第4章波动光学PPT讲稿.ppt
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1、第1页,共88页,编辑于2022年,星期二wave opticswave optics第2页,共88页,编辑于2022年,星期二4-1 4-1 光和光的相干性光和光的相干性光波中起感光作用的光波中起感光作用的是电场强度是电场强度E 矢量,称为矢量,称为光矢量光矢量。E 矢量的振动称为矢量的振动称为光振动光振动。在波动光学中,主要讨论的是相对光强,因此直接在波动光学中,主要讨论的是相对光强,因此直接把把光强光强定义为:定义为:一、光波的描述方法一、光波的描述方法可见光波长在可见光波长在400nm-760nm。光波是电磁波光波是电磁波红外区红外区可见光可见光紫外区紫外区光波的光波的能流密度。能流密
2、度。光强光强第3页,共88页,编辑于2022年,星期二二、光的叠加性二、光的叠加性 相干条件相干条件两频率相同,振动方向相同的光波在两频率相同,振动方向相同的光波在p点相遇点相遇第4页,共88页,编辑于2022年,星期二1、非相干叠加、非相干叠加两独立光源两独立光源所发出所发出的光的光或或同一光源的不同部位同一光源的不同部位所发出的所发出的光光叠加叠加叠加后光强等于两光束单独照射时的光强之和,无叠加后光强等于两光束单独照射时的光强之和,无干涉现象干涉现象.要使两列波在要使两列波在P处产生相干叠加处产生相干叠加两列波的条件:两列波的条件:(1)振动方向相同)振动方向相同(2)频率相同)频率相同(
3、3)相位差恒定)相位差恒定相相干干光光相位差相位差“瞬息万变瞬息万变”第5页,共88页,编辑于2022年,星期二2、相干叠加、相干叠加满足相干条件的两束光叠加后满足相干条件的两束光叠加后相位差恒定,有干涉现象相位差恒定,有干涉现象若若干涉相长干涉相长干涉相消干涉相消第6页,共88页,编辑于2022年,星期二钠钠光光灯灯A钠钠光光灯灯B两束光两束光不相干!不相干!?两个独立的两个独立的普通普通光源能否成为一对相干光源光源能否成为一对相干光源 普通光源发出的光是由光源中各个分子或原子发出的波普通光源发出的光是由光源中各个分子或原子发出的波列组成的,而这些波列之间没有固定的相位关系。因此,来列组成的
4、,而这些波列之间没有固定的相位关系。因此,来自两个独立光源的光波,即使频率相同,振动方向相同,它自两个独立光源的光波,即使频率相同,振动方向相同,它们的相位差也不可能保持恒定,因而不是相干光;同一光源们的相位差也不可能保持恒定,因而不是相干光;同一光源的两个不同部分发出的光,也不满足相干条件。的两个不同部分发出的光,也不满足相干条件。第7页,共88页,编辑于2022年,星期二1 1 分波阵分波阵面面法法 杨氏干涉杨氏干涉2 2 分振幅法分振幅法 薄膜薄膜干涉干涉普通光源获得相干光的途径(方法)普通光源获得相干光的途径(方法)pS*分波分波阵阵面法面法分振幅法分振幅法p薄膜薄膜S S*3 3 分
5、振动面法分振动面法 偏振光干涉偏振光干涉第8页,共88页,编辑于2022年,星期二光从光从A到到B:n n介质介质介质介质r真空真空真空真空AB传播速度传播速度波长波长相位差相位差三三、光程和光程差光程和光程差 第9页,共88页,编辑于2022年,星期二将将光在介质中所走的路程,折算为在真空中的路程。光在介质中所走的路程,折算为在真空中的路程。(将(将光在介质中的传播,折算为在真空中的传播光在介质中的传播,折算为在真空中的传播.)光波在介质中传播时,其相位变化,不但与传播的几光波在介质中传播时,其相位变化,不但与传播的几何路程有关,而且还与介质的折射率有关。何路程有关,而且还与介质的折射率有关
6、。为了便于计算为了便于计算光程光程第10页,共88页,编辑于2022年,星期二光程表示在相同的时间内光在真空中通过的路程光程表示在相同的时间内光在真空中通过的路程12m3第11页,共88页,编辑于2022年,星期二光程之差称为光程差光程之差称为光程差第12页,共88页,编辑于2022年,星期二光程差光程差若两相干光源是同位相的若两相干光源是同位相的两相干光源同位相,干涉条件两相干光源同位相,干涉条件第13页,共88页,编辑于2022年,星期二4-2 4-2 分波阵面干涉分波阵面干涉 一、杨氏双缝干涉实验一、杨氏双缝干涉实验1、实验装置、实验装置S1S2S*k=+1k=-2k=+2k=0k=-1
7、I第14页,共88页,编辑于2022年,星期二2、杨氏干涉条纹、杨氏干涉条纹D D d dP点的光强决定于两束光到达时的相位差点的光强决定于两束光到达时的相位差,决定于两束光的光程差决定于两束光的光程差 光程差:光程差:第15页,共88页,编辑于2022年,星期二明暗条纹条件:明暗条纹条件:明纹明纹暗纹暗纹明暗条纹位置:明暗条纹位置:明纹明纹暗纹暗纹相邻明纹相邻明纹(暗纹暗纹)的距离:的距离:条纹特点:条纹特点:一系列平行等间距的明暗相间的条纹。一系列平行等间距的明暗相间的条纹。第16页,共88页,编辑于2022年,星期二若用复色光源,则干涉条纹是彩色的。若用复色光源,则干涉条纹是彩色的。3、
