大学物理波动光学课件

以光的波动性质为基础，研究光的传播及规律。以光的粒子性为基础，研究光与物质相互作用的规律。光学以光的直线传播为基础，研究光在透明介质中的传播规律。研究光的本性、光的传播和光与物质相互作用等规律的学科。光学：波动光学：量子光学：几何光学：前言1621年荷兰科学家菲涅耳（W.snell,1580~1626）从实验归纳出反射定律、折射定律，在此基础上诞生了几何光学。早在我国先秦时代（公元前400－382年），《墨经》中就详细论述了光的直线传播、光的反射以及平面镜、凹面镜和凸面镜的成像规律。而在之后约一百年，古希腊的欧几里德也专门著书《光学》，对人眼为何能看到物体、光的反射性质、球面镜焦点等问题进行了探讨。光学发展史一、几何光学时期光是什么?二、光的微粒说和波动说1668年英国科学家牛顿（Newton）提出光的微粒说，1678年荷兰物理学家惠更斯（Huygens）提出光的波动说。两种学说的争论持续了几个世纪，起初微粒说占优，到19世纪初，人们对光本质的认识逐渐趋向于波动说。下表例举了几个世纪以来两种学说的拥护者，以及它们刚被提出时的出发点和存在的问题：牛顿(Newton)光是一种粒子!光是一种波!惠更斯(Huygens)微粒说支持者波动说牛顿（Newton）毕奥（Biot）拉普拉斯（Laplace）泊松（Poission）马吕斯（Malus）胡克（Hooke）惠更斯（Huygens）托马斯·杨（T.Young）夫琅和费(Fraunhofer)菲涅耳（Fresnel）傅科（Foucault）能够解释/无法解释（刚提出时）光的直线传播光的反射光的折射光在折射率大的介质中传播速率小光的干涉光的直线传播光的反射光的折射光在折射率大的介质中传播速率小【该结论于1862年被傅科实验所证实】对光的波动说给予有力支持的几个实验：1、1801年托马斯·杨（ThomasYoung）完成了著名的“杨氏”实验，并提出了干涉原理；2、1809年，马吕斯（Malus）发现了光的横波性；（尽管马吕斯当时认为他的发现是对波动说有力的驳斥）3、1815年，菲涅耳（Fresnel）综合了惠更斯子波假设和杨氏干涉原理，用次波干涉理论成功地解释了光的直线传播规律，并且定量地说明了光的衍射图样光强分布规律（如泊松亮斑）。赫兹（Hertz）麦克斯韦（Maxwell）1860年，麦克斯韦总结出麦克斯韦方程组，得出电磁波在真空中传播的速度等于光速c，从而预言光是一种电磁波。1888年赫兹用实验证实了麦克斯韦的预言。通过大量实践可知，红外线、紫外线和X射线等都是电磁波，它们的区别仅是频率（波长）不同而已，从而使光的波动理论成为电磁理论的一部分。三、光的电磁学说光是一种电磁波。你的预言是对的！四、量子光学时期19世纪末到20世纪初，光学的研究深入到光的发生、光和物质的相互作用的微观结构中。一些新的实验，如热辐射、光电效应和康普顿效应等，用经典电磁波理论都无法解释。1900年普朗克提出辐射能量的量子化理论，成功地解释了黑体辐射问题。1905年爱因斯坦提出光量子理论，圆满地解释了光电效应。爱因斯坦的结论于1923年被康普顿的散射实验所证实。普朗克（Planck）爱因斯坦（Einstein）康普顿（Compton）从光学发展史可以看出，光的干涉、衍射、偏振等现象证实了光的波动性，而黑体辐射、光电效应和康普顿效应等又证实了光的微粒性，光具有“波粒二相性”（Wave-particleduality）。光在传播的过程中主要表现出波动性，而在与物质相互作用时主要表现出微粒性。本章只讨论光的波动性。即主要研究光的干涉、衍射、偏振等问题。