大学物理第15章波动光学

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1、光学是研究光的传播以及它和物质相互作用问题的学科光学通常分为以下三个部分：几何光学：以光的直线传播规律为基础，主要研究各种成象光学仪器的理论波动光学：研究光的电磁性质和传播规律，特别是干涉、衍射、偏振的理论和应用量子光学：以光的量子理论为基础，研究光与物质相互作用的规律第十五章 波 动 光 学第一部分 光的干涉15.1 光源 光的相干性15.2 分波阵面干涉15.3 光程和光程差光15.4 分振幅干涉15.5 迈克耳逊干涉仪第二部分 光的衍射15.6 光的衍射现象 惠更斯 菲涅耳原理15.7 单缝夫琅禾费衍射15.8 圆孔衍射 光学仪器的分辨本领15.9 衍射光栅和光栅光谱第三部分 光的偏振1

2、5.10 偏振光 马吕斯定律15.11 反射和折射时产生的偏振 布儒斯特定律一、光是电磁波电磁波的速度：真空中的速度：81270011m3 10s8.854 10410uc 1u15.1 光源 光的相干性0()r 0()r 电容率磁导率电磁波可以看成是平面波（横波） BEcBxyzE和 相互垂直，且与传播方向垂直。 同频率，同相位地变化：uHuE按波长或频率的次序把这些电磁波排列成谱 -称为电磁波谱可见光的范围Hz103 . 4105 . 7:nm760400:14144000埃7600埃，只占很小的一段E与物质作用的主要物理量是电矢量通常称 为光矢量二、 光源光源的最基本发光单元是分子、原子

3、。能发光的物体称为光源分类：普通光源、激光光源普通光源由发光特点分为：热光源：太阳、白炽灯等；非热光源：气体放电、荧光灯等。普通光源：自发辐射独立（不同原子发的光）独立（同一原子先后发的光） = (E2-E1)/hE1E2能级跃迁辐射波列波列长 L = c普通光源的发光机理：光是由光源中大量原子（或分子）从高能级状态跃迁到低能状态，对外辐射出来的。发光时间t 10-8s（1）各个原子的发光是完全独立的, 互不相关它们何时发光完全是不确定的；发光频率，光的振动方向，光波的初位相以及光波的传播方向等都可能不同。（2）普通光源 每个原子发光是间隙式的，每次发光时间短且光波是一段有限长、振动方向和频率

4、一定的正弦波列。辐射的特点：普通光源 的不同原子发的光不可能 产生干涉现象（2）激光光源可以实现光放大;单色性好;相干性好。-受激辐射跃迁。例如:氦氖激光器; 红宝石激光器; 半导体激光器等等。完全一样的光子 = (E2-E1) / hE1E2（频率, 相位,振动方向,传播方向都相同）三、 光波的相干性 两列光波的叠加（仅讨论振动方向相同的情况）光光矢矢量量， E光源发出的光是大量简谐波叠加的光波.单色光:具有单一波长的光;复色光:由许多不同波长的光复合起来的光. 2121/，令令EEP12r1r2)cos(1101 tEE)cos(2202 tEEP点处：EEEEE cos(t) 1 12

5、20 0 1 2 E0E10E20 cos22121IIIII光光强强又又 ， 22110220IEIE cos2201022021020EEEEE12 其中： 非相干光源：在时间 内，两光波相位差 (取02各值)不恒定，即：2 20 00 00 01 11 1= =E E d dt t= = d dt t 2220102010202cosIEEEE E cos0 I = I1 + I2 非相干叠加 (普通光源)01cos0dt 则：即：221020EE2220102010202cosEEEE E 相干光源： 常常数数coscos() 相长干涉（明） 2，k 2121max2IIIIII （k

6、 = 0,1,2） 相消干涉（暗） )12(， k 2121min2IIIIII (k = 0,1,2) 121 2 2 cosIIII I 由由光光强强干涉项21II 若时，叠加后的光强为：21 4cos 2II 2，k （k = 0,1,2） ) 12(， k (k = 0,1,2) max14IImin0I最亮最暗121 2 1 cos() II即：I02-24-44I1干涉图样 “当两列(或几列)满足一定条件的光波在某区域同时传播时,空间某些点的光振动始终加强；某些点的光振动始终减弱，在空间形成一幅稳定的光强分布图样”，称为光的干涉现象。要产生干涉现象，在波的叠加区中任一定点都应满足相

