1、前 言,光學(xué)研究對象： 光的現(xiàn)象、光的本性和光與物質(zhì)相互作用。 人類對光的研究已有3000余年的歷史，20世紀(jì)60年代激光問世后，光學(xué)有了飛速的發(fā)展，形成了現(xiàn)代光學(xué)。,幾何光學(xué)：以光的直線傳播規(guī)律為基礎(chǔ)研究各種光學(xué)儀器的理論。,波動光學(xué)：研究光的電磁性質(zhì)和傳播規(guī)律，特別是干涉、衍射、偏振的理論和應(yīng)用。,波動光學(xué)和量子光學(xué)，統(tǒng)稱為物理光學(xué)。,量子光學(xué)：以光的量子理論為基礎(chǔ)，研究光與物質(zhì)相互作用的規(guī)律。,第十二章 光學(xué),12-2 光源 單色光 相干光 12-3 雙縫干涉 12-4 光程與光程差 12-5 薄膜干涉 12-7 光的衍射現(xiàn)象 惠更斯-菲涅耳原理 12-8 單縫的夫瑯禾費衍射 12-9

2、圓孔的夫瑯禾費衍射 光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng) 12-10 光柵衍射 12-12 光的偏振狀態(tài) 12-13 起偏和檢偏 馬呂斯定律 12-14 反射和折射時光的偏振,一、光源,光源：發(fā)光的物體,類型： 普通光源(自發(fā)輻射) 激光光源(受激輻射),熱（輻射）光源,白熾燈、弧光燈、太陽,非熱輻射光源（冷光源）,氣體放電管、日光燈、螢火蟲,原子發(fā)光原子光波列：,激發(fā)態(tài)壽命 10-1110-8 s,自發(fā)輻射,一定頻率、振動方向，長度有限的光波列,原子的發(fā)光模型,原子光波列,普通光源發(fā)光：,大量原子和分子持續(xù)、隨機地發(fā)射的光波列,兩個特點：間歇性、隨機性,二、單色光,單色光：,或,普通單色光源：,激光：,三、相

3、干光,兩同頻單色光的疊加,光波中的電場矢量 稱為光矢量。,非相干疊加,對于普通光源發(fā)出的光,如果,即兩個光源發(fā)出的光之間具有確定的相位差，則把這兩個光源稱為相干光源，它們所發(fā)出的就是相干光。,相干疊加,平均光強：,相干條件：振動方向相同，頻率相同，具有確定的相位差。,當(dāng)兩束相干光在空間任一點相遇時，它們之間的相位差 隨空間位置不同而連續(xù)變化，從而在不同位置上出現(xiàn)光強的強弱分布，這種現(xiàn)象就是光的干涉現(xiàn)象。,干涉相長（明）,(k = 0,1,2,3),干涉相消（暗）,(k = 0,1,2,3),若,干涉的光強分布,P,S *,分振幅法：,P,薄膜,S *,兩束相干光在 P 點相干疊加,分波面法：,

4、四、相干光的獲得方法,兩個獨立的普通光源很難滿足相干條件。,第十二章 光學(xué),12-2 光源 單色光 相干光 12-3 雙縫干涉 12-4 光程與光程差 12-5 薄膜干涉 12-7 光的衍射現(xiàn)象 惠更斯-菲涅耳原理 12-8 單縫的夫瑯禾費衍射 12-9 圓孔的夫瑯禾費衍射 光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng) 12-10 光柵衍射 12-12 光的偏振狀態(tài) 12-13 起偏和檢偏 馬呂斯定律 12-14 反射和折射時光的偏振,一、楊氏雙縫實驗,一般要求：Dd, Dx,托馬斯 楊,二、干涉明暗條紋的位置,波程差：,明紋,暗紋,（k = 0，1，2，）,條紋間距,（1）平行的明暗相間條紋,（3）中間級次低,（4）

5、,條紋特點：,（2）條紋等間距,明紋,暗紋,（k = 0，1，2，）,條紋間距,單色光入射時雙縫干涉的條紋,形狀：明暗相間的直條紋(平行于縫),分布：條紋均勻 分布,可由此測。,級次：中間條紋級次低。,某條紋級次 = 該條紋相應(yīng)的 之值,白光入射時雙縫干涉的條紋,白光入射： 0級明紋為白色 (可用來定0級位置)， 其余明紋為彩色條紋 (x )。,三、洛埃德鏡實驗,S1：實光源，S2：虛光源,MN：平面反射鏡,陰影部分出現(xiàn)干涉,接觸點: 暗條紋,反射光存在半波損失。,半波損失：光從光疏媒質(zhì)到光密媒質(zhì)的分界面上反射時，在垂直入射（i =0）或掠入射（i =90）的情況下，反射光的相位與入射光的相位

