1、,第五章光的波動性,1801年，英國物理學(xué)家托馬斯楊在實驗室里成功的觀察到了光的干涉現(xiàn)象,光學(xué)是物理學(xué)中最古老的一個基礎(chǔ)學(xué)科，又是當(dāng)前科學(xué)研究中最活躍的學(xué)科之一。隨著人類對自然的認(rèn)識不斷深入，光學(xué)的發(fā)展大致經(jīng)歷了萌芽時期、幾何光學(xué)時期、波動光學(xué)時期、量子光學(xué)時期、現(xiàn)代光學(xué)時期等5個時期。,光學(xué)的發(fā)展簡介：,光是什么？ 在物理學(xué)的發(fā)展史上，光是什么的問題經(jīng)歷過很長一段時間的爭論，包括牛頓、惠更斯和愛因斯坦在內(nèi)的大批科學(xué)家均參與其中。正是他們大量的爭論，推動了光學(xué)的發(fā)展。,光的直線傳播,光的反射,光的折射,大量事實證明，光是直線前進(jìn)的，可能是一個微小的粒子。,我們?nèi)绻芸吹焦獍l(fā)生干涉、衍射等現(xiàn)象，

2、具有波特有的性質(zhì)，那么我們就可以說光是一種波。,光學(xué)的發(fā)展簡介：,1、萌芽時期,我國的光學(xué)發(fā)展萌芽時期： （1）、對光的直線傳播的認(rèn)識 早在春秋戰(zhàn)國時墨經(jīng)已記載了小孔成像的實驗 （2）、對視覺和顏色的認(rèn)識 （3）、光的反射和鏡的利用 （4）、對大氣光學(xué)現(xiàn)象的探討 （5）、關(guān)于成影現(xiàn)象的認(rèn)識,光學(xué)的發(fā)展簡介：,2、幾何光學(xué)時期,這一時期可以稱為光學(xué)發(fā)展史上的轉(zhuǎn)折點。在這個時期建立了光的反射定律和折射定律，奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)。同時為了提高人眼的觀察能力，人們發(fā)明了光學(xué)儀器，第一架望遠(yuǎn)鏡的誕生促進(jìn)了天文學(xué)和航海事業(yè)的發(fā)展，顯微鏡的發(fā)明給生物學(xué)的研究提供了強(qiáng)有力的工具。,牛頓于公元1704年出版的光

3、學(xué)，提出了光是微粒流的理論，他認(rèn)為這些微粒從光源飛出來。,光學(xué)的發(fā)展簡介：,3、波動光學(xué)時期,19世紀(jì)初，波動光學(xué)初步形成，其中托馬斯楊圓滿地解釋了“薄膜顏色”和雙狹縫干涉現(xiàn)象。菲涅耳于1818年以楊氏干涉原理補(bǔ)充了惠更斯原理，由此形成了今天為人們所熟知的惠更斯-菲涅耳原理，用它可圓滿地解釋光的干涉和衍射現(xiàn)象，也能解釋光的直線傳播。,惠更斯反對光的微粒說，1678年他在論光一書中從聲和光的某些現(xiàn)象的相似性出發(fā)，認(rèn)為光是在“以太”中傳播的波所謂“以太”則是一種假想的彈性媒質(zhì)，充滿于整個宇宙空間，光的傳播取決于“以太”的彈性和密度運(yùn)用他的波動理論中的次波原理，惠更斯不僅成功地解釋了反射和折射定律，

4、還解釋了方解石的雙折射現(xiàn)象但惠更斯沒有把波動過程的特性給予足夠的說明，他沒有指出光現(xiàn)象的周期性，他沒有提到波長的概念,光到底是什么？,17世紀(jì)明確形成了兩大對立學(xué)說,牛頓,惠更斯,微粒說,波動說,19世紀(jì)初證明了波動說的正確性,由于波動說沒有數(shù)學(xué)基礎(chǔ)以及牛頓的威望使得微粒說一直占上風(fēng),19世紀(jì)末光電效應(yīng)現(xiàn)象使得愛因斯坦在20世紀(jì)初提出了光子說：光具有粒子性,這里的光子完全不同于牛頓所說的“微?！?光學(xué)的發(fā)展簡介：,4、量子光學(xué)時期,19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，光學(xué)的研究深入到光的發(fā)生、光和物質(zhì)相互作用的圍觀機(jī)制中。光的電磁理論主要困難是不能解釋光和物質(zhì)相互作用的某些現(xiàn)象，例如，熾熱黑體輻射中能量按

