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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,引言：一、光学的起源和光的本质,我国早在春秋时代墨经中记载了许多光学现象，如：光的直线传播，反射、折射等，中国古代在几何光学方面长期在世界居于领先地位。,近代光学的发展一直伴随对光的本质的研究，他经历了几个时代,古希腊（欧几里德），把光看作触须投射（错误认识）,十七世纪开始，对光的本性的认识，有两种学说并立,以牛顿为代表的微粒说，认为光是按照惯性定律沿直线飞行的微粒，解释光的直线传播，反射、折射。无法解释干涉、衍射、偏振,波动光学,1,惠更斯提出光的波动理论，认为光是在一种特殊介质中传播的机械波。解释了光的反射、折射、衍射。,托马斯.杨和菲涅尔（在十九世纪初）透过实验和进一步的理论工作，验证了光的波动理论，成功地解释了光的干涉、衍射。,波动光学存在不足，把光看作是机械波，光在真空中传播需要媒质，于是臆想出“以太”，认为真空中充满了“以太”，但找不到，理论分析也很牵强。,十九世纪六十年代，麦克斯韦建立了电磁场理论，预言电磁波存在，1887年赫兹通过实验，发现了电磁波，电磁波的速度等于光速，认为光是,电磁波,。,科学家们认为光的本质研究已完成-,光是一种电磁波,2,随着技术的发展和实验条件的完善，发现了光电效应，康普顿效应，利用波动光学无法解释，1900年普朗克提出量子假说，1905年爱因斯坦提出光子学说。解释了光电效应。,目前关于光的本质（光是什么）只能讲：,光具有波粒二象性，即是粒子，也是波,3,少女？,老妇？,但两种图象不会同时,出现在你的视觉中。,光在某些条件下表现出,粒子性,， 在另一些条件下表现出,波动性,， 而,两种性质,虽寓于同一体中， 却,不能同时表现出来,。,例如：,两种图象寓于,同一幅画中；,4,以直线传播为基础折射、反射定律,物理光学,波动光学：,以麦克斯韦电磁理论为基础，,光的干涉、衍射、偏振,量子光学：,以量子力学为基础，,光与物质作用,现代光学,非线性光学,激光光谱学,信息光学,全息术,光纤通讯,集成光学,统计光学,.,几何光学：,二、分类：,5,二、光谱曲线,单色光与非单色光,谱密度：单位波长（或单位频率）间隔内的光强,或,光谱：谱密度随波长（或频率）的分布,谱线宽度,单色光,连续光谱：,光谱随波长变化的分布是连续的,线光谱：,光谱集中在一些分立的波长区间的线状谱线,6,一、光波的相干条件,(1),频率相同,(2),相位差恒定,(3),振动方向平行(,存在相互平行的振动分量,),光源S,1,光源S,2,折射率不同,光程差,光程,17,光的干涉,干涉项,7,二、相干光的获得,光源的最基本发光单元是分子、原子,1.普通光源的发光特点,E,1,E,2,能级跃迁辐射,自发辐射,不同原子发光：独立,一个原子发光：间歇、随机,受激辐射,非相干辐射,频率、相位、振动方向等相同,E,1,E,2,相干辐射,谱线的自然宽度,谱线宽度,波包,波列,8,2.,相干光的获得,先分 后合,分波前法,分波面法,分振幅法,薄膜,1,不满足相干条件,满足相干条件,9,托马斯.扬（Thomas.Yong ,17731829,）。幼年时就聪慧过人，尤其擅长语言，青年时会10种语言。后来他攻读医学，但对物理学也有很大的兴趣。在研究听觉和视觉问题时。他注意到光的微粒说和波动说的争论，尽管当时在学术界占统治地位的是微粒说，但是他注意到惠更斯的波动说的合理性，1801年他完成了著名的杨氏双缝实验，验证了光的波动性,10,17.2、 杨氏双缝干涉实验 双镜 劳埃德镜,1. 