7、干条件。光的干涉现象的几张照片光干涉的条件：光干涉的条件：满足相干条件的光称为满足相干条件的光称为相干光相干光这生相干光的光源称为这生相干光的光源称为光矢量应振动方向相同；光矢量应振动方向相同；频率相同；频率相同；相位差恒定。相位差恒定。普通光源获得相干光的途径普通光源获得相干光的途径: PS * *分波面法：分波面法：分振幅法：分振幅法： P薄膜薄膜S *在在 P 点处点处 相干叠加相干叠加历史上几种获得相干光的方法：历史上几种获得相干光的方法：（惠更斯原理）（惠更斯原理）一、杨氏双缝干涉一、杨氏双缝干涉现象：现象：一系列平行的明暗相间的条纹；一系列平行的明暗相间的条纹； 不太大时条纹等间距

8、不太大时条纹等间距. . d ，D d （d 10 -4m， D m）Thomas Young (1773-1829)(英国科学家英国科学家)（第一个测出（第一个测出波长的人）波长的人）p1s2ssxood1r2rD 15.2 分波阵面干涉分波阵面干涉（1）条纹）条纹(中心中心)的位置的位置（在（在 较小的情况下）较小的情况下）波程差：波程差：Dxdddrr tgsin12)(1210202rr 现已有现已有 20 - 10=0干涉条纹定量分析：干涉条纹定量分析：p1s2ssxod1r2rD 亮纹亮纹: （相长干涉）（相长干涉） krrkk 122102或或波波程程差差),(xdkD Dxkd

9、 (k =0，1，2)所以所以级级亮亮纹纹称称级级亮亮纹纹称称级级中中央央亮亮纹纹称称22, 21, 100, 0210 dDxkdDxkxk 可以看出可以看出: x 越大越大,波程差越大波程差越大, 干涉条纹的级次也越大干涉条纹的级次也越大亮纹中心的位置和级次：亮纹中心的位置和级次：dDkx 暗纹：暗纹：（相相消干涉）消干涉）(21)2Dxkd (21)(1,2,3, )2xdkkD暗纹中心的位置和级次：暗纹中心的位置和级次：级暗纹级暗纹称称级暗纹级暗纹称称223, 212, 121 dDxkdDxk (k =1,2,)r1 r2 xdxD0P(2) 条纹间距条纹间距dDx r1 r2 xd

10、xD0Px0 xI xu亮纹与暗纹交替排列等间距条纹。双缝间亮纹与暗纹交替排列等间距条纹。双缝间距距d增大或增大或D减小，减小， 变小即条纹变密，不宜变小即条纹变密，不宜过密而不能分辨；过密而不能分辨；x Dd 相邻两亮纹相邻两亮纹(或暗纹或暗纹)之间的距离都是之间的距离都是 。白光入射时，白光入射时，0级亮纹为白色（可用来级亮纹为白色（可用来定屏上定屏上0级的位置）；其余级亮纹构成级的位置）；其余级亮纹构成彩带彩带,第二级亮纹就会出现重叠（为什第二级亮纹就会出现重叠（为什么？）。么？）。u对非单色光源对非单色光源, 有色散现象有色散现象:( ,x 红光红光 紫光紫光)1122xdkkD？ 一

11、定时，若一定时，若 变化，则变化，则 将怎样变化？将怎样变化？d D、x1）讨论讨论条纹间距条纹间距 Dxd2） 条纹间距条纹间距 与与 的关系如何？的关系如何？xd 一定时，一定时，D、 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1sEM2sdDEN二、洛埃镜等实验二、洛埃镜等实验(1)第第1级明纹中心距中央明纹中心的距离？级明纹中心距中央明纹中心的距离？(2)若若P点离中央明纹的中心距离为点离中央明纹的中心距离为0.1mm，问两光束，问两光束在在P点的相位差是多少？点的相位差是多少？ 例例1 在杨氏双缝实验装置中在杨氏双缝实验装