6、有 的突變。,例1 楊氏雙縫的間距為0.2mm，距離屏幕為1m。 （1）若第一到第四明紋距離為7.5mm，求入射光波長。（2）若入射光的波長為600nm，求相鄰兩明紋的間距。,解：,第十二章 光學(xué),12-2 光源 單色光 相干光 12-3 雙縫干涉 12-4 光程與光程差 12-5 薄膜干涉 12-7 光的衍射現(xiàn)象 惠更斯-菲涅耳原理 12-8 單縫的夫瑯禾費衍射 12-9 圓孔的夫瑯禾費衍射 光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng) 12-10 光柵衍射 12-12 光的偏振狀態(tài) 12-13 起偏和檢偏 馬呂斯定律 12-14 反射和折射時光的偏振,一、光程,單色光（）在真空中的波長：,在介質(zhì)（折射率為 n）中的

7、波長：,光程( nx )： 將光在介質(zhì)中通過的路程折算到同一時間 內(nèi)在真空中所通過的相應(yīng)路程。,二、光程差,相位差和光程差的關(guān)系：,光程差：,例：兩相干波源S1 、S2產(chǎn)生相干波疊加,例： 在S2P間插入折射率為n、厚度為d的媒質(zhì),求：光由S1、S2到P的相位差 。,解：,練習(xí)題：P204，12-11,三、物像之間的等光程性,光路中插入薄透鏡不會產(chǎn)生附加的光程差。,四、反射光的相位突變和附加光程差,半波損失：光從光疏媒質(zhì)到光密媒質(zhì)的分界面上反射時，反射光有 相位突變，相當(dāng)于一個附加光程差 ：,在薄膜上下表面反射的兩束光發(fā)生附加光程差/2的條件：,n1 n3 或 n1 n2 n3,注意：反射光發(fā)

8、生在光疏介質(zhì)到光密介質(zhì)時的半波損失 。,n2,n1,n3,n1n2n3,或n1 n3,或n1n2n3,n2,n1,n3,n1n2n3,反射光無半波損失。,2,1,2,1,反射光有半波損失。,第十二章 光學(xué),12-2 光源 單色光 相干光 12-3 雙縫干涉 12-4 光程與光程差 12-5 薄膜干涉 12-7 光的衍射現(xiàn)象 惠更斯-菲涅耳原理 12-8 單縫的夫瑯禾費衍射 12-9 圓孔的夫瑯禾費衍射 光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng) 12-10 光柵衍射 12-12 光的偏振狀態(tài) 12-13 起偏和檢偏 馬呂斯定律 12-14 反射和折射時光的偏振,薄膜干涉有兩種條紋 一般情況下薄膜干涉的分析比較復(fù)雜 (

9、因L和 d、i兩因素有關(guān)) 通常只研究兩個極端情形(只有d在變 或只有i在變)，分別對應(yīng)兩種條紋。,等厚條紋 （對應(yīng)僅d變的情況) 等傾條紋 (對應(yīng)僅i變的情況),一、等傾干涉條紋,光經(jīng)薄膜上下兩表面反射后相互疊加所形成的干涉現(xiàn)象，稱為薄膜干涉。振幅分割法,可分成等傾干涉和等厚干涉兩類。,點光源照射到表面平整，厚度均勻的薄膜上產(chǎn)生的干涉條紋，稱等傾干涉條紋。,對于兩反射光：,半波損失,明紋,暗紋,1.由于薄膜厚度均勻，光程差由入射角確定，對于同一級條紋具有相同的傾角，因此稱為等傾干涉條紋。,3.是否要考慮半波損失看具體情況而定。,討論,2.對于透射光，,與反射光的干涉條紋形成互補。,等傾干涉條