第12章波动光学基础§12.1光的相干性§12.2分波面干涉§12.3分振幅干涉§12.4惠更斯－菲涅耳原理§12.5单缝的夫琅禾费衍射§12.6圆孔的夫琅禾费衍射§12.7衍射光栅及光栅光谱§12.8X射线衍射§12.9光的偏振本章内容：电磁波的产生：一、光是电磁波§12.1光的相干性vEH凡做加速运动的电荷都是电磁波的波源例如：天线中的振荡电流；分子或原子中电荷的振动电磁波的描述：0coscrtAEvHE//Oxyz平面简谐光波方程：光波的速度:1v1800sm10997921.c光的反射和折射:vcn00rrr真空中介质的折射率光强：2EI光波的平均能流密度称为光强二、光源：普通光源的发光机理:间歇性：独立性：原子、分子发光彼此独立、随机原子或分子每次发光是间歇的，持续时间s10~1089非相干(不同原子发的光)非相干(同一原子先后发的光)..波列E2E1h/EE12自发辐射凡能发光的物体称为光源。按照激发方式的不同，普通光源的发光过程有以下几种：热辐射：任何物体都向外辐射电磁波，当物体温度偏低时，辐射的主要是红外线，当温度比较高时，可以发射出可见光，温度更高时会发射紫外线等，这就是热能转化为光能的过程。电致发光：对光源物质采用电激发，使电能直接转化为光能的过程称为电致发光。如：太阳、白炽灯、烧红的铁棒等。如：闪电、霓虹灯、发光二极管等的发光。化学发光：由化学反应而引起的发光过程称为化学发光。光致发光：对光源物质采用光激发而引起的发光过程称为光致发光。如：日光灯（Hg蒸汽被击穿导电后发出紫外线，紫外线激发管壁上的荧光粉发射可见光）；夜光表（表针或表盘上的磷光物质被光线照射时吸收光能后，能够在一段时间内持续发光）。如：物质的燃烧过程；萤火虫的发光是生物发光。发光真菌白天夜晚光色波长(nm)频率(Hz)中心波长(nm)红760~622橙622~597黄597~577绿577~492青492~470兰470~455紫455~400141410841093.~.141410051084.~.141410451005.~.141410161045.~.141410461016.~.141410661046.~.141410571066.~.可见光的七彩颜色660610570540480460430led发光二极管三灯发光棒一种新型LED霓虹灯面世物理之光E2h/EE12波列E1受激辐射光波的相位、频率、振动方向以及传播方向都和原来的入射光相同，即它们具有相干性。激光光源的发光机理:激光单色性好、相干性好、亮度高和方向性好只含单一波长的光，称为单色光。然而，严格的单色光在实际中是不存在的，一般光源的发光是由大量分子或原子在同一时刻发出的，它包含了各种不同的波长成分，称为复色光.谱线及其宽度如果光波中包含波长范围很窄的成分，则这种光称为准单色光，也就是通常所说的单色光。波长范围越窄，其单色性越好.相干光：频率相同、振动方向相同、相位差恒定的光获得相干光的方法：分波阵面法：利用反射、折射把某振幅分成两部分，再使它们相遇从而产生干涉现象的方法（薄膜干涉）在光源发出的某一波阵面上，取出两部分面元作为相干光源的方法（杨氏实验）分振幅法：SPP0E1E2E三、光的相干性：四、光程与光程差问题引出：初相位相同的两列相干光波，在真空中传播时的相位差为)(π221rr然而，当光在不同介质中传播时，同一束光在不同介质中的波长不同，那么如何计算相位差呢？频率为的单色光在真空中传播速度为，波长为；在介质中，波速为，波长为cnnc/vnn真空中光波长nrrnπ2π2nrx改变相同相位的条件下光程的定义：光程是一个折合量，在改变相同相位的条件下，把光在介质中传播的路程折合为光在真空中传播的相应路程rnr光程差：2211rnrniiirnx多种介质的光程：……1n1r2rir2nin2)12(k相长干涉相消干涉光程差与相位差k2k2,1,0k2)12(k2,1,0k相长干涉相消干涉即透镜不引起附加光程差各光线经透镜后光程的变化相等FABCDEabcde焦平面F焦平面abcdedn空气空气•(1)折射定律：(2)例求(1)折射角θ1为多少？