1、一、一、 光的本性光的本性第三篇第三篇 波波 动动 光光 学学牛顿的微粒说：牛顿的微粒说：光是由光源发出的微粒流。惠更斯的波动说：惠更斯的波动说：光是一种光是一种波动。波动。1801年，英国物理学家托马斯年，英国物理学家托马斯杨首先利用双缝实验观察到杨首先利用双缝实验观察到了光的干涉条纹，从实验上证了光的干涉条纹，从实验上证实了光的波动性。实了光的波动性。1865年，英国物理学家麦克年，英国物理学家麦克斯韦从他的电磁场理论预言斯韦从他的电磁场理论预言了电磁波的存在，并认为光了电磁波的存在，并认为光就是一种就是一种电磁波电磁波。电磁波是横波：电磁波是横波：电磁波磁波谱 可见光的波长范围： 400
2、 nm 760 nm 电场强度的振动方向称为光的振动方向。由于对人眼和感光器件起光化学作用的是电场光波的振动方向：光波是特定频率范围内的电磁波光波是特定频率范围内的电磁波光矢量：光波中的电场强度矢量电场强度矢量的周期性变化光振动：光波的相干条件： 两列光波频率相同，振动方向相同，光波源的相位差恒定。普通光源普通光源：普通光源的发光机制普通光源的发光机制：二、二、 普通光源的发光机理普通光源的发光机理除激光源之外的各种发光物体；其发光机制是自发辐射处在基态的电子处在基态的电子处在激发态的电子处在激发态的电子原子模型原子模型P21普通光源的发光机制普通光源的发光机制原子能级及发光跃迁原子能级及发光
3、跃迁基态基态激激发发态态跃迁跃迁自发辐射自发辐射波列波列长L随机性：随机性：间歇性：间歇性：间歇性：间歇性：各原子发光是断断续各原子发光是断断续续的，平均发光时间续的，平均发光时间 t t 约为约为1010-8 -8 s s，所发出的是一段长为，所发出的是一段长为 L L L L = = = =c c c c t t t t 的光波列。的光波列。每次发光是随机的，所发出各波列的振动方向每次发光是随机的，所发出各波列的振动方向和振动初相位都不相同。和振动初相位都不相同。独立独立(不同原子发的光不同原子发的光)两独立光源发出的两束光不产生干涉现象两独立光源发出的两束光不产生干涉现象把同一波列同一波
4、列设法分成两部分两部分所获得的两列光波才是相相干光干光如何获得相干光？如何获得相干光？复制相干光独立独立(同一原子先后发的光同一原子先后发的光)tS获取相干光的方法之一：分波阵面波阵面法利用普通光源获得相干光的基本原理：利用普通光源获得相干光的基本原理：把由光源上同一点发的光分为两部分，然后再使这两部分叠加起来由于这两部分光的相应部分实际上都是来自同一发光原子的同一次发光，因而满足相干条件而成为相干光。p * *分波阵面法分波阵面法s由狭缝S发出的同一波阵面的光同时到达狭缝1和2，1和2相当于两个子波源。因它们发出的光来自于同一波阵面，因而是相干光。波阵面：等相面惠更斯原理（惠更斯作图法)狭缝
5、：理论上无限小空间相干性第十章第十章 光的干涉光的干涉同频率、同振动方向两列光波10.1 干涉的光强分布干涉的光强分布P点的光强度点的光强度I：P点的光强度点的光强度I：平均光强：平均光强：（1）非相干光（2）相干光）相干光平均光强：平均光强：( (kk=0,1,2,3)0,1,2,3)( (kk=0,1,2,3)0,1,2,3)P点光强度：干涉相长（干涉相长（亮亮）干涉相消（暗）干涉相消（暗）IImaxImino 2 -2 4 -4 Io 2 -2 4 -4 4I110. 1杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验设两列光波的波动方程分别为：设两列光波的波动方程分别为：因为因为实实 验验 装装 置置
