激光、光全息技術(shù)、光信息處理技術(shù)、光纖技術(shù)…概述對光的研究兩千多年現(xiàn)代光學(xué)技術(shù):第十三章波動(dòng)光學(xué)(如量子光學(xué))微粒說波動(dòng)說波粒二象性1.相干光條件必要條件—同機(jī)械波相干光的獲取

一般:“一分為二”、“自我干涉”1.分振幅法(薄膜干涉如劈尖、牛頓環(huán)、…)

IW2WW1I1I2AB2.分波陣面法(如雙縫、勞埃德鏡、…)

激光束干涉實(shí)驗(yàn)相遇處:討論相干疊加與非相干疊加(兩光矢量方向相同光波列)干涉項(xiàng)：一.

楊氏雙縫干涉楊氏雙縫干涉勞埃德鏡對屏上任一點(diǎn)B

(考慮到)相長(加強(qiáng))由于1=2用r討論干涉問題明紋中心(最亮處)其中中央(零級(jí))明紋各級(jí)明紋各2條暗紋中心(最暗處)當(dāng)相消(減弱)當(dāng)其中各級(jí)暗紋各2條相鄰明紋(或暗紋)中心間距三.

勞埃德鏡直射光反射光相干—類似為雙縫LMPP'實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：屏P移至P

'處L處—暗紋—相位躍變結(jié)論：疏媒質(zhì)(光速較大)密媒質(zhì)(光速較小)入反L處反射光較入射光相位躍變

(等效波程差為)SM劈尖角二.

劈尖(

,d

呈線性變化

)1.單色平行光垂直入射(

一般情況

)2.空氣劈尖(教材n2=1)注a.等厚原理=f(d)dkkd

空間分布條紋空間分布對應(yīng)其中d

=

0處(劈棱)—暗紋(

k=0

)[例]照相機(jī)鏡頭外表面涂有一層均勻膜(如圖)如太陽光垂直照射,求(1)欲使=552nm(黃綠光,人眼靈敏波長)在透射中加強(qiáng),d的取值;(2)此時(shí)鏡頭是何種顏色?2.應(yīng)用—增透膜與增反膜23玻璃n2=1.38n3>1.38d氟化鎂空氣分析:a.增透膜——透射相長—等效為反射光相消Ⅰ法Ⅱ法b.針對所需波長——選擇膜(材料,厚度)增反增透討論:干涉條紋會(huì)發(fā)生怎樣的變化[圖形(a)]？若劈尖的上表面向右方平移，干涉條紋會(huì)發(fā)生怎樣的變化[圖(b)]？若劈尖的角度增大，干涉條紋又將發(fā)生怎樣的變化[圖(c)]?如圖所示，若劈尖的上表面向上平移，利用等厚原理分析關(guān)鍵:三.

牛頓環(huán)顯微鏡TSLM半透半反鏡(d

呈非線性變化

)空氣牛頓環(huán)(教材)其中:中心處(d

=

0)—暗(k=0

)明環(huán)暗環(huán)特征：內(nèi)疏外密明暗相間圓形條紋—？[例1]用氦氖激光器發(fā)出的波長為633nm的單色光做牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)，測得第k個(gè)暗環(huán)的半徑為5.63mm,第k+5暗環(huán)的半徑為7.96mm，求平凸透鏡的曲率半徑R.分析:利用暗環(huán)公式即可.實(shí)驗(yàn)室中常用此法測R討論:曲率半徑是否加工到位？如何定性測平凸透鏡[例2]如圖所示為測量油膜折射率的實(shí)驗(yàn)裝置,在平面玻璃片G上放一油滴，并展開成圓形油膜，在波長的單色光垂直入射下,從反射光中可觀察到油膜所形成的干涉條紋．已知玻璃的折射率為,油膜的折射率,問:當(dāng)油膜中心最高點(diǎn)與玻璃片的上表面相距時(shí),干涉條紋是如何分布的?可看到幾條?所在處的油膜厚度為多少?SLG關(guān)鍵分析:這也是一種牛頓環(huán)現(xiàn)象弄清d

=

0處:明或暗？膜上明紋最大級(jí)次km解：在油膜上、下兩表面反射光均有相位躍變，所以，兩反射光無附加光程差[例題3]折射率為n=1.20的油滴在平面玻璃（折射率為上形成球形油膜，以光垂直入射，觀察油膜反射光的干涉條紋，求若油膜中心最高點(diǎn)與玻璃平面相距1200nm，能觀察到幾條明紋？因此明紋條件滿足（1）（）時(shí)，（油漠邊緣處）（或以代入式(1)，可得k取整數(shù)）即可看到五條明紋同心圓環(huán)）討論：當(dāng)油膜擴(kuò)大時(shí)，條紋間距將發(fā)生什么變化？（不變，變小，變大）相當(dāng)于劈尖Θ變小間距變大一.

