1、,光學(xué)是物理學(xué)中最早發(fā)展起來的學(xué)科之一。關(guān)于光的本性，在十七世紀末，惠更斯建立了光的波動說；到十九世紀，以許多新的實驗事實為依據(jù)，揚，菲涅爾等才真正確定了光的波動論。麥克斯韋的電磁理論及赫茲的實驗，確立了光是電磁波。波的一般性質(zhì)和電磁波的性質(zhì)都適合于光。,第十四章 波 動 光 學(xué),光學(xué)美,第一節(jié) 單色光 雙縫干涉 光程 光程差,在光波中，產(chǎn)生感光作用和生理作用的是電場強度 ，因此我們常將 稱為光矢量， 的振動稱為光振動。在以后的討論中，將以 振動為主。,光振動與光矢量,028,演示,光的雙縫干涉,明，暗條紋的分布規(guī)律,幕,根據(jù)波的干涉理論，當(dāng),會計算某級的彩帶的寬度。,三 光程 光程差,二波的

2、波動方程,例 142 如圖所示。,光程差,光程差,處點移過的明紋數(shù)為七條。,題,例 144 求單色平面波在幕中央光程差和位相差。,若在上縫處加一塊透明介質(zhì),第二節(jié) 薄膜干涉,油膜,從劈尖的上下二表面上反射的二光 來自同一光，二者頻率相同，振動方向相同，在相遇點處有固定的位相差，故為相干光。二光在劈尖的上表面附近相遇，形成干涉花樣。,沿著入射光的方向看去，看到在上表面附近形成明，暗相間的干涉直條紋。,單色光波長，劈尖角，薄膜折射率和相鄰明暗紋間距的關(guān)系式,則,解：,討論 光程差的變化引起干涉條紋的移動。以劈尖為例。,三 牛頓環(huán),實驗裝置,空氣劈尖,劈尖的上下表面的反射光形成干涉。,暗環(huán),明暗環(huán)的

3、分布規(guī)律,膜厚,平凸透鏡的 曲率半徑,幾何條件,代入光程差公式,光的干涉現(xiàn)象,相干光,鍍層膜,2 應(yīng)用,題,題,干涉特點綜述：可用八個字來表示“一分為二，合二而一”。實際上，利用普通光源獲得相干光的基本原理是，把由光源上同一點發(fā)的光設(shè)法分成兩部分，然后，使這兩部分通過不同的光程再相遇而進行同方向，同頻率的光振動的疊加。由于這兩部分光實際上同一發(fā)光原子的同一次發(fā)光 ，所以，它們是滿足相干條件的相干光。,第 三 節(jié) 光的相干性,一 問題的提出,二 時間的相干性,* 解釋：相干長度對干涉的影響。,二 空間的相干性,光源的線度對干涉的影響,各處光強相同，干涉條紋消失,經(jīng)證明，產(chǎn)生干涉的條件為,一 光的

4、衍射現(xiàn)象,光通過狹縫時，改變方向，為光的衍射現(xiàn)象,二 惠更斯-菲涅耳原理,3 實驗結(jié)果的理論解釋-菲涅爾半波帶法,衍射條紋的半波帶解釋,來自不同的子波源但傳播方向相同的光經(jīng)透鏡匯聚在幕（焦平面）上的某區(qū)域處，它們相干涉的結(jié)果，因不同處合振動的振幅不同而使幕上不同點呈現(xiàn)不同的亮度。,（1）中央明紋的形成機理,討論傳播方向不變的一組光：,原因：等光程性。由狹縫處的不同子波源發(fā)出的光波，到主焦點處的幾何路程不同，但光程相同（證明略）。,（2）其它明，暗紋的形成機理,*解釋等光程性。,不難看出，由 發(fā)出的光與由 發(fā)出的光在 點處的光程差為 ，而由 發(fā)出的光與由 發(fā)出的光在 點的光程差為 ，二者在 相消

5、；而由 點下方某點發(fā)出的光與由 點下方的對稱點發(fā)出的光在 點的光程差為 ，二者在 處相消。結(jié)果，AD內(nèi) 的子波源與DB內(nèi)的對應(yīng)子波源發(fā)出的光在 點相消，因而， 為暗紋。,被稱為菲涅爾半波帶。,考慮更傾斜的一組衍射光線。,按以上的物理思想，相鄰的半波帶在幕上的相遇點 必相消，結(jié)果，還剩下一個半波帶，在 點形成了明紋。,明紋（奇數(shù)個菲涅爾半波帶）,結(jié)論：不難想象，對于某一方向的衍射光線，若單縫處的波面恰被分成偶數(shù)個菲涅爾半波帶，此方向上的的衍射形成暗紋；對另一方向的衍射光線，若單縫處的波面恰被分成奇數(shù)個菲涅爾半波帶，相鄰半波帶相互抵消，還余下一半波帶，故為明紋形成。,四 夫瑯和費單縫衍射的光強分布

