大学物理波动光学ppt课件.ppt
《大学物理波动光学ppt课件.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《大学物理波动光学ppt课件.ppt(153页珍藏版)》请在三一办公上搜索。
1、以光的波动性质为基础,研究光的传播及规律。,以光的粒子性为基础,研究光与物质相互作用的规律。,光学,以光的直线传播为基础,研究光在透明介质中的传播规律。,研究光的本性、光的传播和光与物质相互作用等规律的学科。,光学:,前 言,1621年荷兰科学家菲涅耳(W. snell, 15801626)从实验归纳出反射定律、折射定律,在此基础上诞生了几何光学。,早在我国先秦时代(公元前400382年),墨经中就详细论述了光的直线传播、光的反射以及平面镜、凹面镜和凸面镜的成像规律。而在之后约一百年,古希腊的欧几里德也专门著书光学,对人眼为何能看到物体、光的反射性质、球面镜焦点等问题进行了探讨。,光学发展史,
2、一、几何光学时期,光是什么?,二、光的微粒说和波动说,1668年英国科学家牛顿(Newton)提出光的微粒说, 1678年荷兰物理学家惠更斯(Huygens)提出光的波动说。两种学说的争论持续了几个世纪,起初微粒说占优,到19世纪初,人们对光本质的认识逐渐趋向于波动说。下表例举了几个世纪以来两种学说的拥护者,以及它们刚被提出时的出发点和存在的问题:,牛顿(Newton),光是一种粒子!,光是一种波!,惠更斯(Huygens),微粒说,支持者,波动说,牛顿(Newton)毕奥(Biot)拉普拉斯(Laplace)泊松(Poission)马吕斯(Malus),胡克(Hooke)惠更斯(Huygen
3、s)托马斯杨(T.Young)夫琅和费(Fraunhofer)菲涅耳(Fresnel)傅科(Foucault),能够解释/无法解释(刚提出时),光的直线传播光的反射光的折射光在折射率大的介质中传播速率小光的干涉,光的直线传播光的反射光的折射光在折射率大的介质中传播速率小【该结论于1862年 被傅科实验所证实】,对光的波动说给予有力支持的几个实验: 1、 1801年托马斯 杨(Thomas Young)完成了著名的“杨氏”实验,并提出了干涉原理; 2、 1809年,马吕斯(Malus)发现了光的横波性;(尽管马吕斯当时认为他的发现是对波动说有力的驳斥) 3、 1815年,菲涅耳(Fresnel)
4、综合了惠更斯子波假设和杨氏干涉原理,用次波干涉理论成功地解释了光的直线传播规律,并且定量地说明了光的衍射图样光强分布规律(如泊松亮斑)。,赫兹(Hertz ),麦克斯韦(Maxwell ),1860年,麦克斯韦总结出麦克斯韦方程组,得出电磁波在真空中传播的速度等于光速 c ,从而预言光是一种电磁波。1888年赫兹用实验证实了麦克斯韦的预言。,通过大量实践可知,红外线、紫外线和X 射线等都是电磁波,它们的区别仅是频率(波长)不同而已,从而使光的波动理论成为电磁理论的一部分。,三、光的电磁学说,光是一种电磁波。,你的预言是对的!,四、量子光学时期,19世纪末到20世纪初,光学的研究深入到光的发生、
5、光和物质的相互作用的微观结构中。一些新的实验,如热辐射、光电效应和康普顿效应等,用经典电磁波理论都无法解释。,1900年普朗克提出辐射能量的量子化理论,成功地解释了黑体辐射问题。1905年爱因斯坦提出光量子理论,圆满地解释了光电效应。爱因斯坦的结论于1923年被康普顿的散射实验所证实。,普朗克(Planck),爱因斯坦(Einstein),康普顿(Compton),从光学发展史可以看出,光的干涉、衍射、偏振等现象证实了光的波动性,而黑体辐射、光电效应和康普顿效应等又证实了光的微粒性,光具有“波粒二相性”(Wave-particle duality)。光在传播的过程中主要表现出波动性,而在与物质
