个波长相邻两明纹对应的厚度差相邻两明纹对应的厚度差平移平移改变楔角改变楔角 思考：思考：明纹明纹明纹明纹暗纹暗纹暗纹暗纹7/27/202427第14章 波动光学 劈尖干涉的应用劈尖干涉的应用劈尖干涉的应用劈尖干

31、涉的应用(2) (2) 测表面不平整度测表面不平整度测表面不平整度测表面不平整度等厚条纹等厚条纹等厚条纹等厚条纹待测工件待测工件待测工件待测工件平晶平晶平晶平晶D D(1) (1) 可测量小角度可测量小角度可测量小角度可测量小角度 、微位移微位移微位移微位移 x x、微小直径微小直径微小直径微小直径 D D、波长波长波长波长 等等等等（如测金属丝直径（如测金属丝直径（如测金属丝直径（如测金属丝直径D D）下凹或凸起深度下凹或凸起深度弯曲深度弯曲深度7/27/202428第14章 波动光学一平面单色光波垂直照射在厚度均匀的薄油膜上，油膜覆一平面单色光波垂直照射在厚度均匀的薄油膜上，油膜覆一平面单

32、色光波垂直照射在厚度均匀的薄油膜上，油膜覆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，观察到盖在玻璃板上，所用光源波长可连续变化，观察到盖在玻璃板上，所用光源波长可连续变化，观察到盖在玻璃板上，所用光源波长可连续变化，观察到500nm500nm和和和和700nm700nm这两个波长的光在反射中消失。油的折射率为这两个波长的光在反射中消失。油的折射率为这两个波长的光在反射中消失。油的折射率为这两个波长的光在反射中消失。油的折射率为1.301.30，玻璃的折射率为玻璃的折射率为玻璃的折射率为玻璃的折射率为1.501.50解解解解 根据题意，不需考虑半波损

33、失根据题意，不需考虑半波损失根据题意，不需考虑半波损失根据题意，不需考虑半波损失例例例例求求求求 油膜的厚度油膜的厚度油膜的厚度油膜的厚度 空气空气空气空气油油油油玻璃玻璃玻璃玻璃n暗纹的条件为暗纹的条件为暗纹的条件为暗纹的条件为 7/27/202429第14章 波动光学【内容回顾内容回顾内容回顾内容回顾】薄薄薄薄膜膜膜膜干干干干涉涉涉涉等厚干涉等厚干涉等厚干涉等厚干涉亮纹亮纹亮纹亮纹暗纹暗纹暗纹暗纹劈尖干涉劈尖干涉劈尖干涉劈尖干涉亮纹亮纹亮纹亮纹暗纹暗纹暗纹暗纹牛顿环牛顿环牛顿环牛顿环图样：与楞平行等间距明暗相间条纹，楞边是暗纹。图样：与楞平行等间距明暗相间条纹，楞边是暗纹。图样：与楞平行等

34、间距明暗相间条纹，楞边是暗纹。图样：与楞平行等间距明暗相间条纹，楞边是暗纹。7/27/202430第14章 波动光学三三三三. . . . 牛顿环牛顿环牛顿环牛顿环 S S分束镜分束镜分束镜分束镜MM 显微镜显微镜显微镜显微镜o o平凸透镜平凸透镜平凸透镜平凸透镜平晶平晶平晶平晶d dr rR R o o2.2.2.2.相干光的获得相干光的获得相干光的获得相干光的获得1.1.1.1.实验装置及光路图实验装置及光路图实验装置及光路图实验装置及光路图3.3.3.3.光程差光程差光程差光程差明纹明纹明纹明纹暗纹暗纹暗纹暗纹7/27/202431第14章 波动光学明纹明纹明纹明纹: :暗纹暗纹暗纹暗纹

