物理光学总复习

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1、光学总复习光学总复习几何光学（几何光学（h 0, 0）光光 学学波动光学波动光学( h 0, 0 )主要内容主要内容量子光学（量子光学（h0, 0）波动性波动性电磁性电磁性光波与物质的光波与物质的电磁相互作用电磁相互作用光波的叠加光波的叠加1. 线性叠加原理线性叠加原理. 独立传播原理独立传播原理横波性横波性光的偏振光的偏振线性线性介质介质光的干涉光的干涉光的衍射光的衍射有有限限束束光光波波相相干干叠叠加加无无限限束束光光波波相相干干叠叠加加1542362. 光的干涉光的干涉相干光源的相干光源的获得方法获得方法 光光 的的 干干 涉涉 光的干涉条件光的干涉条件: 3个必要条件和个必要条件和3个

2、补充条件个补充条件几种典型的干涉几种典型的干涉1.明暗条纹条件明暗条纹条件,2. 条纹的分布条纹的分布,3.条纹动态变化条纹动态变化.迈克耳孙干涉仪迈克耳孙干涉仪增反、透薄膜增反、透薄膜劈尖等厚干涉，牛顿环劈尖等厚干涉，牛顿环F-P 干涉仪干涉仪杨氏干涉等杨氏干涉等分波阵面法分波阵面法等倾干涉等倾干涉光程定义光程定义: nr光程差的计算光程差的计算分振分振幅法幅法光光 程程薄膜干涉薄膜干涉等厚干涉等厚干涉主要内容主要内容多光束干涉多光束干涉一、基本概念一、基本概念：光的折射率：光的折射率：光强：光强：光速：光速： c = 299 792 458 米米/秒秒可见光范围可见光范围：390760 n

3、m ( 7.73.9 )1014 Hz光的相干条件：光的相干条件：基本（必要）条件：基本（必要）条件：同频率、同振动方向、位相差恒定同频率、同振动方向、位相差恒定.补充条件：补充条件：光程差不能太大：光程差不能太大：光源线度受限制：光源线度受限制：光程：相同时间内，光在介质中走光程：相同时间内，光在介质中走 r，相当于在真，相当于在真空中走空中走 nr.光程差：光程差：几何路径几何路径介质介质 n半波损失半波损失振幅相差不悬殊：振幅相差不悬殊：条纹可见度：条纹可见度：二、掌握内容：二、掌握内容：1、杨氏干涉：、杨氏干涉：亮纹亮纹：2、等倾、等厚干涉：、等倾、等厚干涉：3、迈克尔逊干涉仪；、迈克

4、尔逊干涉仪；4、F-P 干涉仪；干涉仪； 5、牛顿环、牛顿环.条纹间隔条纹间隔：时间相干性时间相干性：空间相干性空间相干性：光谱重合问题：光谱重合问题：光疏光疏光密光密例例1: 钠光灯作光源，波长钠光灯作光源，波长 ，屏与双缝，屏与双缝的距离的距离 L=500 mm ,(1) d = 1.2 mm 和和 d = 10 mm , 相邻明相邻明条纹间距分别为多大？条纹间距分别为多大？(2) 若相邻明条纹的最小分辨距若相邻明条纹的最小分辨距离为离为 0.065 mm , 能分辨干涉条纹的双缝间距是多少？能分辨干涉条纹的双缝间距是多少？解解:(1) d = 1.2 mm d =10 mm(2)双缝间距

5、双缝间距 d 为：为：例例2: 杨氏双缝实验中，杨氏双缝实验中，P为屏上第五级亮纹所在位置。现将为屏上第五级亮纹所在位置。现将 一一 玻璃片插入光源玻璃片插入光源 发出的光束途中，则发出的光束途中，则P点变为中央点变为中央 亮条纹的位置，求玻璃片的厚度。亮条纹的位置，求玻璃片的厚度。P解、没插玻璃片之前二光束的光程差为解、没插玻璃片之前二光束的光程差为已知已知: 玻璃玻璃插玻璃片之后二光束的光程差为插玻璃片之后二光束的光程差为例例3:3: 用白光作双缝干涉实验时，能观察到几级清晰可用白光作双缝干涉实验时，能观察到几级清晰可辨的彩色光谱？辨的彩色光谱？解解: :用白光照射时，除中央明纹为白光外，

