同济大学物理下学期课件Ch13_01

P.2/39光学1704,牛顿在《光学》一书中指出,光是从发光体发出的以一定速度向空间直线传播的微粒.牛顿1678年,惠更斯在《光论》一书中,从光与声的某些相似性出发,认为光是在“以太”中传播的球面纵波.微粒说波动说光的波粒之争惠更斯光学发展概述P.3/39光学波动说与微粒说的对立在于：微粒说(corpusculartheory)认为伴随着光信号的传播有某种物质——光微粒的输送；波动说(undulatorytheory)认为光信号的传播只不过是光引起的效应的传播,并不伴随着物质的输送.从历史上两种学说的争论,到当代光本性的研究,构成了光学发展史中的一根红线.•牛顿：光的直线转播说明光是粒子流.•惠更斯、托马斯⋅杨、菲涅耳：光具有干涉和衍射现象,所以光是一种波.•麦克斯韦：光是一种电磁波,真空中传播速率为c.•爱因斯坦：用普朗克的“能量子”解释了光电效应.光具有粒子性.•德布罗意：所有物体都具有波动性与粒子性.P.4/39光学光学的理论体系经典光学几何光学以光的直线传播为基础,研究光在透明介质中的传播问题.波动光学以光的波动性为基础,研究光的传播及其规律.量子光学以光和物质相互作用时所显示出的粒子性为基础,研究光的一系列规律.现代光学激光原理及应用傅立叶光学全息光学光谱学非线性光学P.5/39光学光学光的直线传播光的衍射光的偏振光的干涉基本定律几何成像光学仪器光的相干性薄膜干涉双光源干涉多子波干涉单缝衍射光栅衍射起偏检偏双折射P.6/39光学几何光学的基本原理、定律1.光的直线传播定律2.光的反射定律入射光线反射光线法线ii’'ii=3.光的折射定律1221sinsinnii=P.7/39光学211212vv==nnn相对于真空的折射率称为绝对折射率,其定义为：vcn=光在真空中的传播速度光在介质中的传播速度两种介质相比较,折射率大的介质,光在其中的传播速度小,称为光密介质(opticallydensermedium)；折射率小的介质,光在其中的传播速度大,称为光疏介质(opticalthinnermedium).2211sinsininin=1221sinsinnii=其中n12称为介质2相对于介质1的折射率P.8/39光学白光通过三棱镜折射时,将各波长的光分散形成光谱,称色散(dispersion).L2L1S白光紫红P.9/39光学5.光路可逆性原理4.光的独立传播定律6.全反射rrcici1n2n全反射(totalreflection)：当入射角i大于临界角ic时,将不会出现折射光,入射光的能量全部反射回原来介质.12carcsinnni=(n1＞n2)P.10/39光学望远镜的光路光导纤维的光路水柱引导光线的行进内窥镜全反射的应用P.11/39光学虚物(virtualobject)实像S′SS′7.物(object)和象(image)实物,虚物,实像,虚像会聚同心光束发散同心光束会聚同心光束会聚同心光束S实物(realobject)实像(realimage)8.物空间和像空间P.12/39光学9.光轴(opticalaxis)----光学系统的对称轴光轴10.傍轴光线(paraxialray)----与光轴夹角较小,并靠近光轴的光线蓝线—傍轴光线绿线—非傍轴光线11.薄透镜(thicklens):两个侧面的中心靠得很近的透镜12.薄透镜成像的作图法的三条特殊光线：与主光轴平行的入射光线,折射后通过像方焦点.通过物方焦点的光线,折射后平行于主光轴.通过光心的光线,按原方向传播不发生偏折.P.13/39光学光程差：等效真空程之差2211rnrnΔ−=介质折射率几何路程光程×=等效真空程真空中加入厚d的介质,光程增加量为(n-1)ddndnd)1(−=−dn光由光疏介质射到光密介质界面上反射时附加光程2λ薄透镜不引起附加光程(物点与象点间各光线等光程)SS′13.