波动光学课件教材

第第14章章 波动光学基础波动光学基础北极光北极光迈克耳孙干涉仪是迈克耳孙干涉仪是根据光的干涉原理制成的精密测量仪器，它可根据光的干涉原理制成的精密测量仪器，它可以精密地测量长度及长度的微小变化等以精密地测量长度及长度的微小变化等。14.114.1 光是电磁波光是电磁波光是电磁波光是电磁波主要内容：主要内容：2.光是一种电磁波光是一种电磁波1.平面简谐电磁波的性质平面简谐电磁波的性质u电磁波的产生及传播电磁波的产生及传播 凡作加速运动的电荷或电荷系都是发射电磁波的波源。凡作加速运动的电荷或电荷系都是发射电磁波的波源。变化磁场可以激发涡旋电场变化磁场可以激发涡旋电场传导电流和变化电场可以激发涡旋磁场传导电流和变化电场可以激发涡旋磁场一一.电磁波电磁波14.1光是电磁波光是电磁波u电磁波谱电磁波谱u平面简谐波平面简谐波电磁波电磁波的描述的描述(1)(3)真空中的电磁波是真空中的电磁波是横波横波和和变化同步，相位相同。变化同步，相位相同。(2)E 和和H 的关系的关系说明说明(4)波速波速真空中真空中(5)非强磁性介质的折射率非强磁性介质的折射率u电磁波的能量密度电磁波的能量密度能量密度能量密度 能流密度能流密度坡印亭矢量坡印亭矢量（坡印亭矢量）（坡印亭矢量）波的强度波的强度 I (平均能流密度平均能流密度)I 正比于正比于 E02 或或 H02,通常采用其相对强度通常采用其相对强度说明说明光色光色 波长波长(nm)频率频率(Hz)中心波长中心波长(nm)红红 760622 660 橙橙 622597 610 黄黄 597577 570 绿绿 577492 540 青青 492470 480 兰兰 470455 460 紫紫 455400 430 u可见光七彩颜色的波长和频率范围可见光七彩颜色的波长和频率范围u诸多的现象和理论研究表明：光是电磁波。诸多的现象和理论研究表明：光是电磁波。(1)光与电磁波的传播速度相等；都有反射，折射，干涉，光与电磁波的传播速度相等；都有反射，折射，干涉，衍射，偏振性质。衍射，偏振性质。(2)用电磁波理论研究光学现象的结果都说明光是电磁波。用电磁波理论研究光学现象的结果都说明光是电磁波。二二.光是电磁波光是电磁波在我国，每年春分、秋分前后，太阳、地球和同步通信卫星将会成一线在我国，每年春分、秋分前后，太阳、地球和同步通信卫星将会成一线排列，而通信卫星处于太阳和地球之间时，由于地球站将天线指向卫星排列，而通信卫星处于太阳和地球之间时，由于地球站将天线指向卫星时，也正面直对太阳，因此太阳较强电磁波辐射也将被接收，即时，也正面直对太阳，因此太阳较强电磁波辐射也将被接收，即“噪声噪声进入接收系统进入接收系统”，通信业务信号因噪声的增大而无法被接收解调系统顺，通信业务信号因噪声的增大而无法被接收解调系统顺利识别出来，严重时就会出现信号中断，发生所谓的利识别出来，严重时就会出现信号中断，发生所谓的“日凌日凌”现象。现象。一一.光源光源光源：光源：1.光源的分类光源的分类任何发光的物体都可以称为光源。任何发光的物体都可以称为光源。光谱：光谱：使光波中不同频率的光分开，形成光谱使光波中不同频率的光分开，形成光谱.按光谱分为按光谱分为线谱光源线谱光源连续谱光源连续谱光源(1)线谱光源线谱光源氢原子的巴耳末线系照片氢原子的巴耳末线系照片14.2 光源光源 光波的叠加光波的叠加(2)连续谱光源连续谱光源按激发按激发方式分方式分热辐射热辐射 电致发光电致发光 光致发光光致发光 化学发光化学发光 例如：太阳，白炽灯。例如：太阳，白炽灯。例如：闪电，霓虹灯，发光二极管等。例如：闪电，霓虹灯，发光二极管等。例如：日光灯，鳞光物质。例如：日光灯，鳞光物质。例如：例如：燃烧，燃烧，鳞自燃，鳞自燃，萤火虫萤火虫。自自发发辐辐射射2.