6、两侧形成外红内紫的用白光照射时，除中央明纹为白光外，两侧形成外红内紫的对称彩色光谱对称彩色光谱. .当当 k k 级红色明纹位置级红色明纹位置xk k红红大于大于k+1k+1级紫色明纹级紫色明纹位置位置x(k+1)(k+1)紫紫时，光谱就发生重叠。据前述内容有时，光谱就发生重叠。据前述内容有 红红 = 7600= 7600， 紫紫 = 4000,= 4000,代代入得入得: :K =1.1表明表明: :白光照射时在中央白色明纹两侧，白光照射时在中央白色明纹两侧，只有第一级彩色光谱只有第一级彩色光谱是清晰可辨的是清晰可辨的. . 玻玻璃璃 n1=1.5， 镀镀MgF2 n2=1.38，放放在在

7、空空气气中中，白白 光光 垂垂 直直 射射 到到 膜膜 的的 表表 面面 ， 欲欲 使使 反反 射射 光光 中中 =550nm 的成分相消，的成分相消， 求：膜的最小厚度。求：膜的最小厚度。反射光相消反射光相消 = 增透增透 思考思考：若：若 n2n3 会得到什会得到什么结果？为什么望远镜的镜么结果？为什么望远镜的镜片有的发红，有的发蓝？片有的发红，有的发蓝？ 效果最好效果最好例例4:例例5: 如图所示，在折射率为如图所示，在折射率为1.50的平板的平板玻璃表面有一层厚度为玻璃表面有一层厚度为300nm，折，折射率为射率为1.22的均匀透明油膜，用白的均匀透明油膜，用白光垂直射向油膜，问：光垂

8、直射向油膜，问： 1) 哪些波长的可见光在反射光中产生哪些波长的可见光在反射光中产生相长干涉相长干涉? 2) 哪些波长的可见光在透射光中产生哪些波长的可见光在透射光中产生相长干涉相长干涉? 3) 若要使反射光中若要使反射光中=550nm的光产生的光产生相干涉，油膜的最小厚度为多少相干涉，油膜的最小厚度为多少?解：解：(1) 因反射光之间没有半波损失，因反射光之间没有半波损失，由垂直入射由垂直入射 i =0，得反射光相长，得反射光相长干涉的条件为干涉的条件为k =1 时时 红光红光 k =2 时时 故反射中只有可见光故反射中只有可见光的红光产生相长干涉的红光产生相长干涉.紫外紫外 d(2) 对于

9、透射光，相长条件为：对于透射光，相长条件为： k =1 时时 红外红外 k =2 时时 青色光青色光 ( 红光的补色红光的补色 ) k =3 时时 紫外紫外 (3) 由反射相消干涉条件为由反射相消干涉条件为 ： 显然显然 k = 0 所产生对应所产生对应的厚度最小，即的厚度最小，即 例例6：问：问：1. 若反射光相消干涉的条件中若反射光相消干涉的条件中取取 k=1，膜的厚度为多少？，膜的厚度为多少？2. 此增此增透膜在可见光范围内有没有增反？透膜在可见光范围内有没有增反？已知：用波长已知：用波长 ，照相机镜头，照相机镜头n3 =1.5,其上涂一层其上涂一层 n2=1.38 的氟化镁增透膜，的氟

10、化镁增透膜，光线垂直入射。光线垂直入射。解：解：1. 因为因为 ，所以反射光，所以反射光经历两次半波损失。反射光相干相经历两次半波损失。反射光相干相消的条件是：消的条件是：代入代入k=1 和和 n2 求得：求得：321nnn 此膜对反射光相干相长的条件：此膜对反射光相干相长的条件：可见光波长范围可见光波长范围 400700nm波长波长412.5nm的可的可见光有增反。见光有增反。结果问：问：2. 此增透膜在可见光范围内此增透膜在可见光范围内有没有增反？有没有增反？例例7：氦氖激光器中的谐振腔反射镜，要求对波长氦氖激光器中的谐振腔反射镜，要求对波长 =6328A0的单色光反射率达的单色光反射率达

11、99%以上，为此在以上，为此在反射镜的玻璃表面上交替镀上反射镜的玻璃表面上交替镀上 ZnS (n1=2.35)和和低折射率材料低折射率材料MgF2 (n2 =1.38)，共十三层，求每，共十三层，求每层膜的实际厚度？（按最小厚度要求）层膜的实际厚度？（按最小厚度要求）n1n1n1n2n2n2实际使用光线实际使用光线: 垂直入射，有半波损失。所以垂直入射，有半波损失。所以ZnS的最小厚度的最小厚度MgF的最小厚度的最小厚度例例8：已知：用紫光照射，借助于低倍测量显微镜测得由已知：用紫光照射，借助于低倍测量显微镜测得由中心往外数第中心往外数第 k 级明环的半径级明环的半径 , k 级往上数第级往上

