大学物理光学-PPT课件

第五篇光学光学绪论人类对光的认识过程光学是物理学最早的一个分支，也是最前沿的学科微粒说i几何光学光的传播定律光的独立传播定律光的直线传播定律光的反射和折射定律从认识光到几何光学2000年左右17世纪研究光的本性光是从光源中发出的粒子流（弹性小球按惯性沿直线传播牛顿）。波粒二象性波动说光是从光源中发出的某种波动。（机械波惠更斯）波动说理论本身不能自恰自相矛盾。媒质“以太”17，18世纪微粒说占统治地位。19世纪中期麦克斯韦提出了光的电磁波理论，才确立了波动说。19世纪末20世纪初中期麦克斯韦提出了光的电磁波理论，才确立了波动说。§1光的相干性相干的3个条件，加强减弱的稳定分布光干涉现象为明，暗相间条纹的稳定分布两个独立光源不相干原子发光间歇的波列机械波波源媒质光波光源“以太”§2研究光干涉的基本实验1几种实验装置扬氏双缝实验第十四章光的干涉观察屏菲涅尔双面镜实验S1s2s菲涅尔双棱镜实验S1s2s洛埃镜实验Ss2干涉条纹的分布1r2aDxDD2ap(x)o1N2N2r1s2sPNS112222a)(xDr2221a)(xDrPNS224axrr21224ax)r)(rr(r1212δ2Dr12rrsinφ2aDx2atgφ2a0,1,2,3k明条纹（干涉最大）λkrrδ122λ1)(2krrδ12D2axrrδ121)(2k2aDx1,2,3k暗条纹（干涉最小）tgφ2asinφ2a(..1,2,3k（暗纹中心位置）置))Dx2akλ2aDx..0,1,2,3k（明纹中心位置）3半波损失x—D2a暗SS条件：从光蔬媒质—光密媒质(1)位相改变（2）形成波节（3）从波蔬媒质到波密媒质的反射P不同，间隔不同红x，紫x红紫白光（0级明纹，白的）紫红（一级明纹，彩带）（一级明纹，彩带)同一D,2a，λ2aDxxxk1k暗）明，暗条纹间隔（明λ2aDxS2r'1r1rP)2λr(r-r1'122λrr121'11rrrD=1m=1000mm求mm5.7xx)1(14(2)=600nmkλx2aD1)λ(42aDxx14例题解已知2a=0.2mm?x=?D2a14xxλ14)nm(500)mm(1054λ2aDx3(mm)(mm)1060.210004(2)cC§3薄膜的干涉1薄膜干涉的一般公式，光程1n2n1nn2nn1,2两束光的波程差=（2k+1)/2黑暗的=2k明=(2k+1)暗光线2：ABC)BCAB(λ2π膜光线1：'CA'1ACλ2π(半波损失)的位相差与'CCCAλ2π)BCAB(λ2π1膜=k明亮的nBA12ie真空：1λ:1介质11nCu22nCu1111nλνuλ222nλνuλ不变不同2λ:2介质CνCλnλλ膜11nλλ]21λACnλ)BCAB(n[2'1π1)(2kπk2{明暗k=0,1,22λACn)BCAB(n'1明暗折射率n几何距离=光程)BCAB(n'1ACn第二条光线的光程第一条光线的光程2λ1)(2kλk{光程：把光在媒质中走的距离折合到真空中，例如：在媒质中走的距离为r相当于在真空中走nr)(λ1)(n1isinACAC'isintgr2e2λisinrcosrsine2nrcos2neδ1cCBA12iercosABecosreBCAB2λ)rsinnn(cosre222λ)sinisinrnn(cosre2δ1211uunnrsinisin2λ)rsin1(cosren222λrsin1en222λrsinnne22222λisinnne22212明暗k=0,1,22λ)1k2(λk{暗明2)1k2(k2λisinnne22212薄膜干涉的一般公式例题：空气中放一水平肥皂膜，以知：n=1.33解：i=01nλk2λen2δ干涉加强21ken2λ时干涉加强m)(k0.851221（1）e.i一定,（2）,e一定,等倾干涉条纹（3）,i一定，等厚干涉条纹n1ne0.7m.问在反射光中观察，肥皂膜显现什麽颜色？e=0.32m.用白光垂直照射，波长从0.4----k=00,k00无物理意义k=1)m(μ1.70.50.8512λ1红外，无绿色紫外，无k=2)mμ(0.5671.50.8512λ2k=3)m(μ0.342.50.8512λ32等厚（干涉）条纹及其应用条件：，i一定，e不同劈尖形薄膜2λ)1k2(λk{2λen2δ明暗夸大Lkk+1ke1keek1keeek1kee2λ2nλnLsin=L=e2nλ2nλeL可测，如果已知如果已知测波长测小角条纹左移条纹右移条纹移动一条，厚度改变2nλe条纹移动N条，厚度改变n2λNE应用的例子（1）干涉膨胀仪光学玻璃，平整度小于10λ（2）测厚HΔH2nλm条纹间隔mS测光学平面的平整度凹陷凸起（4）牛顿环RR-ereλk2λe22λ)1k2(2λe2Re222)eR(rR0eR2r2明纹暗纹222eRe2RreR2r1,2,3k2λR)1k2(r明环半径暗环半径0,1,2,3kλRkr注意半波损失/n垂直入射应用：如已知R如已知R光路中引入透镜不改变光程差迈克耳逊干涉仪1M2M（可移动）观察系统1G2G12S1M不垂直2M等厚干涉如1M严格垂直2M等倾干涉移走的条纹数N，2M移动的距离d2λNd知d知d2M潜望镜20个透镜，所剩能量（光强）%8.12)05.01(202玻璃空气1n1（氟化镁）FMgm)(μ0.1h1.38,n2玻璃38.1n3与型号有关hh2nδ2321nnn膜的上，下表面都有半波损失4增透膜普通相机6个透镜，12个玻璃表面所剩能量（光强）54%5)0.0(162反射5%，透过95%。