6、相互作用时主要表现出微粒性。,本章只讨论光的波动性。即主要研究光的干涉、衍射、偏振等问题。,第12章 波动光学基础,12.1 光的相干性,12.2 分波面干涉,12.3 分振幅干涉,12.4 惠更斯菲涅耳原理,12.5 单缝的夫琅禾费衍射,12.6 圆孔的夫琅禾费衍射,12.7 衍射光栅及光栅光谱,12.8 X射线衍射,12.9 光的偏振,本章内容:,电磁波的产生:,一、光是电磁波,12.1 光的相干性,凡做加速运动的电荷都是电磁波的波源,例如:天线中的振荡电流;,分子或原子中电荷的振动,电磁波的描述:,平面简谐光波方程:,光波的速度:,光的反射和折射:,真空中,介质的折射率,光 强:,光波的
7、平均能流密度称为光强,二、光源:,普通光源的发光机理:,间歇性:,独立性:,原子、分子发光彼此独立、随机,原子或分子每次发光是间歇的,持续时间,非相干(不同原子发的光),非相干(同一原子先后发的光),.,.,自发辐射,凡能发光的物体称为光源。,按照激发方式的不同,普通光源的发光过程有以下几种:,热辐射:,任何物体都向外辐射电磁波,当物体温度偏低时,辐射的主要是红外线,当温度比较高时,可以发射出可见光,温度更高时会发射紫外线等,这就是热能转化为光能的过程。,电致发光:,对光源物质采用电激发,使电能直接转化为光能的过程称为电致发光。,如:太阳、白炽灯、烧红的铁棒等。,如:闪电、霓虹灯、发光二极管等
8、的发光。,化学发光:,由化学反应而引起的发光过程称为化学发光。,光致发光:,对光源物质采用光激发而引起的发光过程称为光致发光。,如:日光灯(Hg蒸汽被击穿导电后发出紫外线,紫外线 激发管壁上的荧光粉发射可见光); 夜光表(表针或表盘上的磷光物质被光线照射时吸 收光能后,能够在一段时间内持续发光)。,如:物质的燃烧过程;萤火虫的发光是生物发光。,发光真菌,白天,夜晚,可见光的七彩颜色,660,610,570,540,480,460,430,led发光二极管,三灯发光棒,一种新型LED霓虹灯面世,物理之光,受激辐射,光波的相位、频率、振动方向以及传播方向都和原来的入射光相同,即它们具有相干性。,激
9、光光源的发光机理:,激光单色性好、相干性好、亮度高和方向性好,只含单一波长的光,称为单色光。然而,严格的单色光在实际中是不存在的,一般光源的发光是由大量分子或原子在同一时刻发出的,它包含了各种不同的波长成分,称为复色光.,谱线及其宽度,如果光波中包含波长范围很窄的成分,则这种光称为准单色光,也就是通常所说的单色光。波长范围 越窄,其单色性越好.,相干光:,频率相同、振动方向相同、相位差恒定的光,获得相干光的方法:,分波阵面法:,利用反射、折射把某振幅分成两部分,再使它们相遇从而产生干涉现象的方法(薄膜干涉),在光源发出的某一波阵面上,取出两部分面元作为相干光源的方法(杨氏实验),分振幅法:,三
10、、光的相干性:,四、光程与光程差,问题引出:,初相位相同的两列相干光波,在真空中传播时的相位差为,然而,当光在不同介质中传播时,同一束光在不同介质中的波长不同,那么如何计算相位差 呢?,频率为 的单色光在真空中传播速度为 ,波长为 ; 在介质 中,波速为 ,波长为,真空中光波长,改变相同相位的条件下,光程的定义:,光程是一个折合量,在改变相同相位的条件下,把光在介质中传播的路程 折合为光在真空中传播的相应路程,光程差:,多种介质的光程:,相长干涉,相消干涉,光程差与相位差,相长干涉,相消干涉,即,透镜不引起附加光程差,各光线经透镜后光程的变化相等,F,焦平面,F,焦平面,(1) 折射定律:,(