光程和光程差光在介质中的光程为介质的折射律与光在介质中所走的几何路程之积,数值上等于以相同的时间在真空中走过的距离.P.14/39光学植物和动物中的颜色结构蓝鸫(bluebird)、蝴蝶(butterflies)和飞蛾(moths)飞动时呈现多彩的颜色----不是化学原因,而是物理原因(干涉的效果)!!P.15/39光学纸币制造中的干涉术P.16/39光学光的干涉干涉方法干涉现象干涉条件双缝干涉薄膜干涉等倾干涉等厚干涉迈克耳逊干涉仪重点内容：1.光程、光程差概念2.相干光条件3.获得相干光的方法4.干涉加强、减弱条件P.17/39光学光的相干性一、光波1.光:可见光(visiblelight),电磁波中的狭窄波段波长λ:400nm~700nm(390nm~760nm)频率ν:7.69×1014Hz~3.95×1014Hz颜色：紫~红具有一定频率的光称为单色光各种频率不同的光复合起来称为复合光P.18/39光学2.光波：交变电磁场在空间传播HES×=光振动周期性变化大小、方向随ttE:)()cos(0ϕω+=tEE光矢量(lightvector)引起视觉和感光作用:E光波/20EI∝相对光强：20EI=光强(intensityoflight):P.19/39光学二、光源(lightsource)----发光的物体两大类光源：普通光源激光光源(laser)处在基态电子处在激发态电子原子模型普通光源的发光机制霓虹灯激光P.20/39光学普通光源按光的激发分为以下几种：热光源:利用热能激发的光源电致发光(electroluminescence):由电能直接转换为光能光致发光(photoluminescence):由光激发引起的发光现象化学发光(chemiluminescence):由化学反应引起的的发光现象P.21/39光学普通光源发光的两个特点间歇性(intermittence)各原子发光是间歇的,平均发光时间∆t约为10-8～10-11s,所发出的是一段长为L=c∆t的光波列(lightwavetrain)。随机性(randomness)每次发光是随机的,所发出各波列的振动方向、频率和振动初相位都不相同.•两独立光源发出的光不可能产生干涉•来自同一光源两个部分的光也不可能产生干涉tcL∆=P.22/39光学2.相干条件频率相同振动方向相同相遇点有恒定的相位差相干光(coherentlight)：能产生干涉现象的光相干光源(coherentsource)：能产生相干光的光源1.干涉现象满足相干条件的两列或两列以上的光波,它们在空间的重叠区域内各点相遇时,其光强重新分布.三、光的干涉现象P.23/39光学3.干涉场中光强度的分布)cos(:S11011ϕω+=tEE)2πcos(2122120102202100λϕϕrrEEEEE−+−++=)cos(:S22022ϕω+=tEE)cos(:0ϕω+=tEEPλϕϕλϕϕϕΔrr2π2π211221+−=−+−=∆合振幅：相位差：λϕπ2∆=Δ设ϕ1＝ϕ2，光程差±±==,2,1,0kkλ光强极大2)12(λ+k光强极小光强分布：ϕ∆++=cos22121IIIII干涉项P.24/39光学光与机械波相干性比较：相干条件、强度分布同；机械波波源与光波波源特征不同4.从普通光源获得相干光将透明薄膜两个面的反射(透射)光作为相干光源分振幅法(分振幅~分能量)esλ1n2n1n1Pb23acP′分波阵面法将同一波面上两不同部分作为相干光源S*S1S2P.25/39光学双缝干涉一、杨氏双缝干涉英国医生兼物理学家托马斯·杨(T.Yang)于1801年首先成功地进行了光干涉实验,并看到了干涉条纹,使光的波动学说得到了证实.实验装置P.26/39光学1.干涉条纹分析光源S→S1,S2光源发光干涉2.