大学物理ppt教程课件大学物理第11章x 36页

第11章波动光学光的基本特性11.1光的干涉11.2光的衍射11.3光的偏振态11.4\n11.1光的基本特性11.1.1光源的特点11.1.2光的叠加原理11.1.3光程光程差\n11.1.1光源的特点能发射光波的物体统称为光源.在光波中，产生感光作用与生理作用的主要是电场强度E，因此E常被称为光矢量,E的振动称为光振动.光在真空中的速度在介质中的速度其中，为介质的折射率；ε0，μ0分别为真空中的电容率和磁导率；εr，μr分别为介质中的电容率和磁导率.\n光的颜色由光的频率决定，频率一般只由光源决定而与介质无关.光学中常用波长反映光的颜色.可见光的波长范围没严格的界限，真空中波长在600μm＞λ＞760nm范围的叫红外线，在760nm＞λ＞390nm范围的叫可见光，在390nm＞λ＞5nm范围的叫紫外线，在5nm＞λ＞0.04nm范围的叫X射线，λ＜0.04nm的叫γ射线.11.1.2光的叠加原理\n11.1.3光程光程差给定单色光的振动频率ν在不同媒质中是恒定不变的，而光速v却是真空中光速c的1/n(n为所在媒质的折射率)，由此可知，单色光在媒质中的波长λ将是真空波长的1/n见图，即\n由于光速与媒质有关，因此光在相等的时间内，在不同媒质中通过的距离不相等.设在某一段时间里，光在真空中通过的距离是x，在相等的时间内，光在折射率为n的媒质中通过的距离是x′，则有\n把折射率n和相应几何路程x′的乘积称为光程.从同一点光源发出的两束光，各自通过不同的介质和路径后，在空间某点相遇时，它们的光程之差称为光程差，常简写为δ.于是光程差与相位差的关系为当δ=±kλ(k=0，1，2，…)时，干涉加强；当δ=±(2k+1)·λ/2(k=0，1，2，…)时，干涉减弱.\n11.2光的干涉11.2.1分波面干涉11.2.2分振幅干涉11.2.3迈克尔逊干涉仪\n11.2.1分波面干涉两束相干光叠加时，在叠加区域会出现某些区域的光始终加强，某些区域的光始终减弱，而且加强和减弱的区域间隔出现，形成明暗相间的彩色条纹，这种现象称为光的干涉.杨氏实验的光路图如图所示：\n如图所示，以双缝的中垂线与观察屏的交点为原点，沿屏方向为x轴建立坐标，两光相遇时的光程差为由图中几何关系，得在空气中，n=1，有因干涉加强条件δ=±kλ(k=0，1，2，…)，得明纹中心的位置坐标当k=0时，δ=0，x=0，即中央位置是明纹，称为零级明纹；当k≠0时，x≠0，在中央明纹两侧对称分布k级明纹.\n同理，由相干减弱条件得暗纹中心的位置坐标干涉条纹的宽度或条纹间隔，是指两相邻明纹、暗纹中心间的距离.得\n杨氏双缝干涉现象总结：(1)干涉条纹是关于中央明纹对称的明暗相间的等间隔条纹；(2)条纹宽度正比于D、λ；反比于d、n；(3)用白光入射，当δ=0时，k=0，故零级中央明纹为白光条纹，两侧对称分布的是从紫到红排列的彩色条纹，称为“光谱”.当k=1，2…时，相对应的明条纹称为第一级，第二级……明条纹，如图所示.\n①劈尖干涉的明、暗纹条件薄膜的折射率为n，其上下介质的折射率分别为n1和n2，当单色平行光垂直入射到薄膜表面时，上下两表面的反射光束便构成了一对相干光，并在膜表面A处相遇，其光程差为或11.2.2分振幅干涉\n②劈尖干涉条纹的分布规律(a)条纹间距.