光的衍射現(xiàn)象光的衍射障礙物線度(縫、孔、屏、絲)>>—“直線傳播”(幾何光學(xué))與可比擬

—繞射(衍射)(波動(dòng)光學(xué))圓盤衍射圖樣(見圖)

[例1]單縫衍射,b

=

0.1mm

,

f=0.5m.(1)

用波長1和2=

600nm混合光垂直照射單縫,如1的第三級(jí)明紋與2的第二級(jí)明紋在屏上位置正好重合,求1,另討論還有哪些譜線位置會(huì)重合?(2)用=600nm單色光垂直單縫,求“無限大”屏上可能出現(xiàn)明紋最高級(jí)次km;分析:a.對(1)b.對(2)令取整一.

圓孔衍射艾里斑圓孔衍射光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)可證明:張角直徑入射光λ孔徑D

透鏡焦距f2.艾里斑直徑(中心到第一級(jí)暗環(huán))1.艾里斑對透鏡光心張角*幾何光學(xué)：一個(gè)物點(diǎn)→光學(xué)儀器→一個(gè)象點(diǎn)

*光的衍射：一個(gè)物點(diǎn)→光學(xué)儀器→艾里斑

因此兩個(gè)物點(diǎn)通過光學(xué)儀器后出現(xiàn)的兩個(gè)斑點(diǎn)可能重疊問題而無法分辨！3．瑞利判據(jù)

在什么情況下，大多數(shù)人能分辨兩個(gè)物點(diǎn)的像：2．光學(xué)儀器分辨率—圓孔衍射引出的問題*一個(gè)艾里斑中心落在另一個(gè)艾里斑邊緣即當(dāng)恰能分辨！—最小分辨角分辨率大！—分辨率對光學(xué)儀器分辨本領(lǐng)或兩個(gè)艾里斑中心相距等于一個(gè)艾里斑的半徑d/2光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)Rayleigh判據(jù)(對非相干光)最小分辨角兩物點(diǎn)張角(視角)>

0

能分辨=

0

恰能分辨<

0

不能分辨

[例1]設(shè)人眼在正常照度下的瞳孔直徑約為3mm,而在可見光中,人眼最敏感的波長為550nm

,

(1)人眼的最小分辨角有多大？

(2)若物體放在距人眼25cm（明視距離）處，則兩物點(diǎn)間距為多大時(shí)才能被分辨？問解(1)(2)

[例題2]：黑板屏幕上有相距為2mm的兩條平行直線，距黑板多遠(yuǎn)的同學(xué)能分辨！（設(shè)人眼瞳孔直徑D=3mm）解：人眼的最小分辨角為由圖知[例3]毫米波雷達(dá)發(fā)出的波束比常用的雷達(dá)波束窄,這使得毫米波雷達(dá)不易受到反雷達(dá)導(dǎo)彈的襲擊.(1)有一毫米波雷達(dá),其圓形天線直徑為55cm,發(fā)射頻率為220GHz的毫米波,計(jì)算其波束的角寬度;(2)將此結(jié)果與普通船用雷達(dá)發(fā)射的波束的角寬度進(jìn)行比較,設(shè)船用雷達(dá)波長為1.57cm,圓形天線直徑為2.33m

.解(1)(2)衍射光柵等寬度、等距離的狹縫排列起來的光學(xué)元件.衍射角明紋位置相鄰兩縫間的光程差：光柵的衍射條紋是單縫衍射和多光束干涉的總效果討論光強(qiáng)分布條紋最高級(jí)數(shù)光柵中狹縫條數(shù)越多，明紋越細(xì).(a)1條縫(f)20條縫(e)6條縫(c)3條縫(b)2條縫(d)5條縫入射光為白光時(shí)，形成彩色光譜.衍射光譜一級(jí)光譜二級(jí)光譜三級(jí)光譜光的偏振性馬呂斯定律一.