平面单色光垂直入射，黄绿光=0。552（m）h2nδ22λδ恰好（m）第五章光的衍射§1光的衍射现象，惠更斯—菲涅耳原理S圆盘影子0.276S小孔S屏很小中心为亮点中心可亮可暗S小孔0θ入射波方向Pr(Q)])λrTt(cos[2πra(Q)dSθ)K(θ0Cdyy=dSn积分法振幅矢量法菲涅耳半波带法*衍射的两大分类菲涅耳衍射夫琅和费衍射光源，屏幕距衍射屏有限远光源，屏幕距衍射屏无限远SP衍射屏射）夫琅和费衍射（远场衍菲涅耳衍射（近场衍射））菲涅耳衍射（近场衍射单边双缝单缝圆屏圆孔衍射菲涅耳SP夫琅和费单边双缝单缝圆屏圆孔衍射1L2L夫琅和费衍射（远场衍射）单缝衍射夫琅和费§2SPSθOpABCaAB2λC半波带AB1A2AAC=asin狭缝宽a=ABλk2λk2sinθa光强极小暗纹中心2λ)1k2(sinθa光强极大明纹中心不包括明纹中心1,2,3kλksinθa暗纹中心2λ)1k2(sinθa明纹中心aλ2.5中央明纹λsinθaλ中央明纹中心=0中央明纹一级明纹二级明纹三级明纹一级暗纹二级暗纹三级暗纹位置IO0Iaλaλ2aλ3aλ-aλ2-aλ3-(sin)aλ1.5aλ5.3半角宽度例题，已知=500nm平行单色光垂直入射a=0.25mmf=25cm求:(1)两第三级明纹之间的距离（2）第三级明条纹的宽度解：fo3x（1）第三级明条纹满足3kλ27θsina3λ27θsina3fxsinθ33a2fλ7x3条纹距离mm3.5afλ7x23（2）第三级明纹的宽度第四级暗纹λ4θsina4第三级暗纹3λθsina3fxθsin44fxθsin33第三级明纹宽度mm0.5afλxx34§3光学仪器(成像系统)的分辨本领L1S2S1S2S能分辨恰好分辨不能分辨=第三级暗纹和第四级暗纹之间的距离瑞利判据Dλ1.22θδ1S2SLλ1.22Dθδ1R分辨率越好RD1现象和定性解释§4光栅衍射a---通光的缝宽Opb---不通光部分的宽度d=a+b光栅常数总的刻线数N0pp单缝衍射多光束干涉光栅衍射I位置I位置2光栅方程单色光垂直入射dsin=±kk=0,1,2,3pd=dsin例题已知：每毫米刻500个缝，单色光垂直入射=590nm求：最多能看到几级明条纹。解：0级明纹1级明纹2级明纹（a+b）sin=k1θsin最高级由1θsin决定1baλkθsin3.4λbak3kmax3光栅的缺级问题某一衍射角既满足又满足(a+b)sin=kλkθsinap亮暗比数整单简abakk光栅的第k级明纹消失缺级如如12aba缺2的倍数级23aba缺3的倍数级23kk如4应用（1）测光波长装置：分光仪平行光管圆盘望远镜可测，数出k如已知（a+b）如已知(a+b)(2)光谱分析(a+b)固定红光紫光白光0123401234012340λkθsindθdsin00λkθsindθdsin0入射光线衍射光线在法线同侧入射光线衍射光线在法线两侧5光栅光谱-----+d----+d角色散度DλdθdDd同一级次d谱线的半角宽度恰好分辨(a+b)sin=k(a+b)cosd=kdθcosb)(akλdθdD(a+b)kD能分辨恰好分辨不能分辨θdkθcos)ba(Dθdλd根据瑞利判据d=谱线的半角宽度θcos)ba(NλθΔθΔkθcos)ba(λδ分辨本领NkλδλRkNR§5X射线的衍射-+Ak（理论是可算出）衍射ABCABdd1212CAD-CB=0DCBACδαsind2αsindαsind2dsin=kK=1,2,3相干加强应用：X射线晶体检测器铅板X射线分光仪如已知----d结构分析d----光谱分析第十六章光的偏振§1自然光与偏振光1自然光与偏振光E矢量光矢量E的振动光振动E的振动方向光的振动方向偏振光线偏振光完全偏振光传播方向偏振状态uEH自然光部分偏振光2起偏和检偏偏振片偏振片偏振化方向最亮最暗半明半暗３马吕斯定律1P2p0II1P2p0A平行A垂直Aθ20cosII=00II2I=0200II0最亮最暗半明半暗振幅0A200AIcosAA0平行sinAA0垂直2202202020cosAcosAAAII平行§2反射和折射时光的偏振空气玻璃1n2n0ii120nnitg布儒斯特起偏角推论:反射线与折射线垂直证明：入射角反射角0i时证0ii2ri00ii0i0布儒斯特定律0i由布儒斯特定律折射定律120nnitg1200nnsinisin00icosisin角余为互,i002i00反射线与折射线垂直[证毕]00cosisinγ空气玻璃?i000.1n165.150.1n21.001.50itg056.3i01.001.65itg058.8i0玻璃片堆玻璃片堆线偏振光自然光起偏器应用：布儒斯特窗§3双折射1双折射现象，寻常光，非寻常光ABCDABCDeo方解石晶体各向异性一条遵守折射定律,寻常光，,o光一条遵守不折射定律,非寻常光,e光都是线偏振光光轴------一个方向单轴晶体（方解石,石英）双