《医学物理学》课件--波动光学

前页后页返回前页后页返回一、学习本章后，我们应该：1.掌握杨氏双缝干涉、薄膜干涉、夫琅禾费单缝衍射的基本原理和公式。2.掌握光程、光程差、半波损失等概念；理解光栅衍射、牛顿环的有关原理和公式。3.掌握光偏振的有关概念及马吕斯定律，理解光的双折射。4.理解物质的旋光性、了解圆孔衍射。二、授课重点：薄膜干涉、马吕斯定律三、授课难点：单缝衍射前页后页返回无线电波红外线可见光紫外线X射线γ射线微波太赫兹电学光学原子\核“THz空隙”ElectromagneticSpectrum前页后页返回可见光波长范围是400nm-760nm。本章将从光的干涉、衍射和偏振现象说明光的波动性。前页后页返回水波的干涉:干涉条件：两列波的频率相同、振动方向相同、初相位相同或相位差恒定。第一节光的干涉Interferenceoflight(相干波源)一、光的相干性声波的干涉:光波的干涉前页后页返回两个独立的普通光源不是相干光源。前页后页返回原则:将同一波列的光分成两列，经不同路经后相遇，实现干涉。前页后页返回两个补充条件:1.两光波在相遇区域内振幅不能相差太大。2.两光波在相遇点的光程差不能太大。前页后页返回相干长度:能够产生干涉现象的最大光程差称为相干长度.相干长度等于一个波列的长度。光程差大于相干长度就没有干涉现象.前页后页返回二、光程和光程差设频率为v的单色光在真空中的传播速度为c，波长为λ，在折射率为n的介质中的传播速度为u，波长为λ’。因u=c/n，则有λ’=λ/n.由于n1，光在介质中的波长要比光在真空中的波长短。前页后页返回波传播一个波长的距离,相位变化2π.若光波在折射率为n的介质中传播的几何路程为r,则相位变化:nrr'22定义光程:nrL)2(00'rtcosEE波函数:前页后页返回光程=媒质折射率×光传播的几何路程。意义?r前页后页返回光程和光程差的意义：光程:介质中光的路程折算为真空中光的路程。光程差:利用光程差表达波程差，从而方便地利用相干光叠加中的干涉加强和干涉减弱的条件。前页后页返回两同相相干光源产生的相干光相遇时的相位差:2则:)(21122rnrn定义光程差:1122rnrn前页后页返回对两同相相干光源发出的相干光，得到用光程差表示的干涉加强和干涉减弱的条件:.加强2kπ,Δ时，2λ2kδ.，减弱1)π-(2kΔ时,2λ1)(2kδ前页后页返回总结:折射率n与路程r的乘积称为光程.引入光程的作用是：方便相位及相位差的计算.光程常用L表示，L=n·r几点说明：①光在真空中的光程就是其所走过的路程∵n=1，∴L=r前页后页返回λδ2πΔφ重点内容②光在折射率不同的介质中走过的路程若为r1、r2、……，③光程差：即两光程之差，通常用δ表示则：总光程为：L=n1r1+n2r2+……n2r1r2abn1相位差与光程差的关系:前页后页返回三、杨氏双缝实验T.Young(1773-1829)英国物理学家兼医生,于1801年在历史上首次以人工方式实现光的干涉。前页后页返回S1S2SxI干涉条纹的分布:条纹等距等宽。条纹光强度分布（满足相干光条件）明纹明纹中央明纹明纹明纹暗纹暗纹暗纹暗纹单色光入射***前页后页返回杨氏双缝干涉条纹分析:两列光波在P点的光程差：xDdddrrtgsin12)2(111rtcosAyP)2(222rtcosAyPS1和S2发出的两列光波:S*分波面法IxxPdr1r2oDS1S2(1~10)(0.1~1)Dmdcm05,一般有很小前页后页返回第k条明纹位置公式:…,2,1,0kdDkxkS*xkxdr1r2Dkrr122)12(12krr第k条暗纹位置公式:0各级暗纹S*1,2,2)12(kdDkxk各级明纹1r2rk=1k=2k=2k=0k=1k=1k=1k=2k=2,当干涉减弱时,当干涉加强时前页后页返回(2)若已知d和D，测出第k级条纹对应的xk，就可以计算单色入射光的波长。(3)若入射光为白光时，只有中央明纹是白色，其他各级明纹都是由紫色到红色向外排列形成。(1)相邻两明纹(或相邻两暗纹)的间隔相等:中央明纹kk+1k=0xkx1kx明纹k1暗k2暗k1明k2明k1暗k1明k2暗讨论:dDdDkdDkxxxkk)1(1前页后页返回(,)lnOx1s2s4k44500400011.51lnmn解：光程差12()(1)SOlnlSOnl4k1s2s'O例题杨氏双缝实验，=500nm，在一光路中插入玻璃片（n=1.5）后o点变为第4级明纹中心。