发光机理发光机理(1)热辐射热辐射 (2)电致发光电致发光 (3)光致发光光致发光 (4)化学发光化学发光 能级跃迁能级跃迁波列波列波列长波列长 L=c 10-8自自发发辐辐射射(5)同步辐射光源同步辐射光源 (6)激光光源激光光源 受受激激辐辐射射自发辐射自发辐射E E2 2E E1 1非相干非相干(不同原子发的光不同原子发的光)非相干非相干(同一原子先后发的光同一原子先后发的光)二二.光波的叠加光波的叠加P12r1r2两波在两波在P 点的光振动点的光振动P 点的合光矢量点的合光矢量两边平方两边平方P 点光强点光强(1)(2)1.非相干叠加非相干叠加讨论讨论若若 ，但，但 不恒定不恒定(3)=02.相干叠加相干叠加相干条件：相干条件：频率相同；频率相同；相位差相位差 恒定；恒定；光矢量方向平行；光矢量方向平行；P 处波的强度处波的强度其中其中(1)相长干涉（相长干涉（明明）(2)相消干涉（相消干涉（暗暗）若若若若则则则则相干的必要条件相干的必要条件:(1)频率相同；频率相同；(2)相位差恒定；相位差恒定；(3)光矢量振动方向平行。光矢量振动方向平行。u相干条件相干条件问题问题：频率相同，相位差恒定，光矢量振动方向介于频率相同，相位差恒定，光矢量振动方向介于 垂直和平行之间的两列波是否相干垂直和平行之间的两列波是否相干？答案答案：光矢量振动方向平行是干涉最好的情况，而光光矢量振动方向平行是干涉最好的情况，而光 矢量振动方向垂直是绝对不可以相干的，所以矢量振动方向垂直是绝对不可以相干的，所以 光矢量振动方向介于垂直和平行之间的两列波光矢量振动方向介于垂直和平行之间的两列波 是可以相干的，只是干涉的情况差些而已。是可以相干的，只是干涉的情况差些而已。(2)两叠加光波的两叠加光波的振幅振幅不能相差太大。不能相差太大。相干的补充条件相干的补充条件:(1)两叠加光波的两叠加光波的光程差光程差不能太大；不能太大；14.3 获得相干光的方法获得相干光的方法 杨氏实验杨氏实验（分波阵面法）（分波阵面法）一一.杨氏双缝实验杨氏双缝实验 明条纹位置明条纹位置明条纹位置明条纹位置明条纹位置明条纹位置获得相干光的方法获得相干光的方法1.分波阵面法分波阵面法（杨氏实验（杨氏实验)2.分振幅法分振幅法（薄膜干涉（薄膜干涉)x两波在两波在P点的相位差恒定不变，为点的相位差恒定不变，为波程差波程差x两波在两波在P点的相位差恒定不变，为点的相位差恒定不变，为 明纹明纹 暗纹暗纹k=0,1，2，k=0,1，2，相邻暗条纹中心间距相邻暗条纹中心间距相邻明纹中心间距相邻明纹中心间距(2)相邻明条纹间距相邻明条纹间距 正比于正比于 (3)当用白光作为光源时，在零级白色中央条纹两边对称地当用白光作为光源时，在零级白色中央条纹两边对称地排列着几条彩色条纹排列着几条彩色条纹 讨论讨论条纹周期性排列是光波空间周期性的体现条纹周期性排列是光波空间周期性的体现0级级明明纹纹(1)为了能为了能分辨各级，得到干涉图像，要求分辨各级，得到干涉图像，要求 d D1级级明明纹纹2级级明明纹纹二二.洛埃镜洛埃镜（洛埃镜实验结果与杨氏双缝干涉相似）（洛埃镜实验结果与杨氏双缝干涉相似）接触处接触处,屏上屏上O 点点出现暗条纹出现暗条纹 半波损失半波损失 有半波损失有半波损失相当于入射波与反射波之间附加了一个半波长的波程差相当于入射波与反射波之间附加了一个半波长的波程差无半波损失无半波损失入射波入射波反射波反射波透射波没有半波损失透射波没有半波损失反射镜反射镜观察屏观察屏用用白白光光作作光光源源观观察察杨杨氏氏双双缝缝干干涉涉。设设缝缝间间距距为为d，缝缝面面与与屏屏距离为距离为 D解解 清晰的可见光谱只有一级清晰的可见光谱只有一级 例例在在400 760 nm 范围内，范围内，最先发生重叠的是某最先发生重叠的是某一级次的红光和高一级次的紫光一级次的红光和高一级次的紫光.