11、2),例,求,(1) 折射角1为多少?(2) 此单色光在该介质里的频率、速度和波长各为多少?(3) S到C的几何路程和光程分别为多少?,解,光源为 的单色光,自空气射入n=1.23的透明介质,再射入空气。已知d=1.0cm,入射角 ,且SA=BC=5.0cm,(3),S到C的光程,几何路程为,英国物理学家、医生和考古学家,光的波动说的奠基人之一。医学:1793年发现了眼睛晶状体的聚焦作用;波动光学:1801年的杨氏双缝干涉实验,首次引 入 “干涉”概念论证了光的波动说,并解释了牛顿环的成因及薄膜的彩色,1817年提出光是横波 ;生理光学:第一个测定了7种颜色光的波长;从生理角度说明了人眼的色盲
12、现象,提出了三原色理论; 材料力学:杨氏弹性模量;考古学:破译古埃及石碑上的文字。,1、杨氏简介,12.2 分波振面干涉,一、杨氏双缝干涉,Thomas Young (1773 1829),明条纹位置,明条纹位置,明条纹位置,2、实验现象,为了观察到较清晰的干涉图样,实验装置应该满足:,(1)S 、S1 、S2 的宽度应足够窄,约在102 mm 数量级,此时它们可近似看成线光源; (2)S1 、S2 间距较小,约为0.1 1 mm ;而且它们与S 的距离相等;(3)光屏 M与双缝S1 、S2 间距较大,约为1 m ;(4)光源的单色性较好。,光强极小,(光强极大位置),光强极大,(光强极小位置
13、),理论分析,P,S,(1) 屏上相邻明条纹中心或相邻暗条纹中心间距为,一系列平行的明暗相间条纹,(4) 当用白光作为光源时,在零级白色中央条纹两边对称地排列着几条彩色条纹,光强分布,讨论,(2) 已知 d , D 及x,可测,(3) x 正比 , D ; 反比 d,(1) 明纹间距分别为,(2) 双缝间距 d 为,双缝干涉实验中,用钠光灯作单色光源,其波长为589.3 nm,屏与双缝的距离 D=600 mm,例,求,(1) d =1.0 mm 和 d =10 mm,两种情况相邻明纹间距分别为多大?(2) 若相邻条纹的最小分辨距离为 0.065 mm,能分清干涉条纹的双缝间距 d 最大是多少?
14、,解,杨氏双缝实验中 d =0.5mm ,屏幕与缝相距25 cm 。已知光源是由波长 400 nm 和 600 nm 的两种单色光组成。,解,求,例,距中央明条纹多远处,两种光源的明条纹第一次重叠? 各为第几级?,对于紫光,第 k1 级干涉明纹距中央明纹,对于黄光,第 k2 级干涉明纹距中央明纹,如果它们重合,则,、,明纹第一次重叠时,例,解,估算从第几级开始,条纹将变得无法分辨?,求,设该蓝绿光的波长范围为 ,则按题意有,在杨氏双缝实验装置中,采用加有蓝绿色滤光片的白光光源,其波长范围为 ,平均波长为490nm,若 的第k + 1 级条纹位置小于 的第k级条纹位置,即 , 则条纹变模糊。,所
15、以,从第5级开始,干涉条纹变得无法分辨。,用折射率 n =1.58 的很薄的云母片覆盖在双缝实验中的一条缝上,这时屏上的第七级亮条纹移到原来的零级亮条纹的位置上。如果入射光波长为 550 nm。,无云母片时,零级亮纹在屏上P点,加上云母片后,到达P点的两光束的光程差为,当 P 点为第七级明纹位置时,例,求,此云母片的厚度是多少?,解,设云母片厚度为d 。,二、洛埃镜,(洛埃镜实验结果与杨氏双缝干涉相似),屏幕与镜的N 端接触处, 屏上O 点出现暗条纹,半波损失:,?,光从光疏介质入射到光密介质,再反射回光疏介质时,反射光在界面上相位突变了,相当于光程损失(或附加)了半个波长。通常把这种相位突变