(2)此单色光在该介质里的频率、速度和波长各为多少？(3)S到C的几何路程和光程分别为多少？解光源为的单色光，自空气射入n=1.23的透明介质，再射入空气。已知d=1.0cm，入射角，且SA=BC=5.0cmnm6000301•••SABC1sinsin1n0012423.130sinarcsin18sm1044.2ncvn；488nmm1088.47nnHz100.514c(3)m114.011BCnABSAS到C的光程m111.0cos1BCdSABCABSASC几何路程为英国物理学家、医生和考古学家，光的波动说的奠基人之一。医学：1793年发现了眼睛晶状体的聚焦作用；波动光学：1801年的杨氏双缝干涉实验，首次引入“干涉”概念论证了光的波动说，并解释了牛顿环的成因及薄膜的彩色，1817年提出光是横波；生理光学：第一个测定了7种颜色光的波长；从生理角度说明了人眼的色盲现象，提出了三原色理论；材料力学：杨氏弹性模量；考古学：破译古埃及石碑上的文字。1、杨氏简介§12.2分波振面干涉一、杨氏双缝干涉ThomasYoung(1773―1829)1s2s明条纹位置明条纹位置明条纹位置S2、实验现象为了观察到较清晰的干涉图样，实验装置应该满足：（1）S、S1、S2的宽度应足够窄，约在10－2mm数量级，此时它们可近似看成线光源；（2）S1、S2间距较小，约为0.1～1mm；而且它们与S的距离相等；（3）光屏M与双缝S1、S2间距较大，约为1m；（4）光源的单色性较好。22kDxd,,,kkDxd2102)12(光强极小（光强极大位置）dDkx22dDkx2)12(光强极大（光强极小位置）理论分析,,,k210dxr2s1s2DPSxosin12drrDxddtanDy,x,Dd(1)屏上相邻明条纹中心或相邻暗条纹中心间距为dDx一系列平行的明暗相间条纹(4)当用白光作为光源时，在零级白色中央条纹两边对称地排列着几条彩色条纹Ik012-1-24I0x0x1x2x-2x-1光强分布讨论(2)已知d,D及Δx,可测(3)Δx正比,D;反比d•(1)明纹间距分别为mm35.00.110893.5600411dDxmm035.01010893.5600422dDx(2)双缝间距d为mm4506501089356004...xDd双缝干涉实验中，用钠光灯作单色光源，其波长为589.3nm，屏与双缝的距离D=600mm例求(1)d=1.0mm和d=10mm，两种情况相邻明纹间距分别为多大？(2)若相邻条纹的最小分辨距离为0.065mm，能分清干涉条纹的双缝间距d最大是多少？解杨氏双缝实验中d=0.5mm，屏幕与缝相距25cm。已知光源是由波长400nm和600nm的两种单色光组成。解求例距中央明条纹多远处，两种光源的明条纹第一次重叠?各为第几级?对于紫光，第k1级干涉明纹距中央明纹dDkx111对于黄光，第k2级干涉明纹距中央明纹dDkx222dDkdDk2211如果它们重合，则、322112kk明纹第一次重叠时3212kk；例解估算从第几级开始，条纹将变得无法分辨？求设该蓝绿光的波长范围为，则按题意有21在杨氏双缝实验装置中，采用加有蓝绿色滤光片的白光光源，其波长范围为，平均波长为490nm．nm100nm4902121）（nm10012nm5402；nm4401dDkdDkxk14401111dDkdDkxk54022）（若的第k+1级条纹位置小于的第k级条纹位置，即，则条纹变模糊。12)(2)1(1kkx