15波动光学.doc

第十五章 波动光学(Wave Optics) 光学研究光的传播、本性以及它和其他物质相互作用。 几何光学：以光的直线传播规律为基础，主要研究各种成像光学仪器的理论 波动光学：研究光的电磁性质和传播规律，特别是干涉、衍射和偏振的理论 量子光学：以光的量子理论为基础，研究光与物质相互作用的规律 重点：(1)相干光的获得、相干条件、光程、透镜、半波损失； (2)杨氏双缝干涉（相干条件、条纹特点）； (3)等倾干涉、薄膜干涉（相干条件）； (4)等厚干涉、劈尖（相干条件、条纹特点）、牛顿环（相干条件、圆环半径）、迈克尔逊干涉仪、一些应用； (5)菲涅耳半波带法、单缝衍射（衍射公式、条纹特点）； (6)圆孔衍射（艾里斑半角宽度）、光学仪器的分辨率、最小分辨角； (7)衍射光栅的光栅方程、缺级、光谱的宽度； (8)光的偏振状态（自然光、线偏光、部分偏振光）、偏振片的起偏与检偏、马吕斯定律 (9)反射光和折射光的偏振、布儒斯特定律 (10)双折射 §15—1 相干光 一、相干波 1．相干波源：频率相同、振动方向相同、位相差恒定 干涉现象：两列相干波相遇时，某些地方始终振动加强，另一些地方始终振动减弱的现象。 2．P点的振动是两个同方向同频率简谐振动的叠加 由简谐振动的矢量表示法可知，合振动的振幅与两个分振动的位相差有关 时，A最大 干涉相长 时，A最小 干涉相消 由波函数可得，P点的两分振动的相位差为： 如果两相干波源的初相位相等，相干条件简化为： 波程差 相长 相消 二、相干光 1．光是一种电磁波 电磁波是横波，、都与传播方向垂直 对人眼、感光仪器起作用的是矢量，因此矢量称为光矢量，矢量的振动称为光振动。 2．光源的发光机理 光源(light source)的最基本发光单元是分子、原子。原子通过由高能级跃迁到低能级而以光子的形式辐射出能量，由于能量损失、周围原子的作用，发光的持续时间很短。因此，一个原子一次发光只能发出一段长度有限、频率一定、振动方向一定的波列。 普通光源的原子辐射是自发辐射，其发光具有间隙性和随机性。即同一原子在不同时刻发出两个波列，这两个波列的频率、振动方向、相位等一般都不相同，可以说两次辐射发光是互不相关的；而不同原子在同一时刻发出的波列同样互不相关，频率、振动方向、相位等一般都不相同。 因此，普通光源发出的光是由很多原子所发出的、许多相互独立的波列。这些波列不满足相干条件，普通光源发出的光不能产生干涉现象。 *激光 3．可见光波长：390~760nm（紫~红） 单色光：只含单一波长的光 复色光：含多种波长的光 准单色光：在某个中心波长附近有一定波长范围的光 4．相干光的获取 把同一个原子的同一次发光分成两部分，再进行叠加，即得到相干光 分波阵面法：杨氏双缝 分振幅法：等倾干涉、等厚干涉 §15—2 杨氏双缝干涉实验 一、杨氏双缝干涉实验 1．线光源S发出单色光 S1、S2是由S发出的同一波阵面的两部分，满足相干条件、且同相（到S距离相等） Dd 2．波程差 由相干条件，若满足： (1)， 干涉相长 则P点为明条纹的中心，k为明条纹的级次。 k=0的明条纹为中央明纹或零级明纹，称为第1级、第2级…明纹；正负号表示明条纹对称分布在中央明纹两侧。 由于很小，，有： ，为明条纹 (2) ， 干涉相消 则P点为暗条纹的中心，k为暗条纹的级次，暗条纹也是对称分布在中央明纹的两侧的。 ，为暗条纹 (3)干涉条纹：中央为零级明纹、两侧对称地分布着较高级次的明暗相间的条纹。 每一条纹都对应一定的波程差 相邻两明纹或两暗纹的距离都是： 说明条纹是等间距排列（不太大时） （可用来求波长） 例1．在双缝干涉实验中，两缝间距为0.3mm，用单色光垂直照射双缝，在离缝1.2m的屏上测得中央明纹一侧第5条暗纹与另一侧第5条暗纹间的距离为22.78mm。求所用光的波长为多少，是什么颜色的光？ 解： 红光 练习：在双缝干涉实验中，用波长的单色光照射，双缝与屏的距离，测得中央明纹两侧的两个第五级明条纹的间距为12.2mm，求双缝间的距离。 解： 例2.在双缝干涉实验中，若单色光源S到两缝S1、S2距离相等，则观察屏上中央明纹位于图中O处，现将光源S向下移动到示意图中的S′位置，则中央条纹怎样移动、条纹间距怎样变化？ 解：中央明纹向上移动、条纹间距不变 二、双镜 两个虚光源S1、S2发出相干光 三、劳埃德镜 光源S和虚光源发出相干光 若把屏移到平面镜边上，在接触处屏上出现的是暗条纹，说明此处光程差为的奇数倍，相位差为的奇数倍。 相长 相消 S与为反相光源，反射光的相位跃变了，反射