35、: :d dr rR R o o4.4.4.4.条纹特点条纹特点条纹特点条纹特点明纹明纹明纹明纹暗纹暗纹暗纹暗纹 牛牛牛牛顿顿顿顿环环环环的的的的干干干干涉涉涉涉图图图图样样样样是是是是以以以以接接接接触触触触点点点点为为为为中中中中心的一组明暗相间的同心园环。心的一组明暗相间的同心园环。心的一组明暗相间的同心园环。心的一组明暗相间的同心园环。7/27/202432第14章 波动光学讨论讨论讨论讨论(1) (1) 中心点处是一暗点。中心点处是一暗点。中心点处是一暗点。中心点处是一暗点。(2) (2) 相邻两明纹或暗纹对应的厚度差相邻两明纹或暗纹对应的厚度差相邻两明纹或暗纹对应的厚度差相邻两明纹

36、或暗纹对应的厚度差d dr rR R o o(3) (3) 条纹间距条纹间距条纹间距条纹间距牛顿环条纹是内疏外密的同心园环。牛顿环条纹是内疏外密的同心园环。牛顿环条纹是内疏外密的同心园环。牛顿环条纹是内疏外密的同心园环。(4) (4) 透透透透射射射射光光光光干干干干涉涉涉涉，在在在在下下下下表表表表面面面面附附附附近近近近产产产产生生生生干干干干涉涉涉涉条条条条纹纹纹纹，但但但但条条条条纹纹纹纹的明暗与反射光干涉结果相反，中心为一亮点。的明暗与反射光干涉结果相反，中心为一亮点。的明暗与反射光干涉结果相反，中心为一亮点。的明暗与反射光干涉结果相反，中心为一亮点。(5) (5) 若将空气换成水若

37、将空气换成水若将空气换成水若将空气换成水条纹变密。条纹变密。条纹变密。条纹变密。7/27/202433第14章 波动光学讨论讨论讨论讨论(6) (6) 若透镜上移，则明暗环向中心收缩；若透镜上移，则明暗环向中心收缩；若透镜上移，则明暗环向中心收缩；若透镜上移，则明暗环向中心收缩； 若透镜下移，则明暗环向外扩张。若透镜下移，则明暗环向外扩张。若透镜下移，则明暗环向外扩张。若透镜下移，则明暗环向外扩张。 中心明暗交替变化。中心明暗交替变化。中心明暗交替变化。中心明暗交替变化。(7) (7) 比较劈尖和牛顿环比较劈尖和牛顿环比较劈尖和牛顿环比较劈尖和牛顿环相同点：相同点：相同点：相同点：垂直入射的等

38、厚干涉条纹垂直入射的等厚干涉条纹垂直入射的等厚干涉条纹垂直入射的等厚干涉条纹二相邻条纹对应的厚度差二相邻条纹对应的厚度差二相邻条纹对应的厚度差二相邻条纹对应的厚度差条纹间距条纹间距条纹间距条纹间距不同点：不同点：不同点：不同点：劈劈劈劈尖尖尖尖: : 直直直直线线线线牛牛牛牛顿顿顿顿环环环环: : 园园园园环环环环等间距等间距等间距等间距内疏外密内疏外密内疏外密内疏外密d dr rR R o o7/27/202434第14章 波动光学白光入射的牛顿环照片白光入射的牛顿环照片7/27/202435第14章 波动光学5.5.5.5.应用应用应用应用(1) (1) 测波长测波长测波长测波长 ，测透镜

39、的曲率半径，测透镜的曲率半径，测透镜的曲率半径，测透镜的曲率半径 R R(2) (2) 检测透镜的曲率半径误差及其表面平整度检测透镜的曲率半径误差及其表面平整度检测透镜的曲率半径误差及其表面平整度检测透镜的曲率半径误差及其表面平整度 样板样板样板样板待测待测待测待测透镜透镜透镜透镜条纹条纹条纹条纹 没有条纹：没有条纹：没有条纹：没有条纹： 二曲面平行二曲面平行二曲面平行二曲面平行条纹疏：条纹疏：条纹疏：条纹疏： 样品与标准件差异小样品与标准件差异小样品与标准件差异小样品与标准件差异小条纹密：条纹密：条纹密：条纹密： 样品与标准件差异大样品与标准件差异大样品与标准件差异大样品与标准件差异大7/2