6、p杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验波程差波程差实实 验验 装装 置置p加强加强 减弱减弱暗纹暗纹 明纹明纹p讨论讨论条纹间距条纹间距 明暗明暗条纹的位置条纹的位置白光白光照射时，出现照射时，出现彩色彩色条纹条纹暗纹暗纹明纹明纹1）条纹间距条纹间距 与与 的关系的关系 ;若若 变化变化 ，则，则 将怎样变化？将怎样变化？ 一定时，一定时， 一定时，若一定时，若 变化，则变化，则 将怎样变化？将怎样变化？1）讨论讨论条纹间距条纹间距 12340(白色）较高级次上，条纹相互重合以致模糊不清各光的第一级明条纹各光的第二级明条纹红红、橙橙、黄黄、绿绿、青青、蓝蓝、紫紫频率递增，波长递减2） 条纹间距条纹
7、间距 与与 的关系如何？的关系如何？ 一定时，一定时， 例例1 以单色光照射到相距为以单色光照射到相距为0.2mm的双缝上的双缝上,双缝与双缝与屏幕的垂直距离为屏幕的垂直距离为1m. (1) 从第一级明从第一级明 纹纹 到同侧到同侧 的第四级明的第四级明 纹的距离为纹的距离为7.5mm,求单色光的波长求单色光的波长;(2) 若入射光的波长为若入射光的波长为600nm,求相邻两明纹间的距离求相邻两明纹间的距离.解解 （1）（2）P1 菲涅耳双菲涅耳双 镜镜10.3 其他分波阵面干涉其他分波阵面干涉2 劳埃德镜劳埃德镜 半波损失半波损失 ：光从光速较大的介质射向光速较小：光从光速较大的介质射向光速
8、较小的介质时反射光的相位较之入射光的相位跃变了的介质时反射光的相位较之入射光的相位跃变了 ， 相当于反射光与入射光之间附加了半个波长的波程差，相当于反射光与入射光之间附加了半个波长的波程差，称为半波损失称为半波损失.PMLC解解 计算波程差计算波程差BA12 , 求求 第一次测到极大时，射电星的方位第一次测到极大时，射电星的方位与湖面所成的角与湖面所成的角 . 如图如图 离湖面离湖面 处有一电磁波接收器位于处有一电磁波接收器位于 C ，当一射电星从地平面渐渐升起时，当一射电星从地平面渐渐升起时， 接收器断续接接收器断续接收收 到一系列极大值到一系列极大值 . 已知射电星发射的电磁波波长为已知射
9、电星发射的电磁波波长为例例2 射电信号的接收射电信号的接收取取 极大极大时时 考虑半波损失时，附加波程差取考虑半波损失时，附加波程差取 均可，均可，符号不同，符号不同， 取值不同，对问题实质无影响取值不同，对问题实质无影响.注意注意ACB1210.6 光程与光程差光程与光程差提出一个问题dab 真空中真空中真空中波长 介质介质中中abndn n媒质媒质n介质中波长dab 真空中真空中真空中波长光程：光程：光程差光程差例：例：双缝干涉中，入射光波长为双缝干涉中，入射光波长为 ，双缝至屏的距离为，双缝至屏的距离为D D，在一个缝后放一厚为在一个缝后放一厚为b b的透明薄膜，此时中央明纹处的透明薄膜
10、，此时中央明纹处仍为一明纹，求该明纹的干涉级。仍为一明纹，求该明纹的干涉级。S1S2dDXOPnbO解：解：例： 杨氏双缝实验，用透明片遮住上缝，发现中央明纹向上移动了3个条纹，已知该片折射率为1.4，求该片厚度。利用光的干涉可以测量与光波波长同数量级的长度PS1S20123解：解：10.6.210.6.2薄薄透镜透镜的等的等光程光程性性平行光波A、B、C到达F点后，各光线光程相同，相差为0，干涉加强平行光通过透镜后，光线会聚在焦点，形成一亮点。在焦点处各光线是同相的。透镜可改变光的方向，但不附加光程差地面彩色油膜地面彩色油膜肥皂泡上的彩色条纹肥皂泡上的彩色条纹扩展光源的干涉：10.7 分振幅
11、干涉分振幅干涉 薄膜干涉薄膜干涉两条光线是从同一条入射线分出来的，所以它们一定是相干光光的能流与其振幅平方成正比，所以这种干涉称为分振幅干涉分振幅干涉10.7.1 薄膜的等倾干涉：薄膜的等倾干涉：这两种情况可以不考虑附加光程差可以不考虑附加光程差。因而，光线b2与b1光程差为：因而，光线b2与b1光程差为：薄膜干涉加强和相消的条件为：光线b2与b1光程差为：b2b1b3b1b23、透射光b1，b2的相干情况与反射光刚好相反，如果反射光加强，则透射光减弱。这是由能量守恒决定的。透射光的相干加强和相消条件透射光的相干加强和相消条件明纹明纹暗纹暗纹 增透膜和增反膜增透膜和增反膜利用薄膜干涉可以提高光