5、波長分布的問題，特別是1887年赫茲發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng)。,1900年，普朗克從物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)理論中借用不連續(xù)性的概念，提出了輻射的量子論。他認(rèn)為各種頻率的電磁波，包括光，只能以各自確定分量的能量從振子射出，這種能量微粒稱為量子，光的量子稱為光子。,1905年，愛因斯坦運(yùn)用量子論解釋了光電效應(yīng)。他給光子作了十分明確的表示，特別指出光與物質(zhì)相互作用時，光也是以光子為最小單位進(jìn)行的。,光學(xué)的發(fā)展簡介：,5、現(xiàn)代光學(xué)時期,從20世紀(jì)中葉起，隨著新技術(shù)的出現(xiàn)，新的理論也不斷發(fā)展，已逐步形成了許多新的分支學(xué)科或邊淵學(xué)科，光學(xué)的應(yīng)用十分廣泛。幾何光學(xué)本來就是為設(shè)計各種光學(xué)儀器而發(fā)展起來的專門學(xué)科，隨著科學(xué)技術(shù)的

6、進(jìn)步，物理光學(xué)也越來越顯示出它的威力，例如光的干涉目前仍是精密測量中無可替代的手段，衍射光柵則是重要的分光儀器，光譜在人類認(rèn)識物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)(如原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)等)方面曾起了關(guān)鍵性的作用，人們把數(shù)學(xué)、信息論與光的衍射結(jié)合起來，發(fā)展起一門新的學(xué)科傅里葉光學(xué)，把它應(yīng)用到信息處理、像質(zhì)評價、光學(xué)計算等技術(shù)中去。特別是激光的發(fā)明，可以說是光學(xué)發(fā)展史上的一個革命性的里程碑，由于激光具有強(qiáng)度大、單色性好、方向性強(qiáng)等一系列獨特的性能，自從它問世以來，很快被運(yùn)用到材料加工、精密測量、通訊、測距、全息檢測、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等極為廣泛的技術(shù)領(lǐng)域，取得了優(yōu)異的成績。此外，激光還為同位素分離、儲化，信息處理、受控核聚變、

7、以及軍事上的應(yīng)用，展現(xiàn)了光輝的前景。,5.1光的干涉,一、雙縫干涉,雙縫干涉實驗證明光是一種波,1、裝置特點：,2、,屏上形成的明暗相間條紋叫做干涉圖樣,2）雙縫很近 0.1mm,1）雙縫S1、S2到單縫S的距離相等,雙縫的作用是獲得兩個振動情況完全相同的光源，叫相干光源(頻率相同),雙縫的作用：,單縫的作用：,獲得線光源,第二條亮紋,第一條亮紋,第一條亮紋,第二條亮紋,白光的干涉圖樣,明暗相間的彩色條紋； 中央為白色亮條紋； 干涉條紋是以中央亮紋為對稱點排列的； 在每條彩色亮紋中紅光總是在外側(cè)，紫光在內(nèi)側(cè)。,單色激光束,屏,等間距,雙縫干涉圖樣,圖樣有何特征？,S1,S2,亮條紋的中心線,亮

8、條紋的中心線,雙縫,中央亮條紋,明暗相間,亮條紋,亮條紋,探究： 出現(xiàn)明暗相間條紋的條件,S1,S2,光程差：,出現(xiàn)亮條紋的條件,（ n=0，1，2，3）,暗條紋,探究： 出現(xiàn)暗條紋的條件,S1,S2,光程差：,出現(xiàn)暗條紋的條件,（ n=0，1，2，3）,亮條紋,暗條紋,小結(jié)：出現(xiàn)亮條紋和暗條紋的條件,（ n=0，1，2，3）,（ n=0，1，2，3）,白光的干涉圖樣,明暗相間的彩色條紋； 中央為白色亮條紋； 干涉條紋是以中央亮紋為對稱點排列的； 在每條彩色亮紋中紅光總是在外側(cè)，紫光在內(nèi)側(cè)。,為什么會是這樣的呢？,條紋間距x、縫寬d和縫屏距離L的關(guān)系：,P85發(fā)展空間,因為，由結(jié)論可知：各種色