杨氏双缝干涉实验,实验装置,分波阵面干涉,缝宽： 10,-4,m,双缝距离 d: 0.1-3 mm,屏到双缝距离 D: 1-10 m,屏上横向观测范围: 1-10 cm,11,2、 杨氏干涉条纹,P点光强,S,1,和,S,2,振动方向相同,频率相同,相位相同,A,12,光强极大极小交替出现, 形成明暗相间、等亮度、等间距的条纹.,明纹中心:,暗纹中心:,条纹间距,(亮 亮或暗暗),讨论:,13,亮点,薄透镜，近轴光线：,一般在透镜前找光程差,f,S,S,1,S,2,0,P,x,d,亮纹,暗纹,亮纹,暗纹,条纹间距,透镜不引起附加的光程差,14,一定时，若 变化，则 将怎样变化？,1）,15,2,）,条纹间距 与 的关系如何？,一定时，,16,（1）菲涅耳双面镜：,P,杨氏双缝实验的改进型,17,（2）劳埃德镜,与双缝干涉对比：, 明暗条纹位置反转。,一路光在平面镜反射时，有“半波损失”，光波相位有的突变。, 条纹分布区域限于屏的上半部分。,P,M,L,18,(3)菲涅耳双棱镜,双缝干涉,19,光的空间相干性、时间相干性,光源的发光的断续性、不同部分发光的独立性,20,1.,干涉条纹,可见度,(衬度)定义:,17.2.2 光源宽度对干涉条纹的影响,空间相干性,21,衬比度下降,合成光强,1,2,I,1,2,合成光强,非相干叠加,面光源,合成光强,衬比度下降,22,面光源,合成光强,条纹消失,空间相干性,面光源的极限宽度,条纹清晰,b,一定时,相干间隔,相干孔径,光源的角直径,23,17.2.3 非单色性对干涉条纹的影响 时间相干性,(1),准单色光,谱线宽度,(2),非单色性对干涉条纹的影响,合成光强,条纹完全消失,最大相干级次,最大光程差,相干长度,白光光源,-,(,/,2),+,(,/,2),0,1,2,3,4,5,6,0,1,2,3,4,5,24,(3),相干长度与相干时间,最,大光程差,有限长波列,有一定频宽,等效,相干时间,25,例：杨氏双缝干涉中，若有下列变动，干涉条纹将如何变化。,(1)把整个装置浸入水中,(4)在缝,S,2,处慢慢向上插入一块楔形玻璃片,(5)把缝隙,S,2,遮住，并在两缝垂直平面上放一平面反射镜,(2)两缝宽度稍有不等,(3)分别用红、蓝滤色片各遮住S,1,和S,2,26,例：微波探测器放在湖岸上，离水面的高度为1米，一微波发射,器,(,发射波长 21 厘米,),从湖面上徐徐升起。当探测器第一次,收到信号极大值时，发射器位于湖面上什么角度？,解：,27,薄膜干涉,白光下的油膜,肥皂泡玩过吗?,平晶间空气隙干涉条纹,28,n,2, n,1,两相干光的光程差,亮纹,暗纹,由,1、薄膜干涉,分振幅法获得相干光,17.3.,等倾干涉,29,薄膜,1,2,(1)干涉定域于无穷远,(2)半波损失,光疏介质,光线1有，光线2没有,光密介质,反射光有半波损失,光线1有，光线2有,光线1没有，光线2没有,光程差,入射,光线1没有，光线2有,透镜不产生附加光程差,30,e,f,(3)光程差取决于入射角,等倾干涉,倾角,i,相同的光线对应同一条干涉条纹,半反半透,i,L,S,f,屏幕,(4)条纹位置及分布,亮纹,暗纹,环中心的级次高,膜变厚，外冒，条纹更密集；,相邻条纹的光程差变化,外密内疏,膜变薄，内陷，条纹更稀疏,透镜,31,(5)面光源,e,f,入射角,i,相同的光线汇聚在同一级干涉条纹上,没有光源宽度增大与条纹衬比度下降的矛盾,使用扩展光源图像更清晰,(6),透射光的干涉,非相干叠加,与反射光的图样互补,薄膜,(7),白光入射,，则将出现彩色条纹,明纹,k,确,定,l,越大,i,越小,由红到紫的彩色条纹,暗纹,32,例：用波长为500 nm的可见光照到一肥皂膜上，在与膜面成60,o,角的方向上观察到膜最亮。已知膜的折射率为1.33，求此膜至少为多厚？若垂直观察，此膜能使波长为多少的,可见光,最亮？,解：,反射时，上表面有半波损失，下表面没有,最亮,最薄,垂直观测,33,1) 增透膜,对某一特定波长,，反射干涉相消，透过相长。,2) 高反膜,对某一特定波长使反射大大加强，透射率相应减少。