第12章-1波动光学详解.ppt

第十二章 波动光学 §12-1 光的本性 §12-2 光的相干性 §12-3 薄膜干涉 §12-3 光的衍射 2. 牛顿环 暗纹 明纹 牛顿环半径公式： 明环 暗环 r 12-3-1 光的衍射现象 菲涅耳衍射：光源或光屏相对于障碍物（小孔、狭缝或其他遮挡物）在有限远处所形成的衍射现象。 夫琅禾费衍射：光源和光屏距离障碍物都在足够远处，即认为相对于障碍物的入射光和出射光都是平行光 。 12-3-2 惠更斯-菲涅耳原理 S 波前上每一面元都可看成是新的次波波源，它们发出的次波在空间相遇，空间每一点的振动是所有这些次波在该点所产生振动的叠加。 假设： （1） 次波在P点的振幅 A与距离 r 成反比。 （2） 面积元dS与振幅 A成正比。 （3） 振幅 A 随 角增加而减小。 P 12-3-3 夫琅禾费单缝衍射 狭缝边缘出射的两条光线光程差： 菲涅耳半波带： 相邻两波带发出的子波之光程差正好是 。 半波带个数与衍射角的关系： 结论：衍射角越大，半波带个数越多。 夫琅禾费单缝衍射条纹： 暗纹 明纹 缝宽 b 越小，衍射角 越大，衍射越显著； 缝宽 b 越大，衍射角 越小，衍射越不明显； 当 b λ时，不发生衍射现象。 结论：几何光学是波动光学在 时的极限情况。 0 1 -2 -1 2 中央明纹宽度：两个一级暗纹中心之间的距离。 一级暗纹对应的衍射角： 中央明纹的角宽度： 中央明纹的线宽度： * * 12-1-1 微粒说与波动说之争 牛顿的微粒说： 光是由光源发出的微粒流。 惠更斯的波动说： 光是一种波动。 12-1-2 光的电磁本性 1801年，英国物理学家托马斯·杨（T. Young，1773—1829）首先利用双缝实验观察到了光的干涉条纹，从实验上证实了光的波动性。 1865年，英国物理学家麦克斯韦从他的电磁场理论预言了电磁波的存在，并认为光就是一种电磁波。 可见光的波长范围： 400 nm～ 760 nm 电磁波谱 肥皂泡或光碟表面上的彩色花纹，都是光的波动特性所引发的一种现象。 波动光学：以光的波动特性为基础，研究光的传播及其规律的学科。 12-2-1 普通光源的发光机制 光源：发光的物体。 处在基态的电子 处在激发态的电子 原子模型 普通光源发光的两个特点： 随机性：每次发光是随机的，所发出各波列的振动方向和振动初相位都不相同。 间歇性：各原子发光是断断续续的，平均发光时间?t 约为10-8 s，所发出的是一段长为 L =c?t 的光波列。 相干光：能够满足干涉条件的光。 相干光源：能产生相干光的光源。 两个独立光源发出的光不可能产生干涉 干涉条件： 频率相同，振动方向相同，振幅相差不大，有恒定的相位差。 激光光源是相干光源 12-2-2 杨氏双缝实验 设两列光波的波动方程分别为： 因为 结论：光干涉问题的关键在于计算光程差。 （1） 所经路程之差为波长的整数倍，则在P点两光振动同相位，振幅最大，干涉加强； 从 S1和 S2发出两条光线在屏上某一点 P 叠加 （2） 两列光波所经路程之差为半波长的奇数倍，则在P点两光振动反相位，振幅最小，干涉减弱。 两列光波的传播距离之差： 干涉加强 干涉减弱 光干涉条件： 干涉条纹在屏幕上的分布： 屏幕中央（k = 0）为中央明纹 其中 k 称为条纹的级数 0 1 2 3 4 5 -5 -4 -3 -2 -1 相邻两明纹或暗纹的间距： 条纹位置和波长有关，不同波长的同一级亮条纹位置不同。因此，如果用白光照射，则屏上中央出现白色条纹，而两侧则出现彩色条纹。 条纹间距与波长成正比，因此紫光的条纹间距要小于红光的条纹间距。 说明： 例1 杨氏双缝的间距为0.2 mm，距离屏幕为1m。 （1） 若第一到第四明纹距离为7.5 mm，求入射光波长； （2） 若入射光的波长为600 nm，求相邻两明纹的间距。 解 12-2-3 光程 设光在折射率为 n 的介质中传播的几何路程为 r 。 包含的完整波个数: 真空中的几何路程： 光程：光在介质中传播的几何路程 r 与该介质折射率 n 的乘积 nr 。 光程的物理意义：光在介质中经过的路程折算到同一时间内在真空中经过的相应路程。 光干涉的一般条件： 薄透镜不引起附加的光程差。 注意： 例2 用薄云母片（n = 1.58）覆盖在杨氏双缝的其中一条缝上，这时屏上的零级明纹移到原来的第七级明纹处。如果入射光波长为550 nm，问云母片的厚度为多少？ 解： P 点为七级明纹位置 插入云母后，P点为零级明纹 P O