12、数第16 个明环半径个明环半径 ，平凸透镜的曲率半径平凸透镜的曲率半径R=2.50m,求：紫光的波长？求：紫光的波长？解：根据明环半径公式：解：根据明环半径公式：例例9：在迈克耳孙干涉仪的两臂在迈克耳孙干涉仪的两臂中分别引入中分别引入 10 厘米长的厘米长的玻璃管玻璃管 A、B ，其中一个，其中一个抽成真空，另一个在充以抽成真空，另一个在充以一个大气压空气的过程中一个大气压空气的过程中观察到观察到107.2 条条纹移动，条条纹移动，所用波长为所用波长为546nm。求空气的折射率求空气的折射率？解：设空气的折射率为解：设空气的折射率为 n相邻条纹或说条纹移动一条时，对应光程差的变化为一个相邻条纹

13、或说条纹移动一条时，对应光程差的变化为一个波长，当观察到波长，当观察到107.2 条移过时，光程差的改变量满足：条移过时，光程差的改变量满足：迈克耳孙干涉仪的两臂中迈克耳孙干涉仪的两臂中便于插放待测样品，由条便于插放待测样品，由条纹的变化测量有关参数纹的变化测量有关参数。精度高精度高。例例10：扬氏装置中，若已知波长为扬氏装置中，若已知波长为589nm在远处的光屏上形在远处的光屏上形成角宽度为成角宽度为 0.020 的暗纹的暗纹. 若将整个装置浸入水中，求双缝若将整个装置浸入水中，求双缝间距和条纹的角宽度间距和条纹的角宽度.提示：提示：空气中：空气中：水中：水中：对切透镜的成像和干涉问题：对切

14、透镜的成像和干涉问题：比累比累比累比累(Billet(Billet)剖开剖开剖开剖开透镜透镜透镜透镜提示：提示：胶合对切透镜？胶合对切透镜？ 梅斯林梅斯林梅斯林梅斯林( ( G.MesliG.Meslin)n)对对对对切透镜切透镜切透镜切透镜梅斯林梅斯林梅斯林梅斯林对切透对切透对切透对切透镜的特镜的特镜的特镜的特殊情况殊情况殊情况殊情况干涉条纹形状？干涉条纹形状？半圆形半圆形干涉条纹形状？干涉条纹形状？半圆形半圆形检查光学平面的缺陷检查光学平面的缺陷条纹偏向膜（空气）厚部，条纹偏向膜（空气）厚部，表示平面上有凸起。表示平面上有凸起。“凸凸” 向厚处偏！向厚处偏！平面上有凹坑平面上有凹坑。“凹凹

15、” 向薄处偏！向薄处偏！压压环外扩：要打磨中央部分环外扩：要打磨中央部分压压环内缩：要打磨边缘部分环内缩：要打磨边缘部分牛顿环在光学冷加工中的应用牛顿环在光学冷加工中的应用每一圈对应每一圈对应 厚度差（因为厚度差（因为 n=1）1. 1. 光强分布光强分布其中其中: :(1)(2)(3)(4)GGndA0A0tA0tr2A0tr4A0trA0tr3令令: :法布里 - 珀罗干涉仪 多光束干涉讨论：讨论：所以：称F 为精细度.2 .2 .应用：应用：(1) F-P 滤光膜（干涉滤光片）滤光膜（干涉滤光片）如果：如果：nd=500nm，白光垂直入射，则透射光，由：，白光垂直入射，则透射光，由：可见光中只有：可见光中只有：500nm 的光可通过的光可通过!(2) 共焦共焦F-P干涉仪干涉仪a. 分辨本领比平面型的更高分辨本领比平面型的更高;b. 测量激光谱线的线宽测量激光谱线的线宽;c. 构成激光谐振腔的一种构成激光谐振腔的一种.M1M2f3. 有同一相位差的多光束叠加有同一相位差的多光束叠加讨论讨论:主最大主最大最小最小 N-1个个次最大次最大 N-2个个第一极小第一极小 =p p , 故故 j”从从1开始开始ii. 次极大光强次极大光强理解：理解：理解：理解：2R1NA0