明暗纹条件由于两列波由同一光束分解出来,因此ϕ1=ϕ2.光程差为1r2rr1r2θdsinθθPxODd12rrΔ−=如何确定光程r1和r2?问题±±==,2,1,0kkΔλ明纹2)12(λ+k暗纹θsind=P.27/39光学DxddrrΔ≈≈−=θsin12,2,1,0=k=xλdkD±2)12(λ⋅−±dDk明暗,2,1=kk取值与条纹级次一致r1r2θdsinθθPxOdSS1S2单缝双缝ϕ1=ϕ2D角很小θ,dDDx=≈∴θθtansinP.28/39光学3.条纹特点形态：平行于缝的等亮度、等间距、明暗相间条纹1max4II=0min=I条纹亮度：λdDx=∆条纹宽度：P.29/39光学:一定、Ddλ∝∆x紫红xx∆∆:一定λDx∝∆dx1∝∆双缝间距越小,条纹越宽4.关于条纹的讨论(1)影响条纹宽度的因素S*白光照射双缝:零级明纹：白色其余明纹：彩色光谱高级次重叠P.30/39光学最先重叠：相同某级红光和高一级紫光Δ紫红）（λλ1+==kkΔ11400000674000⋅≈−=−=紫红紫λλλk只有一级清晰光谱P.182例13-6用白光(λ:400~760nm)光源进行双缝干涉实验,求清晰可辩光谱的级次.零级二级一级三级例：人眼对钠光(λ=589.3nm)最敏感,能够分辨到∆x=0.065mm(极限),若屏幕距双缝的距离为D=800mm,则两缝的间距必须为()mm25.7=∆≤xDdλP.31/39光学4.关于条纹的讨论(2)在缝后加一薄玻璃片dSs1s2PODθxr1r212rrΔ−=λdDx=∆条纹宽度：e条纹上移动)(12neerrΔ+−−=′盖上缝时，12)(rneerΔ−+−=′盖下缝时，条纹下移动e宽度不变P.32/39光学4.关于条纹的讨论(3)光源上下移动dSs1s2PODθxr1r2θsindΔ=Ss1s2PODθxr1r2αSs1s2PODθxr1r2αλdDx=∆条纹宽度：θαsinsinddΔ−=条纹上移动光源下移时，θαsinsinddΔ+=光源上移时，条纹下移动宽度不变条纹移动P.33/39光学相干长度P.34/39光学二、菲涅耳双面镜P.35/39光学三、劳埃德镜P.36/39光学注:(1)干涉条纹只存在于镜上方(2)当屏移到镜边缘时,屏于镜接触点出现暗条纹——光在镜子表面反射时有相位突变π.P.37/39光学例1.如图所示,两缝S1和S2之间的距离为d,介质的折射率为n＝1.现有一束平行单色光斜入射到双缝上,入射角为θ,求屏幕上P点处两相干光的光程差.解:由S2向光线边缘1引垂线光程差发生在此垂线之后()()2121sinsinrrdrrdΔ−+=−+=θθθλ1S2Sd1r2rPO)1(=nθ12光程1：dsinθ+r1光程2：r2P.38/39光学例2.用薄云母片(n=1.58)覆盖在杨氏双缝的其中一条缝上,这时屏上的零级明纹移到原来的第七级明纹处.如果入射光波长为550nm,问云母片的厚度为多少？m1064615811055071769−−×⋅=−⋅××=−=ndλ0=Δλ7=Δ1s2ss解：原第七级明纹处λ712=−rr插入云母后,条纹上移原第七级明纹处为零级明纹λ7)1(=−dn()012=+−−nddrr0=Δλ7=Δ1s2ssdnP.39/39光学例3.无线电发射台的工作频率为1500kHz,两根相同的垂直偶极天线相距400m,并以相同的相位作电振动.试问：在距离远大于400m的地方,什么方向可以接受到比较强的无线电信号？解:复习:§12.4§12.5练习:思考题13-8~13-10,习题13-8~13-11预习:§12.6m4001S2Sm200s101.5sm1031618=×⋅×==−−νλc2400200sinkkdk±=⋅±=±=λθ取k=0,1,2,°±°±=90,30,0θ得°30°3021sinrrdkθλ∆=−≈=±明条纹