自然光偏振光1.橫波的偏振性電磁波(含光波)—橫波2.自然光(普通光源,太陽光)含各個(gè)方向的振動(dòng)且振幅相等—“各向同性”54.3.(線)偏振光只含有某一固定方向光振動(dòng)(振動(dòng)面)(b)振動(dòng)方向垂直屏幕的線偏振光(a)振動(dòng)方向在屏幕內(nèi)的線偏振光(c)在屏幕內(nèi)的振動(dòng)較強(qiáng)的部分偏振光(d)垂直屏幕的振動(dòng)較強(qiáng)的部分偏振光4.部分偏振光含有各個(gè)方向光振動(dòng)，但振幅不等注除自然光外,其它光一般通過特殊方法(如反射,折射,散射……）產(chǎn)生55.二.

偏振片起偏與檢偏機(jī)理:光與物質(zhì)相互作用.如二向色性、雙折射…1.偏振片—只允許某一特定方向(偏振化方向)光通過的透明薄片注光振動(dòng)與偏振化方向∥全通過⊥全部不通過其它情況,部分(平行分量)通過2.起偏與檢偏起偏器(對自然光)檢偏器(對偏振光)ⅠⅡ自然光偏振光偏振光偏振化方向起偏器56.NM

Malus定律討論:a.定性描述自然光依次通過偏振片Ⅰ與Ⅱ后的狀態(tài)(偏振態(tài),強(qiáng)度)b.分別旋轉(zhuǎn)偏振片Ⅰ和Ⅱ,光的強(qiáng)度變化情況三.

馬呂斯定律起偏過程中檢偏過程中式中I0為入射偏振光光強(qiáng),

為其與偏振化方向的夾角57.討論:1.如何用兩個(gè)偏振片,使一束線偏振光的光振動(dòng)旋轉(zhuǎn)90°并使透射光強(qiáng)盡可能最大?.分析:設(shè)線偏振光的振幅和光強(qiáng)分別為E0和I0如圖2.在兩塊正交偏振片p1,p3

之間插入另一塊偏振片p2,光強(qiáng)為I0

的自然光垂直入射于偏振片p1,討論轉(zhuǎn)動(dòng)p2

透過p3

的光強(qiáng)I與轉(zhuǎn)角的關(guān)系.58.反射光與折射光的偏振空氣玻璃(a)實(shí)驗(yàn)(1815年)表明反射與折射中(自然光入射)圖(a)反射光—部分偏振光折射光—部分偏振光(⊥占優(yōu))(∥占優(yōu))圖(b)反射光—偏振光折射光—部分偏振光(⊥分量)(∥占優(yōu))(Brewster定律)i0—起偏角或Brewster角玻璃空氣(b)59.玻璃空氣注a.反射光與折射光偏振化程度與入射角i有關(guān)b.起偏時(shí)(i=i0)反⊥

折c.工程中—玻璃片堆反折偏振光60.一.

雙折射的尋常光和非尋常光雙折射對各向異性晶體(方解石),兩束光1.

尋常光(o光)和非常光(e光)o光:遵守折射定律各個(gè)方向

vo=常數(shù)no=常數(shù)e光:不遵守折射定律各個(gè)方向

ve=常數(shù)ne=常數(shù)光軸2.

光軸“”(一個(gè)特定方向)兩者均為偏振光光沿光軸方向入射，不發(fā)生雙折射現(xiàn)象62.3.主截面—光軸與入射面法線所成平面如光沿主截面入射

(本教材討論對象)o光⊥主截面e光∥主截面o光⊥e光4.no與nee光：主折射率(⊥光軸方向)⊥光軸方向∥光軸方向o光：—常數(shù)正晶體(如石英)負(fù)晶體(如方解石)光軸

光

光63.二.惠更斯原理對雙折射現(xiàn)象的解釋圖(a)為負(fù)晶體中o光與e光的波陣面∥光軸方向⊥光軸方向圖(c)i=0無雙折射圖(d)i=0傳播方向重合，但波陣面分開o

光波陣面e

光波陣面光軸(a)光軸波面重合入射光(i=0)AB(c)光軸(b)o光波面e光波面AB光軸(d)o光波面e光波面AB64.三.1/4波片與1/2波片di=0光軸o光波面e光波面AB如圖相移器件1.波片令2.波片令對指定