9、光的波長不相同，由不同的色光作光源，在雙縫寬度和縫、屏寬度相同的情況下，形成的干涉圖樣的條紋間距是各不相同的，紅光的條紋間距最寬，紫光的最窄。,條紋間距x、縫寬d和縫屏距離L的關(guān)系：,二、薄膜干涉,單色光成單色條紋；復(fù)色光成彩色條紋,二、薄膜干涉,形成干涉圖樣的原因是：重力作用下，薄膜的厚度隨高度變化，當(dāng)入射光射到肥皂泡液薄膜上時，由液膜前的兩個表面反射回來的兩列光是相干光，相互疊加產(chǎn)生干涉。,三、應(yīng)用,1、干涉法檢查平面的平整度,視頻：干涉的應(yīng)用,牛頓環(huán),楔性空氣薄層,標(biāo)準(zhǔn)樣板,被檢測平面,光在空氣層的上下表面發(fā)生反射,這兩束反射光發(fā)生干涉.,如果被檢測表面的平整的,將看到與底線平行的干涉條

10、紋.,原因是厚度相等的地方，光程差一樣、干涉情況一樣，即某一處反射回來的兩列波疊加，若光振動加強(qiáng)，產(chǎn)生亮點，那些與這處厚度相等的地方都是亮點，這些亮點組成彼此平行的亮紋,反之是暗紋,三、應(yīng)用,1、干涉法檢查平面的平整度,例、如圖所示，是用干涉法檢查某厚玻璃的上表面是否平整的裝置，所用單色光做光源，檢查中所觀察到的干涉條紋是由下列兩個表面反射的光線疊加而成的？ A、a的上表面和b的下表面 B、a的上表面和b的上表面 C、a的下表面和b的上表面 D、 a的下表面和b的下表面,C,練習(xí)：如右圖是用干涉法檢查某種厚玻璃的上表面是否平的裝置，所用單色光是用普通光源加濾光片產(chǎn)生的，檢查中所觀察到的干涉條紋

11、是由哪兩個表面反射的光疊加而成的( )Aa的上表面和b的下表面 Ba的上表面和b的上表面Ca的下表面和b的上表面Da的下表面和b的下表面,三、應(yīng)用,2、增透膜,在鏡頭前面涂上一層增透膜(一般是,微溶于水),如果膜的厚度等于某單色光在增透膜中波長的四分之一時,那么在這層膜的兩側(cè)反射回去的光就會發(fā)生干涉，形成暗條紋,從而相互抵消,你在鏡頭前將看不到一點反光，因為根據(jù)能量守恒，這束光已經(jīng)全部穿過鏡頭了。 為什么我們從來沒有看到?jīng)]有反光的鏡頭? 原因很簡單，因為可見光有七種顏色，而膜的厚度是唯一的，所以只能照顧到一種顏色的光讓它完全進(jìn)入鏡頭。 一般情況下都是讓綠光全部進(jìn)入的，這種情況下，你在可見光中看

12、到的鏡頭反光其顏色就是紅色、藍(lán)紫色，因為這反射光中已經(jīng)沒有了綠光。 膜的厚度也可以根據(jù)鏡頭的色彩特性來決定。 可見增透膜的作用是減少反射光的強(qiáng)度，從而增加透射光的強(qiáng)度，使光學(xué)系統(tǒng)成像更清晰。,鍍層薄膜,三、應(yīng)用,3、反射膜,反射膜一般可分為兩大類，一類是金屬反射膜，一類是全電介質(zhì)反射膜。此外，還有把兩者結(jié)合起來的金屬電介質(zhì)反射膜。 金屬反射膜的優(yōu)點是制備工藝簡單，工作的波長范圍寬；缺點是光損大，反射率不可能很高。為了使金屬反射膜的反射率進(jìn)一步提高，可以在膜的外側(cè)加鍍幾層一定厚度的電介質(zhì)層，組成金屬電介質(zhì)反射膜。需要指出的是，金屬電介質(zhì)射膜增加了某一波長（或者某一波區(qū)）的反射率，卻破壞了金屬膜中性反射的特點。 全電介質(zhì)反射膜是建立在多光束干涉基礎(chǔ)上的。與增透膜相反，在光學(xué)表面上鍍一層折射率高于基體材料的薄膜，就可以增加光學(xué)表面的反射率。最簡單的多層反射是由高、低折射率的二種材料交替蒸鍍而成的,每層膜的光學(xué)厚度為某一波長的四分一。在這種條件下，參加疊加的各界面上的反射光矢量，振動方向相同。合成振幅隨著薄膜層數(shù)的增加而增加。,太陽灶用反射膜,練習(xí)：有關(guān)光學(xué)儀器上鏡頭的增透膜，下列說法正確的是：A增透膜是為了減少光的反射損失而增強(qiáng)透光的強(qiáng)度；B增透膜的厚度等