任意两相邻明纹(或暗纹)所对应薄膜层的厚度差为两相邻明纹(或暗纹)中心的间距为劈尖楔角为显然，楔角θ越小，条纹越疏；反之越密.若θ过大，则条纹将密集得难以分辨，此时就观察不到干涉现象了.\n(b)条纹的形状特征.凡是薄膜厚度e相同的地方，光程差都相同，因而，这些点上的光强度也都相等.同一级干涉条纹下的薄膜具有相同的厚度,这样的干涉条纹叫做等厚条纹，这样的干涉叫做等厚干涉.由于劈尖干涉条纹是沿薄膜等厚线分布的等厚干涉条纹，因此其形状取决于薄膜等厚线的形状.若劈尖表面是平整的几何平面，则劈尖干涉条纹是平行于劈尖交棱的，等间距的直条纹.\n(c)条纹的移动.若劈尖角θ发生变化，如图所示，则条纹间距l=λ/2nθ随之发生变化，干涉条纹随之移动.当劈尖角θ不变，但薄膜厚度发生变化时，如图(b)所示，在薄膜厚度的变化过程中，若某点干涉条纹的数目变化m条，则该点薄膜厚度的变化量为\n11.3光的衍射11.3.1光的衍射11.3.2惠更斯原理11.3.3单缝衍射\n11.3.1光的衍射波在传播过程中，当遇到与波长的数量级接近的障碍物时，其传播方向将发生改变，并绕过障碍物边缘继续前进，这种现象称为波的衍射现象.在光的衍射现象中，光不仅在“绕弯”传播，而且还能产生明暗相间的条纹.如图所示为障碍物是细线、针等时所呈现的衍射条纹.\n11.3.2惠更斯原理在机械波中，我们用惠更斯原理的子波假设，可以解释波的传播方向，但不能解释波的强弱分布.菲涅耳在惠更斯原理的基础上提出了子波相干叠加的假设：同一波阵面上的各点发出的子波经传播而在空间各点相遇时叠加而产生干涉现象，新的波阵面就是这些子波干涉的结果，从而建立了反映光的衍射规律的惠更斯—菲涅耳原理.\n依光源、障碍物(衍射物)、观察屏之间的相对距离，把衍射分为以下两类.1.菲涅耳衍射(近场衍射)当光源、观察屏与障碍物之间的相对距离为有限远时产生的衍射，称为菲涅耳衍射，也称近场衍射，如图(a)所示.\n2.夫琅禾费衍射当光源、观察屏与障碍物之间的距离为无限远时产生的衍射，称为夫琅禾费衍射，也叫远场衍射，如图(b)所示.\n11.3.3单缝衍射宽度比长度小很多的狭缝叫单缝，图(a)所示为夫琅禾费用透镜观察平行光单缝衍射的装置.图(b)所示为单缝衍射原理图，其中，AB为单缝的截面，其宽度为a.\n当平行光垂直于单缝平面入射时，单缝衍射形成的明暗条纹的位置可表示为暗条纹中心明条纹中心当θ=0时，各衍射光光程差为零，通过透镜后会聚在透镜焦平面上，这就是中央明纹中心的位置，其光强最大.单缝衍射光强分布如图所示.\n在单缝衍射条纹中，中央条纹最亮，同时也最宽.中央条纹两侧光强迅速减小，直至第一个暗条纹；其后，光强又逐渐增大而成为第一级明条纹，以此类推.各级明纹的光强随着级数的增大而逐渐减小.我们把k=±1两暗点之间的角距离作为中央明纹的角宽度.一般θ角很小，所以中央明条纹的半角宽度为中央明条纹的线宽度为\n11.4光的偏振态11.4.1自然光、线偏振光和部分偏振光11.4.2椭圆偏振光和圆偏振光11.4.3偏振片的起偏和检偏马吕斯定理11.4.4反射、折射时的偏振现象\n11.4.1自然光、线偏振光和部分偏振光普通光源发出的光是大量分子、原子发光的总和.一原子先后发出的光以及大量原子同时发出的光各自独立，互不干涉，包含了一切可能振动的方向，不显示偏振性，如图(a)所示.