40、7/202436第14章 波动光学试定性画出牛顿环的花纹试定性画出牛顿环的花纹试定性画出牛顿环的花纹试定性画出牛顿环的花纹例例例例 1.31.41.61.51.5解析：解析：解析：解析：左半边有半波损失项左半边有半波损失项左半边有半波损失项左半边有半波损失项右半边没有半波损失项右半边没有半波损失项右半边没有半波损失项右半边没有半波损失项左右两边花样明暗互补。左右两边花样明暗互补。左右两边花样明暗互补。左右两边花样明暗互补。左边：左边：左边：左边：d d0 0处处处处 暗纹暗纹暗纹暗纹右边：右边：右边：右边：d d0 0处处处处 明纹明纹明纹明纹7/27/202437第14章 波动光学14-6

41、迈克耳逊干涉仪迈克耳逊干涉仪一、迈克耳逊干涉仪一、迈克耳逊干涉仪一、迈克耳逊干涉仪一、迈克耳逊干涉仪1. 1. 结构结构结构结构光束光束光束光束2 2和和和和1 1发生干涉发生干涉发生干涉发生干涉加强加强加强加强减弱减弱减弱减弱光程差光程差光程差光程差( (无半波损失无半波损失无半波损失无半波损失) )d d2. 2. 工作原理工作原理工作原理工作原理GG1 1分光板，分光板，分光板，分光板，GG2 2补偿板，补偿板，补偿板，补偿板， 用以补偿光程用以补偿光程用以补偿光程用以补偿光程7/27/202438第14章 波动光学(2). (2). 若若若若MM1 1、MM 2 2有小夹角有小夹角有小

42、夹角有小夹角(3). (3). 若若若若MM1 1平移平移平移平移 d d 时，干涉条纹移过时，干涉条纹移过时，干涉条纹移过时，干涉条纹移过 N N 条，则有条，则有条，则有条，则有等厚条纹等厚条纹等厚条纹等厚条纹(1). (1). 若若若若MM1 1、MM 2 2平行平行平行平行3 3 3 3. . . . 条纹特点条纹特点条纹特点条纹特点无条纹无条纹无条纹无条纹整个视场或亮或暗整个视场或亮或暗整个视场或亮或暗整个视场或亮或暗明暗相间的直条纹明暗相间的直条纹明暗相间的直条纹明暗相间的直条纹MM1 1移动，则视场亮暗交替变化移动，则视场亮暗交替变化移动，则视场亮暗交替变化移动，则视场亮暗交替变

43、化(4). (4). 若若若若在在在在MM1 1和和和和MM2 2之之之之间间间间插插插插入入入入厚厚厚厚度度度度为为为为d d0 0的的的的介介介介质质质质片片片片n n，干干干干涉涉涉涉条条条条纹纹纹纹移移移移过过过过 N N 条，则有条，则有条，则有条，则有(5). (5). 若若若若S S为为为为面面面面光光光光源源源源，入入入入射射射射角角角角不不不不同同同同，则则则则观观观观测测测测到到到到等等等等倾倾倾倾干干干干涉条纹：一组同心圆环。涉条纹：一组同心圆环。涉条纹：一组同心圆环。涉条纹：一组同心圆环。7/27/202439第14章 波动光学二、相干长度二、相干长度二、相干长度二、相