,增透膜、多层膜,3) 干涉滤光层,多层膜可使从白光中获得特定波长范围的光。,34,对,某一特定波长,，反射干涉相消，透过相长,例：在玻璃上镀一层 MgF,2,增透膜，使其对=550nm 的绿光增透，求薄膜厚度。,由于 n,1, n,2, n,3,，反射光光程差表达式中无 “/2 “ 。,反射相消条件:,当,k,=0,e,= 99.64 nm,k,=1,e,=298.92 nm,k,=2,e,=498.2 nm,由于光的时间相干性，,可取,k,=1 ,e,=299 nm ,1、增透膜,35,求：,e,=299 nm厚度下，反射相长光的波长。,当,k,=1 ,= 825.2nm,反射干涉相长条件:,k,=2 ,= 412.6nm,k,=3 ,= 275.1nm,所以 e =299 nm 的 MgF,2,膜对上面的波长是高反射膜，其中 ,= 412.6nm 的光在可见光范围，镀该种膜的照相机镜头看上去是蓝紫色。,2、高反膜,对某一,特定波长,反射率大大加强，透射率相应减少。,36,17.4 等厚干涉,光程差,半波损失情况根据具体情况决定,通常，光垂直入射,光程差随膜的厚度变化等厚干涉,明纹,暗纹,37,17.4.1 劈尖干涉,S,M,劈尖角,亮纹,暗纹,讨论：,2）,e,相 同的条纹在同一级上，,e=0,的棱边处，是暗纹，这是半波损失一例证。,1）,38,条纹间距,等间距,若用白光照射，结果如何？,明纹,暗纹,平移,条纹,条纹疏密情况不变,改变楔角,条纹,楔角变大,条纹变密,劈尖变化对条纹的影响,膜上某一级条纹对应的厚度的变化方向！,条纹间距的变化,相邻条纹的光程差相差一个波长,39,2,）测膜厚,1,）干涉膨胀仪,劈尖干涉的应用,40,测波长,测折射率,测细小直径、厚度、微小变化,被检体,标,准,角,规,被检体,标,准,角,规,测表面不平度,平整,待测工件,平晶,待测工件,a,b,b,a,h,e,k,-1,e,k,h,41,例：用,波长,500nm,的单色光，,垂直照射,到空气劈尖上。距棱边,L,=1.56cm,的,A,处是从棱边算起的,第四条暗纹中心,，,求：,空气劈尖的顶角。,若改用,600nm,的单色光垂直照射，从棱边到,A,处,共有几条明纹？几条暗纹？,解:,A,处是第三级明纹,从棱边到,A,处共有3条明纹，3条暗纹,42,17.4.2 牛顿环,1) 干涉图样：内疏外密，中心为暗点的圆环。,2）明纹、暗纹条件：,亮纹,暗纹,显微镜,S,L,M,半透半反镜,T,43,3）明（暗）环的半径：,明环半径,暗环半径,R,e,44,4)暗环半径与,k,的平方根成正比,条纹外密内疏,等倾干涉条纹也是外密内疏,5)越接近环中心，条纹级次越低,等倾干涉,环中心条纹级次高,6),凸,透镜略微上移，膜厚度变大，条纹内陷,等倾干涉,膜厚度变大，条纹外冒,8)透射光条纹与反射光条纹互补，但衬,比度低,7),白光入射，同一级条纹，,l,越大，半径,越大,由紫到红的彩色条纹,与等倾干涉相反,明纹,45,如何在实验上区分上述条纹是等倾还是牛顿环?,牛顿环,等倾条纹,46,4,）应用例子,:,可以用来测量光波波长，,用于检测透镜质量，曲率半径等,.,1,）从反射光中观测，中心点是暗点还是亮点？从透射光,中观测，中心点是暗点还是亮点？,2,）属于等厚干涉，条纹间距不等，为什么？,3,）将牛顿环置于,的液体中，条纹如何变？,明环半径,暗环半径,47,被检体,被检体,被检体,被检体,标准透镜,48,例,用氦氖激光器发出的波长为,633nm,的单色光做牛顿环实验，测得第个,k,暗环的半径为,5.63mm, 第,k,+,5,暗环的半径为,7.96mm,，求平凸透镜的曲率半径,R,.,解,49,迈克尔逊（Albert Abraham Michelson , 18521931,）,，1852年12月19日生于斯特列罗（Szrelno 属于波兰）。