12、学器件利用薄膜干涉可以提高光学器件的透光率的透光率 .取取（增强增强）氟化镁为增透膜氟化镁为增透膜例例 为了增加透射率为了增加透射率 , 求氟化镁膜的求氟化镁膜的最小厚度最小厚度.已知已知 空气空气氟化镁氟化镁 ,减弱减弱解解 则则23玻璃玻璃解解 (1) 例例 一油轮漏出的油一油轮漏出的油(折射率折射率 =1.20)污染了某污染了某海域海域, 在海水在海水( =1.30)表面形成一层薄薄的油污表面形成一层薄薄的油污. (1) 如果太阳正位于海域上空如果太阳正位于海域上空,一直升飞机的驾一直升飞机的驾驶员从机上向下观察驶员从机上向下观察,他所正对的油层厚度为他所正对的油层厚度为460nm,则他
13、将观察到油层呈什么颜色则他将观察到油层呈什么颜色? (2) 如果一潜水员潜入该区域水下如果一潜水员潜入该区域水下,又将看到又将看到油层呈什么颜色油层呈什么颜色?绿色绿色(2) 透射光的光程差透射光的光程差红光红光紫光紫光紫紫红红色色10.7.2 等厚干涉等厚干涉光入射到厚度不均匀的透明介质薄膜上光入射到厚度不均匀的透明介质薄膜上当 i 保持不变时，光程差仅与膜的厚度有关，凡厚度相同的地方光程差相同，从而对应同一条干涉条纹等厚干涉条纹的形状取决于薄膜上厚度相同的点的轨迹。如轨迹为一直线，则干涉条纹为一直线；劈尖干涉如轨迹为一圆，则干涉条纹也为圆环；牛顿环当光垂直入射时，劈尖薄膜的干涉劈尖薄膜的干
14、涉劈尖：劈尖：夹角很小的介质薄片或薄膜 反射光反射光2e n n n反射光反射光1入入射射光光(单单色色平平行光垂直入射行光垂直入射)(设设n n )等厚条纹是一些与棱边平行的明暗相间的直条纹。在棱边处棱边处 ddkdk+1k级明纹级明纹k+1级明纹级明纹相邻明纹厚度差相邻明纹厚度差d=0，由于半波损失而形成暗纹暗纹。相邻两条亮纹或暗纹之间的距离 为：当角度很小时，当波长一定时，劈尖角越大，条纹间距越小，即条纹越密；当劈尖角大于某一值时，则干涉条纹将无法分辨。k k级暗纹级暗纹相邻暗纹厚度差相邻暗纹厚度差明纹明纹暗纹暗纹10.7.3 等厚干涉应用等厚干涉应用1.测量方面测量方面 （1）测薄膜厚
15、度。测某基板上镀膜厚度，先将其腐蚀为劈尖形，用单色光垂直照射，就可以计算薄膜厚度波长为 的单色光垂直照射折射率为n2的劈尖，如图，设n1n2n3,从交棱o开始向右数，表面为第五条暗纹，求膜厚。n1n2n3明纹暗纹第5条暗纹O解一：薄膜基板交棱o处，d=0，明纹k=0 为第一条暗纹，k=4为第五条暗纹即：（2）测细丝直径解二：n1n2n3明纹暗纹第5条暗纹Ok级明纹LD例例 为了测量金属细丝的直径，把金属丝夹在两块平为了测量金属细丝的直径，把金属丝夹在两块平玻璃之间，形成劈尖，如图所示，如用单色光垂直照玻璃之间，形成劈尖，如图所示，如用单色光垂直照射射 ，就得到等厚干涉条纹。测出干涉条纹的间距，
16、就得到等厚干涉条纹。测出干涉条纹的间距，就可以算出金属丝的直径。某次的测量结果为：单色就可以算出金属丝的直径。某次的测量结果为：单色光的波长光的波长 =589.3nm=589.3nm金属丝与劈间顶点间的距离金属丝与劈间顶点间的距离L L=28.880mm=28.880mm，3030条明纹间得距离为条明纹间得距离为4.295mm,4.295mm,求金属丝求金属丝的直径的直径D D？ LD相邻两条明纹间的间距相邻两条明纹间的间距 （3）测量微小厚度的改变相邻两条亮纹或暗纹之间的距离 为：dkdk+1干涉条纹向干涉级低的方向移动棱边干涉条纹的移动干涉条纹的移动1）干涉膨胀仪）干涉膨胀仪 劈尖干涉的应用劈尖干涉的应用劈尖干涉的应用劈尖干涉的应用热膨胀系数：二、检查光学元件表面质量二、检查光学元件表面质量B有凹坑B有凸坑10.7.4 10.7.4 牛顿环牛顿环牛顿环牛顿环牛顿环干涉图样牛顿环干涉图样显微镜显微镜SL M半透半透半反镜半反镜T由一块平板玻璃和一平凸透镜组成由一块平板玻璃和一平凸透镜组成光程差光程差明环明环暗环暗环Rrd暗环半径暗环半径明环半径明环半径从反射光中观测，中心点是暗点还是