明纹条件为明纹条件为求求 能观察到的清晰可见光谱的级次能观察到的清晰可见光谱的级次0级明纹级明纹k+1级明纹级明纹k 级明纹级明纹x(1)明纹间距分别为明纹间距分别为(2)双缝间距双缝间距 d 为为双双缝缝干干涉涉实实验验中中，用用钠钠光光灯灯作作单单色色光光源源，其其波波长长为为589.3 nm，屏与双缝的距离，屏与双缝的距离 D=600 mm解解 例例求求(1)d=1.0 mm 和和 d=10 mm，两两种种情情况况相相邻邻明明条条纹纹间间距距分分别别为为多多大大？(2)若若相相邻邻条条纹纹的的最最小小分分辨辨距距离离为为 0.065 mm，能能分清干涉条纹的双缝间距分清干涉条纹的双缝间距 d 最大是多少？最大是多少？在双缝干涉实验中，两条缝的宽度原来是相等的，若其中在双缝干涉实验中，两条缝的宽度原来是相等的，若其中一缝的宽度一缝的宽度略略变窄，但保持缝间距不变，则变窄，但保持缝间距不变，则例例(1)干涉条纹的间距变宽。干涉条纹的间距变宽。(2)干涉条纹的间距变窄。干涉条纹的间距变窄。(3)干涉条纹的间距不变，但原极小处的强度不再为零。干涉条纹的间距不变，但原极小处的强度不再为零。(4)不再发生干涉现象。不再发生干涉现象。14.4 光程与光程差光程与光程差介质中介质中在相位改变相同的条件下，把光在介质中传播的路程折在相位改变相同的条件下，把光在介质中传播的路程折合为光在真空中传播的相应路程合为光在真空中传播的相应路程在介质中传播距离在介质中传播距离r 时，时，相位的改变为相位的改变为光程光程真空中真空中c 光程光程 在多种介质中在多种介质中 例例 两光源两光源 1=2，初相分别为，初相分别为 1、2。求两波在求两波在P点相位差点相位差光程差光程差初相差初相差解解 S2P光程光程n(r2 d)+nd 两波在两波在P点相位差为点相位差为S2发出的波在发出的波在P点的相位点的相位S1发出的波在发出的波在P点的相位点的相位AA例例 物象之间等光程原理物象之间等光程原理物点象点间物点象点间 所有光线的光程相等所有光线的光程相等AA 波面上各点到象点的光线的光程相等波面上各点到象点的光线的光程相等用用折折射射率率 n=1.58 的的很很薄薄的的云云母母片片覆覆盖盖在在双双缝缝实实验验中中的的一一条条缝缝上上，这这时时屏屏上上的的第第七七级级亮亮条条纹纹移移到到原原来来的的零零级级亮亮条条纹纹的的位置上。如果入射光波长为位置上。如果入射光波长为 550 nm解解 设设云云母母片片厚厚度度为为 d。无无云云母母片片时时，零零级级亮亮纹纹在在屏屏上上 P 点点，则则到到 P 点点的的两两束束光光的的光光程程差差为为零零；加加上上云云母母片片后后，光光程程变变化化(n-1)d ,则到则到P点的两光束的光程差为点的两光束的光程差为当当 P 点为第七级明纹位置时点为第七级明纹位置时 例例求求 此云母片的厚度是多少？此云母片的厚度是多少？0 级级明纹明纹 7 级级明纹明纹(1)明纹中心位置明纹中心位置波波长长为为600 nm的的平平行行光光垂垂直直入入射射在在间间距距为为0.2 mm的的双双缝缝上上时，在缝后时，在缝后1 m处处的像屏上形成干涉条纹，的像屏上形成干涉条纹，解解 例例求求 (1)第十级明纹中心的位置和第十级明纹的宽度；第十级明纹中心的位置和第十级明纹的宽度；(2)波长改为波长改为 400760 nm 的白光时的白光时，第二级谱线宽度、，第二级谱线宽度、第二第二 级谱线与第三级谱线重叠部分的宽度和重叠部分各波长范级谱线与第三级谱线重叠部分的宽度和重叠部分各波长范 围。围。暗纹位置暗纹位置 第十级明纹宽度第十级明纹宽度(2)明纹中心位置明纹中心位置 第二级级谱线宽度第二级级谱线宽度 23b a:重叠：重叠：b:Oa