求：玻璃片厚度。O前页后页返回该实验的意义?实验说明:当光从光疏介质射向光密介质时,界面上的反射光将产生π相位突变,相当于光波多走(或少走)了半个波长的光程,这种现象称为半波损失。前页后页返回五、薄膜干涉(等倾干涉)彩色油层彩色气泡肥皂膜的干涉彩色条纹前页后页返回“半波损失”:实验说明:当光从光疏介质射向光密介质时,界面上的反射光将产生π相位突变。π相位的变化,相当半个波长的光程，即光波多走(或少走)了半个波长的距离，这种现象称为半波损失。空气油、水、玻璃透射光无半波损失。前页后页返回2)(12ADnBCABn2cos22ren2cossin2cos2222rrenren(有半波损失)前页后页返回rr2sin1cos22221/sin1nin2cos22ren2sin222122inne(用折射角表示)(用入射角表示).)(,同一条纹不变不变时倾角对单色光i.,形成干涉彩色条纹对复色光inne22122sin2'注意：透射光和反射光干涉具有互补性，符合能量守恒定律。透射光的光程差:反射光的光程差:前页后页返回干涉条纹n1n2n3加强的条件:减弱的条件:ken22,...,,k3212)12(22ken,...,,k321(n3n2n1)照相机镜头薄膜增透膜透镜前页后页返回第一节小结用分波振面法获取相干光源条纹间隔λdDxΔ光的相干性：相干条件、相干光、相干光源光程和光程差：L=nr，δ杨氏双缝实验：半波损失等倾干涉等厚干涉薄膜干涉（分振幅法）前页后页返回第二节光的衍射Diffractionoflight光波在遇到障碍物时绕过障碍物传播的现象，叫做光的衍射。当障碍物或小孔的尺寸与光的波长相差不大时，才能明显观察到这种现象(?)。光的衍射现象:平行光波经物体衍射后在无穷远处光屏上形成衍射图样。前页后页返回单色光(a：0.5mm)1.中央明纹；2.两边暗纹、明纹相间对称排列形成各级条纹；3.随着级数的增加，各级明纹的光强度锐减。前页后页返回(即第一级暗环的衍射角)*艾里斑半角宽度：D22.1sin*艾里斑的半径:DffR22.12（Ｄ为圆孔直径）*圆孔衍射使许多光学仪器的成象质量变差。前页后页返回电场强度矢量E在许多光学现象中起主要作用，常以它的振动方向代表光波的振动方向.矢量E称为光矢量。(而通常忽略磁场).前页后页返回(naturallight)（或称平面偏振光）(polarizedlight)前页后页返回前页后页返回（马吕斯1775-1812年法国物理学家)cos01EEE0EE0E2E1E22020cosEEII前页后页返回120020201tancos'sinsinnniininin2'00ii前页后页返回某些透明晶体（如方解石、石英等）沿不同方向其光学特性有所不同（各向异性）。一束单色光入射于这种晶体时会产生两束折射光，称为双折射现象。透过这种晶体去观察物体，则会看到双重象。前页后页返回iCCo光振动垂直于主截面e光振动在主截面内（方解石晶体主截面）o光e光e光o光、都是线偏振光。但两者的振动方向相互垂直。光轴前页后页返回六、物质的旋光性（opticalactivity）线偏振光通过某些物质而发生振动面旋转的现象。1.旋光现象:旋光物质:能使偏振光振动面旋转的物质。天然存在的或人造的许多晶体具有旋光性质。例如石英晶体、各种糖溶液等，它们有左旋体和右旋体。葡萄糖甘油醛前页后页返回2.旋光物质使振动面旋转的角度:lcl晶体：溶液:称为物质的旋光率。lct100单位：l:dmc:gt][l前页后页返回3.左旋与右旋：右旋（D-）左旋（L-）LevorotatoryandDextrorotatoryOpticalIsomerism光学异构体手性分子：手性表示物体无法凭旋转或平移与其镜像重合，人手是手性的最好例子。一些化学分子的立体结构也具有这样的特征，故称手征分子；不同手征而相同化学式的分子称为同分异构。按照空间结构，手征分子可分为L-和D-。前页后页返回衍射的分类：菲涅耳衍射夫琅禾费衍射单缝衍射明纹宽度半波带法马吕斯定律偏振光自然光起偏器、检偏器双折射二向色性衍射偏振物质的旋光性第二、三、四节小结前页后页返回作业P2261、3、4、11、12