6、,書中106-108頁的詳細討論不考慮，不要求。,例 1410 用波長為 的單色平行光垂直入射于寬度為 的單縫上，透鏡焦距為 ，求第三級暗紋在屏幕上的位置。,除了以上的單縫衍射外，還有圓孔衍射，單絲衍射等，基本的物理思想相同。在此，僅簡介圓孔衍射（詳細內(nèi)容看理科光學(xué)教材）。,題,六 圓孔衍射,七 光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng),光學(xué)儀器如照相機，幻燈機，以及人的眼睛等都可簡化視為一帶透鏡的圓孔，按光的衍射理論，存在衍射現(xiàn)象。下面簡單地討論一下衍射對光學(xué)儀器成像的影響。,張角大時能分辯,光學(xué)儀器的分辯本領(lǐng),1990年發(fā)射的哈勃太空望遠鏡,普通光學(xué)顯微鏡，若 ，最小分辨距離為 ，最大放大倍數(shù)為2000。,第四

7、節(jié) 衍射光柵,問題的提出：由單縫衍射的不足之處講起。,一 光柵結(jié)構(gòu),大量等寬等間距的平行狹縫所組成的光學(xué)器件。,* 第一個制做光柵的是美國人雷登奧斯（1785），他透過一塊絲手帕看到了非常飄亮的燈光而受的啟發(fā)。但在光柵的原理和制作上貢獻最大的是夫瑯和費，當(dāng)初用金屬絲排列而成。,二 光柵公式,三 分析與討論,1 缺級,事實上，光柵的各個單縫均存在衍射，因而，光柵縫間的干涉是在各縫衍射的基礎(chǔ)上進行的。若在某一衍射方向上，按光柵公式應(yīng)為明紋，而該方向上又恰為單縫衍射的暗紋。則此明紋不存在，稱為光柵缺級。,4 主極大和次極大,入射能量集中在若干條明紋上，為寬的暗區(qū)隔開，故條紋明亮細銳。,光柵光譜,次最

8、大,返回,缺級,光柵,級中的某一波長的光與 級中的某一波長光在同一衍射方向上。重級,四 斜入射,在光柵中，每一縫處為一波陣面，存在許多子波源，因而有單縫衍射的物理過程；同時，有縫間的干涉過程。確切的說，即在幕上的一點處，有由縫處自身的許多子波引起的光矢量的疊加，來自同一個縫的各子波光波在幕上一點形成一個合光振動，其振幅與衍射角有關(guān)。同時，各縫的合光矢量再疊加，即為光的干涉，故光柵的圖樣是縫自身的衍射與縫間的干涉總效果。為簡化問題起見，把縫處的各子波源視為了一個理想的波源，向場區(qū)內(nèi)的各個方向輻射振幅（光強）相同的平面波。,* 光柵的應(yīng)用,5 實際工作中，常用反射式光柵,例 1413 用每毫米有3

9、00條刻痕的衍射光柵來檢驗僅含有紅和藍的兩種單色成分的光譜，已知紅譜線的波長 在0.63-0.76 之間，藍譜線波長 在0.43-0.49 之間。當(dāng)光垂直入射時，發(fā)現(xiàn)在 角度處，紅藍兩譜線同時出現(xiàn)。,1 如果還有的話，在什么角度下還會出現(xiàn)這種復(fù)合譜線？2 在什么角度下只有紅譜線出現(xiàn)？,題,第五節(jié) X射線的晶體衍射,X射線是波長很短的電磁波。波長在1埃左右。要觀察其波的特征，如干涉或繞射，需要縫寬與波長相近方可。因此，用晶體來完成，晶格常數(shù)與波長相近。,1912年，勞厄首先指出，X光可以在晶體上衍射并完成了侖琴射線的晶體衍射實驗。,布喇格父子最早得出X射線在晶體上的衍射公式，并做出了解釋。,科學(xué)