16、的现象叫做“半波损失”。,透射波没有“半波损失”,规律:若三种介质的折射率分别为 并如图排列,如果两束光线都没有半波损失,或者都有半波损失,或者其中一束有偶数次半波损失,则光程差不附加,两束光线,经过不同光程后叠加,如果只有一束光线在传播过程中有半波损失,则光程差应附加 ;,否则必须考虑“半波损失”,即,1,3,2,d,反射光线 2,3的光程差不考虑“半波损失”,即:,日常生活中的一些现象,12.3 分振幅干涉,d,反射光线 2,3的光程差:,1、薄膜上、下表面反射光的干涉:,反射光2和3有“半波损失”吗,?,所以2,3的实际光程差为:,反射光2有“半波损失”,3没有!,空气,一、薄膜干涉,(
17、分振幅法获取相干光),考虑到“半波损失”,干涉明纹,干涉暗纹,等厚干涉:,当入射光的波长一定时,厚度相同的地方干涉结果也相同,这种干涉称为等厚干涉。,膜为何要薄?,光的相干长度所限。膜的薄、厚是相对的,与光的单色性好坏有关。,反射光的干涉加强时,透射光的干涉减弱。,2、薄膜中透射光的干涉:,d,透射光线 2,3的光程差,明纹,暗纹,与 相差 ,即:,空气,例,求,解,一油轮漏出的油(n1 =1.20 )污染了某海域,在海水(n2 =1.30 )表面形成一层薄薄的油污。油层厚度为 e =460nm,,(1)若一飞行员从上向下观察, 则油层呈什么颜色?,(2)若某潜水员从水下向上观察,则油层呈什么
18、颜色?,(1)两反射光均有“半波损失”,则反射光干涉加强的条件为,飞行员看到油膜呈绿色,将n1 =1.20 , e =460nm代入得,绿光,红外区,紫外区,(2)透射光干涉加强(即反射光干涉减弱)的条件为,潜水员看到油膜呈紫红色,将n1 =1.20 , e =460nm代入得,红光,红外,紫光,或,紫外,d,波长550nm黄绿光对人眼和照像底片最敏感。要使照像机对此波长反射小,可在照像机镜头上镀一层氟化镁MgF2薄膜,已知氟化镁的折射率n1=1.38,玻璃的折射率n2=1.55。,黄绿光反射干涉减弱的条件,MgF2薄膜的最小厚度,例,求,解,MgF2薄膜的最小厚度d。,MgF2,思考问题,1
19、、薄膜干涉图样与膜的厚度变化有何关系?,4、某电影上的搞笑镜头:一青年去见其女朋友,在约 会的餐厅外对着玻璃排练见面时的表情,没想到这 种玻璃是外面看不见里面、里面看外面清清楚楚, 他女朋友正巧坐在餐厅里这块玻璃前,将他的千姿 百态尽收眼底 试解释其中的物理原理。,2、利用薄膜干涉能否检查工件表面是否平整,为什么?,3、利用所学知识,推测市场上防紫外线衣服、伞、眼镜 等的设计原理?,二、薄膜的等厚干涉,一组平行光(即入射角i一定)投射到薄厚不均匀的薄膜上,其光程差随着厚度e而变化,厚度相同的区域,其光程差相同,因而这些区域就出现同一级的干涉条纹,故称为等厚干涉。,S,S,S,1、劈尖干涉,e,
20、明纹,暗纹,棱边处( e = 0):,暗纹,为什么不考虑玻璃厚度对光程差的影响,?,因为玻璃板的厚度d为常数,入射角i也等于常数,使得劈尖上、下两界面的反射光在玻璃中经历了同样的光程,所以可以将玻璃简化为一个几何面。,相邻明纹(或暗纹)处劈尖的厚度差:,( :条纹间距),条纹特点:,(2)透射光干涉条纹的明暗位置与反射光情形刚好相反;,(1)明暗相间平行于棱边的直条纹;,(3)相邻明(暗)纹厚度差是劈尖薄膜中的波长的一半;,(4)相邻条纹之间对应的劈尖厚度差或间距l均与有无半 波损失无关,半波损失仅影响何处呈明纹与暗纹。,(5) 越小,L 越大,条纹越稀; 越大,L 越小, 条纹越密。当大到某