44、干长度 相干时间相干时间相干时间相干时间相干长度相干长度相干长度相干长度L L L L 波列的长度波列的长度波列的长度波列的长度（看到干涉现象所允许的最大光程差）（看到干涉现象所允许的最大光程差）（看到干涉现象所允许的最大光程差）（看到干涉现象所允许的最大光程差）光通过相干长度所需时间光通过相干长度所需时间光通过相干长度所需时间光通过相干长度所需时间相干时间相干时间相干时间相干时间相干长度与谱线宽度的关系：相干长度与谱线宽度的关系：相干长度与谱线宽度的关系：相干长度与谱线宽度的关系： 从从从从同同同同一一一一波波波波列列列列分分分分出出出出来来来来的的的的两两两两个个个个分分分分波波波波列列列

45、列到到到到达达达达观观观观测测测测点点点点的的的的时时时时间间间间间间间间隔隔隔隔须须须须小小小小于于于于相相相相干干干干时时时时间间间间，二二二二分分分分波波波波列列列列才才才才可可可可以以以以重重重重合合合合而而而而发发发发生生生生干干干干涉涉涉涉 相相相相干干干干长长长长度度度度L L L L和和和和谱谱谱谱线线线线宽宽宽宽度度度度是是是是衡衡衡衡量量量量光光光光源源源源品品品品质好坏的两个指标。质好坏的两个指标。质好坏的两个指标。质好坏的两个指标。7/27/202440第14章 波动光学14-7 惠更斯菲涅耳原理惠更斯菲涅耳原理一一. . 光的衍射现象光的衍射现象1. 1. 现象现象衍

46、射屏衍射屏观察屏观察屏2. 2. 衍射衍射光在传播过程中绕过障碍物的边缘而偏离直线传播的现象光在传播过程中绕过障碍物的边缘而偏离直线传播的现象衍射现象是否明显取决于障碍物线度与波长的对比衍射现象是否明显取决于障碍物线度与波长的对比，波长越大波长越大，障碍物越小障碍物越小，衍射越明显衍射越明显。说明说明光源光源( (剃须刀边缘衍射剃须刀边缘衍射) )7/27/202441第14章 波动光学二二. 惠更斯惠更斯菲涅耳原理菲涅耳原理 同一波前上的各点发出的都是相干子波。同一波前上的各点发出的都是相干子波。2. 惠更斯菲涅耳原理惠更斯菲涅耳原理 各子波在空间某点的相干叠加，就决定了该点波的强度。各子波

47、在空间某点的相干叠加，就决定了该点波的强度。说明说明(1) (1) 惠更斯惠更斯菲涅耳原理在惠更斯原理的基础上给出了子波菲涅耳原理在惠更斯原理的基础上给出了子波源在传播过程中的振幅变化及位相关系。源在传播过程中的振幅变化及位相关系。1. 惠更斯原理惠更斯原理 波所到达的各点都可看作是一个新的波源，从这些波源又波所到达的各点都可看作是一个新的波源，从这些波源又发出子波来，而下一时刻的波前就是这些子波的公切面。发出子波来，而下一时刻的波前就是这些子波的公切面。（引入子波概念）（引入子波概念）(2) (2) 根据根据惠更斯惠更斯菲涅耳原理可确定波的传播方向，菲涅耳原理可确定波的传播方向，还可定量计算

48、波所到达的各点的光强分布。还可定量计算波所到达的各点的光强分布。7/27/202442第14章 波动光学(远场衍射远场衍射)2. 夫琅和费衍射夫琅和费衍射(近场衍射近场衍射)1. 菲涅耳衍射菲涅耳衍射 三三. 光的衍射分类光的衍射分类无无限远光源限远光源无限远相遇无限远相遇光源光源O ,观察屏观察屏E (或二者或二者之一之一) 到衍射屏到衍射屏S 的距离为的距离为有限的衍射，如图所示。有限的衍射，如图所示。光源光源O ,观察屏观察屏E 到衍到衍射屏射屏S 的距离均为无穷的距离均为无穷远的衍射，如图所示。远的衍射，如图所示。( 菲涅耳衍射菲涅耳衍射 )( 夫琅和费衍射夫琅和费衍射 )7/27/202443第14章 波动光学