4岁时随双亲迁居旧金山。参加美国海军军官学校的州内选拔，三人同时并列第一，没被录取。决心申诉。来到华盛顿，见到戈兰特总统。得到了入学。1877年与富豪之女结婚。1878年利用岳父的赠款200美元。开始测光速实验。1907年。因在光学精密计量和光谱学研究中的成绩获诺贝尔奖。他一生最主要的工作利用迈克尔逊干涉仪检测“以太”。是相对论诞生的原因。,50,单色光源,六、迈克尔逊干涉仪,反射镜,反射镜,与,成,角,补偿板,分光板,移动导轨,51,反射镜,反射镜,单色光源,光程差,的像,平面镜,M,1,平移的距离为,52,当,不垂直于,时，可形成劈尖型等厚干涉条纹,.,反射镜,反射镜,单色光源,53,54,长的玻璃管，其中一个,抽成真空,， 另一个则储有,压强为,的空气 , 用以测量空气的折射率 . 设所用,光波波长为,546nm,，实验时，向真空玻璃管中逐渐充入空气 ，直至压强达到 为止 . 在此过程中 ，观察到,107.2,条干涉条纹的移动，试求空气的折射率 .,例,在迈克耳孙干涉仪的两臂中，分别插入,解,55,利用干涉仪测气体折射率,56,法布里 珀罗干涉仪(F-P),多光束等倾干涉，可以形成细、亮的条纹，利于测量,57,例：在牛顿环实验中，如果将玻璃夹层中的空气逐,渐抽去而成为真空，干涉条纹将如何变化？,例：用实验测量透镜的曲率半径,如图。在波长为,l,的,单色光照射下，得到图中上方的牛顿环，则,透镜与模具间的空气隙的最大厚度为多少？,例：如图，用波长640nm的光照射迈克尔逊干涉仪，,M,1,与,M,2,互,相垂直。,(1)向下移动,M,2,，在望远镜T中将看到什么现象？,(2)若在一条光路中加入一折射率为1.5的薄片后，T的视场,中心有10条条纹移过，薄片的厚度为多少？,2,2,1,1,S,M,1,M,2,T,解：,(1),注意区分两种情况,(2),光程差的变化,58,例：,麦克尔逊干涉仪用波长为 589.3 nm 的钠黄光观察，视场中心为亮点，此外还能看到 10 个亮环。今移动一臂中的反射镜，发现有10 个亮环向中心,收缩而消失,，即中心级次减小10，此时视场中除中央亮点外还剩 5 个亮环。试求开始时中央亮点的干涉级，反射镜移动的距离，以及反射镜移动后视场中最外那个亮环的干涉级。,移动前，中央条纹满足：,移动前，视场边缘条纹级次满足：,移动后，视场边缘条纹级次满足：,设开始是中央亮点的级次为k,),(,947,.,2,2,10,m,d,m,l,=,=,D,解：,10个亮环向中央收缩消失，则反射镜移动的距离为,59,将（1）代入（2）（3）中，得,即移动前中央亮点的条纹级次为 20，,移动后视场中最外那个亮环级次为 k -10 - 5 = 5。,60,迈克耳孙莫雷实验,背景：企图测定地球在以太中运动的相对速率。,迈克耳孙莫雷实验原理图,按照以太所设，光在以太中传播的速率是c，,而以太相对地球以速度,u,运动，在MM,1,路程上光速为c +u，回程时光速为c,u，,所需时间为,61,沿MM,2,M,运动的一束光波，在由M到M,2,的往返路程上按照以太假设，光速都是,来回所需时间为,两束光波进入人眼时的时间差,t =t,1,t,2,，,相应的光程差,设 u/c 1 ，,将方括号中的量展开，略去高次项,62,使整个干涉仪转过90,o,，,上述两条光路的地位互相交换，时间差改变符号，光程差也改变，从而观察到的干涉条纹的位置应发生移动,在迈克耳孙莫雷实验中，令 d=11m，,=5.910,-7,m，,假定 u 为地球的轨道速率，则 u/c =10,-4,，,干涉仪转过90,o,，,所指望的条纹移动数目为,实验所用干涉仪可以观察到0.01根条纹的移动，但在地球上不同地方进行这一实验都没有观察到干涉条纹的移动，得出否定的结果。,63,
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