21、一值,条纹密不可分,无干涉。,(6)当厚度变化时,干涉条纹会发生移动:薄膜增厚,条 纹向棱边移动;反之,则远离棱边。,(2) 检测表面不平整度,(1)可测量小角度、小位移、微小直径、波长等,劈尖干涉的应用:, 条纹变密;, 条纹变密,2、牛顿环,(1)牛顿环实验装置及光路,明环半径:,暗环半径:,(2)干涉条纹,牛顿环干涉条纹是一系列明暗相间的、内疏外密的同心圆环。, 测透镜球面的半径R 已知 , 测 m、rk+m、rk,可得R, 测波长 已知R ,测出m、rk+m、rk,可得, 检测透镜的曲率半径误差及其表面平整度, 若接触良好,中央为暗纹 半波损失,(3)应用, 透射图样与反射图样互补,例
22、,求,解,在两块玻璃片之间一边放一条厚纸,另一边相互压紧,沿垂直于玻璃片表面的方向看去,看到相邻两条暗条纹间距为1.4mm已知玻璃片长为17.9cm,纸厚为0.036mm。,光波的波长。,两块玻璃之间为空气劈尖,其相邻两条暗条纹间距为,由于很小,例,求,解,为了测量一根细金属丝的直径d,按图办法形成空气劈尖,用单色光照射形成等厚干涉条纹,用读数显微镜测出干涉明条纹的间距,就可以算出d。已知:单色光波长为589.3 nm,金属丝与劈尖顶点的距离L=28.880 mm,第1条明条纹到第31条明条纹的距离为4.295 mm。,由题知,直径,金属丝直径 d,利用等厚干涉可以测量微小的角度。下图为折射率
23、n=1.4的劈尖形介质,用 =700nm的单色光垂直照射,测得两相邻明条纹间距l=0.25cm,由于很小,例,求,解,劈尖角,用紫光观察牛顿环时,测得第k级和k+5级暗环的半径分别为,紫光的波长和级数k。,所用透镜的曲率半径,暗环的半径,例,求,解,(1)牛顿环明环半径公式,例,求,解,在牛顿环实验中,透镜的曲率半径为5.0 m,直径为2.0 cm.,(1)用波长5 893 的单色光垂直照射时,可看到多少条干涉条纹?(2)若在空气层中充以折射率为n的液体,可看到46条明条纹,求液体的折射率(玻璃的折射率为1.50).,可见条纹级次越高,条纹半径越大,由上式得,可看到34条明条纹。,(2)若在空
24、气层中充以液体,则明环半径为,可见牛顿环中充以液体后,干涉条纹变密。,对于厚度均匀的薄膜,扩展光源投射到薄膜上的光线的光程差,是随着光线的倾角(即入射角i)不同而变化的。倾角相同的光线都有相同的光程差 ,因而属于同一级别的干涉条纹,这种干涉叫做等倾干涉。,二、薄膜的等倾干涉,反射光2,反射光1,S,1,2,1、光程差的计算,因为,光程差,考虑半波损失,实际光程差为:,明纹,暗纹,L2,P,O,r环,A,C,D,a2,a1,点光源S,B,2、点光源与面光源:,点光源照射,面光源照射,入射角相同的光线分布在锥面上,对应同一级干涉条纹。,面光源上不同点而入射角相同的入射光,都将汇聚在同一级干涉环上(
25、非相干叠加),因而面光源照明比点光源照明条纹明暗对比更鲜明。,(2)形状:一系列同心圆环;,(3)条纹级次分布:,(1)定域:条纹经会聚才能观察,定域为无穷远;,3、条纹特征:,靠近环心的条纹干涉级别高;,(4)条纹间距:入射角增加时,条纹间距减小,内疏外密;,(5)观察等倾条纹,没有光源宽度和条纹可见度的矛盾 !,(6)反射光和透射光的干涉图样互补。,增透膜:,能减少反射光强度而增加透射光强度的薄膜。,4、等倾干涉的应用:,增反膜:,能增加反射光强度而减少透射光强度的薄膜。,多层高反射膜,在玻璃上交替镀上光学厚度均为/4的高折射率ZnS膜和低折射率的MgF2膜,形成多层高反射膜。,美国物理学
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 大学物理 波动 光学 ppt 课件
链接地址:https://www.31ppt.com/p-1575872.html