8、实际应用、实际应用杨氏干涉可用于测量波长。杨氏干涉可用于测量波长。方法一:测出方法一:测出x方法二:测出方法二:测出 x第17页,共88页,编辑于2022年,星期二4、思考、思考?若将杨氏双缝干涉装置从空气中移到水中,干涉若将杨氏双缝干涉装置从空气中移到水中,干涉条纹将如何移动。条纹将如何移动。?若将杨氏双缝干涉装置光屏前、后移动,干若将杨氏双缝干涉装置光屏前、后移动,干涉条纹将如何变化。涉条纹将如何变化。?若将杨氏双缝干涉装置中双缝间距增大、减少,若将杨氏双缝干涉装置中双缝间距增大、减少,干涉条纹将如何变化。干涉条纹将如何变化。第18页,共88页,编辑于2022年,星期二二、洛埃镜实验二、洛
9、埃镜实验光栏当屏幕当屏幕E移至移至E处,从处,从S1和和S2 到到L点的光程点的光程差为零,但是观察到暗条纹,差为零,但是观察到暗条纹,验证了反射时有半验证了反射时有半波损失存在。波损失存在。第19页,共88页,编辑于2022年,星期二例:已知双缝间距例:已知双缝间距d=0.60mm,缝和屏幕间距缝和屏幕间距D=1.50m,若测得,若测得相邻两明条纹间距相邻两明条纹间距x=1.50mm。(1 1)求入射光的波长?)求入射光的波长?(2 2)若以折射率)若以折射率n=1.30,厚,厚度度L=0.01mm的透明薄膜遮住的透明薄膜遮住一缝,原来的中央明条纹将变一缝,原来的中央明条纹将变成第几级明条纹
10、?成第几级明条纹?解解:(1 1)第20页,共88页,编辑于2022年,星期二未遮薄膜时,中央未遮薄膜时,中央明条纹光程差为明条纹光程差为:遮上薄膜后光程差为遮上薄膜后光程差为:设此处为设此处为k k级明纹,则级明纹,则:第21页,共88页,编辑于2022年,星期二4-3 4-3 分振幅干涉分振幅干涉 利用薄膜上、下两个表面对入射光的反射利用薄膜上、下两个表面对入射光的反射(或折射或折射),可在反射方向,可在反射方向(或透射方向或透射方向)获得相干光束。获得相干光束。一、等倾干涉一、等倾干涉在一均匀透明介质在一均匀透明介质n1中中放入上下表面平行放入上下表面平行,厚度厚度为为e的均匀介质的均匀
11、介质 n2(n1)1.1.等倾干涉条纹等倾干涉条纹a1a2a第22页,共88页,编辑于2022年,星期二光线光线a2与光线与光线a1的光程差为:的光程差为:半波损失半波损失由折射定律和几何由折射定律和几何关系可得出:关系可得出:a1a2a垂直入射时:垂直入射时:第23页,共88页,编辑于2022年,星期二干涉条件干涉条件薄膜薄膜aa1a2n1n2n3附加光程差的确定附加光程差的确定满足满足n1n3(或或n1 n2 n2n3(或或n1 n2 时的极限情况。时的极限情况。当当a或或a时会出现明显的衍射现象。时会出现明显的衍射现象。当缝宽比波长大很多时,形成单一的明条纹当缝宽比波长大很多时,形成单一
12、的明条纹.显示了显示了光的直线传播的性质光的直线传播的性质.结论结论阴阴影影屏幕屏幕屏幕屏幕第55页,共88页,编辑于2022年,星期二讨论:讨论:a.光强分布光强分布当当 角增加时,半波带数增加,未被抵消的角增加时,半波带数增加,未被抵消的半波带面积减少,所以光强变小;半波带面积减少,所以光强变小;问题问题:当当 增加时增加时光强的极大值迅速光强的极大值迅速衰减。为什么?衰减。为什么?Ia52a32a32a520sin 第56页,共88页,编辑于2022年,星期二因为衍射角相同的光线,因为衍射角相同的光线,会聚在接收屏的相同位会聚在接收屏的相同位置上。置上。OaOab、单缝位置对光强分布的影
13、响、单缝位置对光强分布的影响单缝上下移动,单缝上下移动,条纹位置不变。条纹位置不变。条纹位置如何?条纹位置如何?第57页,共88页,编辑于2022年,星期二c、缝宽缝宽a对条纹分布的影响对条纹分布的影响a 变大,条纹变窄;变大,条纹变窄;a 变小,条纹变宽。变小,条纹变宽。d、波长对条纹分布的影响波长对条纹分布的影响所以衍射条纹宽度随波长的减小而变窄。所以衍射条纹宽度随波长的减小而变窄。小,条纹窄;小,条纹窄;大,条纹宽。大,条纹宽。第58页,共88页,编辑于2022年,星期二例例一束波长为一束波长为 =500nm的平行光垂直照射在一个的平行光垂直照射在一个单缝上。单缝上。如果所用的单缝的宽度
14、如果所用的单缝的宽度a=0.5mm,缝后紧,缝后紧挨着的薄透镜焦距挨着的薄透镜焦距f=1m,求:,求:(1)第一级暗纹离中第一级暗纹离中央明纹中心的距离;央明纹中心的距离;(2)中央明条纹的半角宽度;中央明条纹的半角宽度;(3)中央亮纹的线宽度;中央亮纹的线宽度;(4)如果在屏幕上离中央如果在屏幕上离中央明纹中心为明纹中心为x=3.5mm的的P处为一明纹,则它为第几处为一明纹,则它为第几级明纹?从级明纹?从P处看,对该光波而言,狭缝处的波阵处看,对该光波而言,狭缝处的波阵面可分割成几个半波带?面可分割成几个半波带?第59页,共88页,编辑于2022年,星期二解:解:(2)(2)中央亮纹半角宽度
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