10、家 侖琴,科學(xué)家 M.勞厄,1879-1960,發(fā)現(xiàn)X射線在晶體內(nèi)的衍射獲1914年諾貝爾獎。,（德）,原子晶格,鏡面反射相互加強,似斜入射光柵的衍射光線,用 射線測定的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu),全息照象的記錄過程是物光和參考光在底片上干涉的結(jié)果。,一 自然光 偏振光,第六節(jié) 自然光 偏振光,1 自然光（Natural light）的特征,自然光的內(nèi)部結(jié)構(gòu),2 偏振光（Polarized Light）的特征,二 偏振光的獲得（方法之一）,由偏振片獲得偏振光的圖示法,結(jié)論：當(dāng)光強為 自然光入射到偏振片上時，透射光是完全偏振光。由偏振片透射的光強僅是入射光強的一半；繞光線轉(zhuǎn)動偏振片，透射的光強不變。繞光線

11、轉(zhuǎn)動偏振片，透射的光的振動方向也變化，保持與偏振化方向平行。,1869年由法國物理學(xué)家馬呂斯提出； 當(dāng)完全線偏振光入射到偏振片時，光的振動方向和偏振化方向的夾角不同，出射的偏振光的光強不同。,第七節(jié) 馬呂斯定律,如何的計算,例 1416 三個偏振片疊加在一起，第一個與第三個片的偏振化方向垂直，它們與第二個片的夾角為 ，一束自然光垂直入射在第一個片上，求 1 第二片的出射光強與第一片上的入射光強之比， 2 第三片的出射光強與第一片上的入射光強之比。,例 14 16 一部分偏振光（由自然光與偏振光組成）入射到一偏振片上，如圖。當(dāng)偏振片的出射光由對應(yīng)最大亮度位置轉(zhuǎn)過 時，光束亮度減小一半，求入射的部

12、分偏振光中自然光與偏振光的強度之比。,題,布儒斯特定律,用玻璃堆獲的偏振光,第九節(jié) 雙折射,該方向上二者 的速度相同,該方向上二者 的速度相同,在光軸的方向上， 光和 光的速度相同，故折射率相同。而在與光軸的垂直方向上，二者速度相差最大，在該方向上的 的折射率為其主折射率。,三 用惠更斯原理解釋雙折射（以方解石為例）,1 晶體的光軸垂直晶面，平面波垂直入射,不產(chǎn)生雙折射,2 晶體的光軸平行晶面，平面波垂直入射,傳播方向不變，但傳播速度不同。,3 晶體的光軸斜交晶面，平面波斜入射,產(chǎn)生雙折射。,4 晶體的光軸斜交晶面，平面波垂直入射,產(chǎn)生雙折射。,四 尼可耳棱鏡(1828年首制),為一起偏或檢偏

13、光學(xué)器件，原理如下：,解釋全反射,解：對第一個棱鏡中的O光對第二個棱鏡為其e光；而e光為O光。對O光向e光的轉(zhuǎn)化，因 ，相當(dāng)于光由光密介質(zhì)向光疏介質(zhì)折射。則棱鏡二中的e光有大的折射角；,而另一束光是由相當(dāng)于光由光疏介質(zhì)向光密介質(zhì)折射。則棱鏡二中的O光有小的折射角。,O和e光的方向相同 但速度不同。,第十節(jié) 偏振光的干涉,原理示意圖：關(guān)鍵是如何從線偏振光中獲取頻率相同，振動方向相同，有固定相差的相干光。,分析圖,二者同方向 同頻率,光彈性效應(yīng)：非晶體透明物質(zhì)，如玻璃，賽路珞塑料，環(huán)氧樹脂等當(dāng)存在內(nèi)應(yīng)力時，成為各向異性晶體，當(dāng)偏振光照射時，形成干涉條紋。下圖為在白光的偏光下觀察到的干涉條紋。通過對條紋的分析，了解內(nèi)部應(yīng)力的分布，稱為光彈法。,第十一節(jié) 圓或橢圓偏光 四分之一波片 二分之一波片,一 圓或橢圓偏光 四分之一波片,使線偏光變成圓或橢圓偏光時的晶片厚度,* 如何區(qū)分自然光，完全線偏振光和橢圓偏光 。,二 二分之一波片 線偏光,設(shè)想一與光線 垂直的一平面,線偏振光，振動的方向改變了。,光彈性效應(yīng)：非晶體透明物質(zhì)，如玻璃，賽路珞朔料，環(huán)氧樹脂等當(dāng)存在內(nèi)應(yīng)力時，成為各向異性晶體，當(dāng)偏振光