而言65.四.人為雙折射現(xiàn)象各向同性介質(zhì)電場,磁場應(yīng)力,外力各向異性(雙折射)1.克爾效應(yīng)與泡克爾斯效應(yīng)(加電場)克爾效應(yīng)線性電光效應(yīng)電光效應(yīng)(電控光開關(guān))泡克爾斯效應(yīng)66.2.光彈效應(yīng)—可顯示材料內(nèi)應(yīng)力分布第三部分光的偏振偏振（性）：振動(dòng)方向?qū)鞑シ较驔]有對稱性這種不對稱性稱為偏振（性）一、自然光，偏振光由于發(fā)光機(jī)理的復(fù)雜性，通常光源發(fā)出的光是自然光光是橫波，具有偏振性：光矢量與傳播方向垂直1．自然光2．線偏振光只有一個(gè)方向的光振動(dòng)的光稱為線偏振光3．部分偏振光某個(gè)方向的光振動(dòng)比之垂直方向光振動(dòng)占優(yōu)勢包含著各方向的光矢量，且振動(dòng)方向?qū)鞑シ较蚴蔷鶆蚍植?，振幅也相等通常分為的兩個(gè)分振動(dòng)表示（注意：兩個(gè)方向分振動(dòng)是相互獨(dú)立的）（圖示）4．其它：圓偏振光，橢圓偏振光二、線偏振光的獲得和檢驗(yàn)1．偏振片起偏自然光（I0）通過后，光沿某特定方向（偏振化方向）振動(dòng)，光強(qiáng)為2．反射光和折射光起偏原理：利用某些物質(zhì)的二色性，只允許某方向光振動(dòng)通過（或吸收某方向光振動(dòng)）的器件（起偏器）反射光垂直入射面振動(dòng)強(qiáng)折射光平行入射面振動(dòng)強(qiáng)原理：自然光入射兩種介質(zhì)界面，反射光和折射光是部分偏振光當(dāng)時(shí)（此時(shí)）（1）此時(shí)反射光為線偏振光（垂直入射面光振動(dòng)）（2）在折射光仍然為部分偏振光，當(dāng)通過玻璃堆時(shí)，最后折射光（透射光）為線偏振光（平行入射面的光振動(dòng)）3．其它方法（后述）4．檢偏—原則上起偏器都可用作為檢偏器自然光通過偏振片，若將偏振片繞光的傳播方向轉(zhuǎn)動(dòng)，屏上光強(qiáng)不變（）線偏振光通過偏振片，若將偏振片繞光的傳播方向轉(zhuǎn)動(dòng)，屏上將出現(xiàn)明→暗→明→暗三、馬呂斯定律偏振光通過偏振片后光強(qiáng)的計(jì)算(如圖)所以其光強(qiáng)為（∵）設(shè)偏振光的振動(dòng)方向與（檢）偏振片的偏振化分向的夾角為，則通過偏振片后光振動(dòng)的振幅為式中為入射偏振光振幅和光強(qiáng)例1自然光強(qiáng)入射重疊在一起的四塊偏振片，每塊偏振片的偏振化方向與前一片偏振化方向的夾角沿順時(shí)針（逆光線傳播方向）轉(zhuǎn)過30°，求出射光強(qiáng)解：自然光通過第一偏振片后的光強(qiáng)為，成為偏振光,然后通過第二偏振片后其光強(qiáng)為依次為∴例題2兩偏振片的偏振方向相互垂直，若在其中間插入一偏振片,其偏振化方向與第一偏振片的偏振化方向夾角為，求自然光入射后，出射光強(qiáng).解：作圖示的示意圖參照上題四、雙折射1．現(xiàn)象：當(dāng)光束通過各向異性的晶體時(shí)（或人為雙折射晶體）折射為兩束光注：不遵守折射定律指折射光線不一定在入射面內(nèi)，折射率ne不是常量，即e光在各方向傳播速度不同。2．光和e光3．幾個(gè)重要物理名詞光軸：光沿晶體某方向傳播時(shí)，不發(fā)生雙折射,該方向稱為晶體的光軸（此時(shí)光沿光軸的速度相同）主截面：光線在晶體表面入射，此表面法線與晶體的光軸組成的平面（圖示）主平面：光軸和任意已知光線組成的平面。4．說明（1）光是相對晶體而言的（3）表中給出的光折射率，指垂直光軸方向的折射率（主折射率），一般的介于和之間（2）光的振動(dòng)方向相互垂直

光振動(dòng)垂直主截面光振動(dòng)平行主截面【條件】正晶體，負(fù)晶體（4）多晶體，單晶體五、利用雙折射現(xiàn)象獲得偏振光1．二色性現(xiàn)象獲得偏振光原理：某些晶體對光有選擇性吸收