10、紋的實驗裝置,條紋特點,形狀：,同心圓環(huán),條紋間隔分布：,內(nèi)疏外密,條紋級次分布：,d一定時，,膜厚變化時，條紋的移動：,k一定時，,中央級次高，邊緣級次低,條紋由中央冒出,二、增透膜和高反射膜,若n n0,增透膜的最小厚度：,利用薄膜干涉使反射光減小，這樣的薄膜稱為增透膜。,高反射膜(HLHLH),反射鏡表面交替鍍上光學(xué)厚度均為/4的高折射率ZnS膜和低折射率的MgF2膜，形成多層高反射膜。,例 如用白光垂直入射到空氣中厚為320nm的肥皂膜上（其折射率n1=1.33），問肥皂膜呈現(xiàn)什么色彩？,解：,黃光！,取 k = 1，2，3代入上式，分別得：,紅外,紫外,例 平面單色光垂直照射在厚度均

11、勻的油膜上，油膜覆蓋在玻璃板上。所用光源波長可以連續(xù)變化，觀察到500nm與700nm波長的光在反射中消失。油膜的折射率為1.30，玻璃折射率為1.50，求油膜的厚度。,解：,三、等厚干涉條紋,平行光照射到表面平整，厚度不均勻的薄膜上產(chǎn)生的干涉條紋。,薄膜厚度d 相同之處對應(yīng)于同一級條紋，因此稱為等厚干涉條紋。,光線垂直入射時：,明紋,暗紋,1、劈尖膜,平行光垂直入射，薄膜上下表面之間夾角極小。,明紋,暗紋,條紋特點,形狀：平行于劈尖棱邊的直條紋,條紋等間距分布。,相鄰條紋所對應(yīng)的厚度差：,條紋級次分布：厚度越大，級次越高。,劈尖處為0級暗紋半波損失,相鄰條紋間距：,劈尖膜干涉的應(yīng)用,測量微小

12、直徑、厚度，表面平整度、平行度等。,測波長、折射率,薄膜厚度：,條紋數(shù),測量薄膜厚度D,例2 為了測量金屬細絲的直徑，把金屬絲夾在兩塊平玻璃之間，形成劈尖，如圖所示，如用單色光垂直照射 ，就得到等厚干涉條紋。測出干涉條紋的間距，就可以算出金屬絲的直徑。某次的測量結(jié)果為：單色光的波長 =589.3nm金屬絲與劈間頂點間的距離L=28.880mm，30條明紋間得距離為4.295mm,求金屬絲的直徑D？,解：,相鄰兩條明紋間的間距,例3 利用空氣劈尖的等厚干涉條紋可以檢測工 件表面存在的極小的加工紋路， 在經(jīng)過精密加工的工件表面上放一光學(xué)平面玻璃，使其間形成空氣劈形膜，用單色光照射玻璃表面，并在顯微

13、鏡下觀察到干涉條紋，如圖所示，試根據(jù)干涉條紋的彎曲方向，判斷工件表面是凹的還是凸的；并證明凹凸深度可用下式求得 ：,觀察到的干涉條紋彎向空氣膜的左端，可判斷工件表面是下凹的，如圖所示。,解：,由圖中相似直角三角形：,2、牛頓環(huán),平行光垂直入射球面透鏡與平玻璃表面之間的空氣膜。,由幾何關(guān)系,形狀：同心圓環(huán)（由等厚條紋+幾何結(jié)構(gòu)決定）,條紋間隔分布：內(nèi)疏外密,條紋級次分布：,條紋特點,圓心處為0級暗紋。,半徑越大，級次越高。(與等傾干涉條紋不同),若壓緊透鏡， 牛頓環(huán)的條紋向外擴張。,牛頓環(huán)的應(yīng)用,檢驗透鏡表面質(zhì)量,波長或球面透鏡半徑,測量第k + m和第k級暗條紋半徑,解：,聯(lián)立求解：,例4 用鈉燈（ = 5893 ）觀察牛頓環(huán)，看到第k條暗環(huán)的半徑為r = 4mm，第k+5條暗環(huán)半徑r = 6mm，求所用平凸透鏡的曲率半徑R。,例5 已知標(biāo)準(zhǔn)平凸透鏡 R1=102.3 cm，入射光 =5839 ，測得第4條暗環(huán)(k=4)的半徑 r4=2.25 cm， 求待測凹面鏡的半徑 R2。,解：,邁克爾孫干涉儀,S,M2,M1,邁克爾遜干涉儀 (1880年),1. 結(jié)構(gòu),2. 原理,半透半反膜,補償板,補償板,半透半反膜,條紋的移動也可由其他原因引起，如介質(zhì)膜的插入或移去，此時引起的條紋移動數(shù)目： 由此可測定介質(zhì)膜的厚度 d 或折射率 n 。,可測定光譜的精細結(jié)構(gòu)。,若M2