我们把具有这种特性的光叫做自然光.\n实验表明，在光波的E振动和H振动中引起感光和生理作用的是E振动，所以一般称E为光矢量，E振动为光振动.由于任一瞬间自然光中各原子的光振动矢量对称分布在垂直于传播方向的平面内，如上图(b)所示，我们可用两个等幅的、互相垂直的独立分振动表示自然光，如上图(c)所示.图中，黑点表示垂直于纸面的光振动，短线表示平行于纸面且与传播方向垂直的光振动，点线均匀分布表示两振动振幅相等.\n光矢量E偏向于某些方向，相当于传播方向呈非轴对称分布的光称为偏振光.①线偏振光.如果用某些装置，使自然光中某方向的光振动通过，而与此方向垂直的光振动完全被抵挡，从而得到在垂直于光传播方向的平面内仅沿一个固定方向振动的光，这就是线偏振光，又称平面偏振光.光振动方向与传播方向确定的平面叫做振动面.\n②部分偏振光.如果用某种方法使得光振动在某方向较强，而在与此垂直的方向上较弱，从而得到光振动在一个方向上占有优势的光，即为部分偏振光.部分偏振光的偏振程度介于自然光与线偏振光之间，两种偏振光可用如图所示的方法表示.\n11.4.3偏振片的起偏和检偏马吕斯定理1.偏振光的获得从自然光中获得偏振光的过程称为起偏，产生起偏作用的光学元件称为起偏器.偏振片是一种常用的起偏器，它能对入射自然光的光矢量在某方向上的分量有强烈的吸收，而对与该方向垂直的分量吸收很少.因此，偏振片只能透过沿某个方向的光矢量或光矢量振动沿该方向的分量.我们把这个透光方向称为偏振片的偏振化方向.\n如果P2的偏振化方向与P1的偏振化方向相同，则透过P2的光最强，如图(a)所示；如果两者的偏振化方向相互垂直，则光强最弱，称为消光，如图(b)所示.将P2绕光的传播方向慢慢转动，可以看到透过P2的光强将随P2的转动而变化.旋转一周将出现两次最亮和两次最暗.P2的作用是检验入射光是否是偏振光，故称为检偏器.\n2.马吕斯定律偏振光射入转动的检偏器时，透射光强会呈现强弱变化.马吕斯发现：如果入射光强为I1，透射光强(不计检偏器对透射光的吸收)I2为称为马吕斯定律，式中，α为线偏振光振动方向和检偏器偏振化方向之间的夹角.\n如图所示，A0和A分别表示入射偏振光矢量的振幅和透过检偏器的偏振光振幅，当入射光的振动方向与检偏器的偏振化方向OP成α角时，有因光强与振幅的平方成正比，故透射的偏振光和入射偏振光光强之比为可得当二者平行时，I=I0，透射光最强；二者垂直时，I=0，出现消光现象.\n11.4.4反射、折射时的偏振现象实验发现，当自然光入射到两种媒质的分界面上时，反射光和折射光都是部分偏振光，如图所示，反射光中垂直于入射面的光振动较强，折射光中平行于入射面的光振动较强.\n实验还发现，当改变入射角i时，反射光的偏振程度也随之改变；当i等于某特定角度i0时，反射光中只有垂直于入射面的振动，而没有平行于入射面的振动，即反射光变成了线偏振光，如图所示，此时，入射角i0与两媒质折射率n1，n2之间符合以下关系式\n当光线以布儒斯特角入射时，反射光与折射光互相垂直，即使自然光以起偏角i0入射到一叠平行放置的玻璃片堆上并经过多次反射和折射，反射光累积加强，折射光中垂直于入射面的振动成分逐次减少，当玻璃片足够多时，透射光就几乎成为完全的偏振光了.这种装置常被称为玻璃片堆，利用它可作起偏器，也可作检偏器.