大学物理-物理学--波动光学名师优质课获奖市赛课一等奖课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,本幻灯片资料仅供参考，不能作为科学依据，如有不当之处，请参考专业资料。,一、光学研究内容,研究光本性；,光产生、传输与接收规律；,光与物质相互作用；,光学应用。,绪言,二、光两种学说,牛顿微粒说,光是由发光物体发出遵照力学规律粒子流。,惠更斯波动说,光是机械波，在弹性介质“以太”中传输。,第1页,四、光学分类,几何光学,以光直线传输和反射、折射定律为基础，研究光学仪器成象规律。,物理光学,以光波动性和粒子性为基础，研究光现象基本规律。,波动光学,光波动性：研究光传输规律及其应用学科,量子光学,光粒子性：研究光与物质相互作用规律及其应用学科,三、光本性,光电磁理论,波动性,：,干涉、衍射、偏振,光量子理论,粒子性,：,黑体辐射、光电效应、康普顿效应,第2页,本章学习内容：,波动光学：光干涉、衍射、偏振,光干涉和衍射现象表明了光波动性，而光偏振现象则显示了,光是横波,。光波作为一个,电磁波,也包含两种矢量振动，即电矢量,E,和磁矢量,H,，引发感光作用和生理作用是其中电矢量,E,，所以通常把,E,矢量称为,光矢量,，把,E,振动称为,光振动,。,第3页,一、光波,1光波概念：,81 光涉及其相干条件,2光颜色：,单色光,只含单一波长光：激光,复色光,不一样波长单色光混合：白光,红外光：,0.76m,可见光：,0.40m,与,0.76m,之间,紫外光：,0.40m,光波也可用上面平面简谐波波函数来表示,第4页,3光矢量,电场强度E振动称为光振动，电场强度称为光矢量。,4光强,光平均能流密度，表示单位时间内经过与传输方向垂直单位面积光能量在一个周期内平均值,I=E,0,2,第5页,二、光程,波长为,光在真空中传输了,l,旅程其相位改变为,2,l,/,，假如一样光在折射率为,n,介质中传输了,x,旅程，其相位改变恰好也为,，则有,2,x,/,，其中,是光在这种介质中波长。于是能够得到：,因为介质折射率能够表示为,n=c/v,，,而对于光波有,f=c/,=v/,，所以介质折射率又可表示为：,n=,/,所以能够得到,光程,即光在折射率为,n,介质中传输,x,旅程所引发相位改变，与在真空中传输,nx,旅程所引发相位改变是相同。,第6页,三、光干涉现象,1,什么是光干涉现象,两束光相遇区域形成稳定、有强有弱光强分布。,即由,光波叠加,而引发,光强重新分布,现象称为,光干涉,。,2,相干条件,振动方向相同,振动频率相同,相位相同或相位差保持恒定,3,相干光与相干光源,两束满足相干条件光称为,相干光,对应光源称为,相干光源,表示：当光在各种介质中传输时，总光程,L,等于光所经过介质光程之和。,光经过相同光程所需要时间是相等。,所以，,物点和像点之间各光线光程都相等。,物像之间等光程性,第7页,4明暗条纹条件,明条纹：,=k k=0,1,2,暗条纹：,=(2k+1)/2 k=0,1,2,3,用,相位差,表示：,明条纹：,=2k,k=0,1,2,暗条纹：,=(2k+1),k,=0,1,2,3,用,光程差,表示,依据光程差与相位差关系,若,02,-,01,=0,，则有,第8页,四、相干光取得,1,普通光源发光机理,光波列长度：,m,结论：普通光源发出光波不满足相干条件，不是相干光，不能产生干涉现象。,特点：同一原子发光含有瞬时性和间歇性、偶然性和随机性，而不一样原子发光含有独立性。,2取得相干光源方法,原理：,将同一光源上同一点或极小区域发出一束光分成两束，让它们经过不一样传输路径后，再使它们相遇，它们是相干光。,方法：,分波前法：,利用波场中任一个波前分离出两列波。,分振幅法：,利用两个反射面产生两束反射光。,分振动面法,：利用一些晶体双折射性质，将一束光分解为振动面垂直两束光。,S,E,第9页,2,、杨氏双缝干涉,试验装置,1801,年，杨氏巧妙地设计了一个把单个波阵面分解为两个波阵面以锁定两个光源之间相位差方法来研究光干涉现象。杨氏用,叠加原理,解释了干涉现象，在历史上第一次测定了,光波长,，为光,波动学说,确实立奠定了基础。,第10页,3,、双缝干涉光程差,两光波在,P,点光程差为,=r,2,-r,1,r,1,2,=D,2,+(x-a),2,r,2,2,=D,2,+(x+a),2,所以,r,2,2,-r,1,2,=4ax,即,(r,2,-r,1,)(r,2,+r,1,)=4ax,采取近似,r,2,+r,1,2D,光程差为,=r,2,-r,1,=2ax/D,r,2,r,1,O,P,x,2a,S,2,S,1,D,4,、干涉条纹位置,（,1,）明条纹：,=2ax/D=,k,中心位置：,x=,（,D/2a)2k(/2)k,=0,1,2,（,2,）暗条纹：,=2ax/D=(2k+1),/2,中心位置：,x=(D/2a)(2k+1)(/2)k,=0,1,2,（,3,）条纹间距：,相邻明纹中心或相邻暗纹中心距离称为条纹间距,x=D/2a,5,、干涉条纹特点,双缝干涉条纹是与双缝平行一组明暗相间彼此,等间距直条纹,，上下对称。,第11页,光源,S,位置改变：,S,下移时，零级明纹上移，干涉条纹整体向上平移；,S,上移时，干涉条纹整体向下平移，条纹间距不变。,双缝间距,2a,改变：,当,2a,增大时，,x,减小，零级明纹中心位置不变，条纹变密。,当,2a,减小时，,x,增大，条纹变稀疏。,双缝与屏幕间距,D,改变：,当,D,减小时，,x,减小，零级明纹中心位置不变，条纹变密。,当,D,增大时，,x,增大，条纹变稀疏。,x=D/2a,6,、讨论,x=D/2a,*,（,1,）波长及装置结构改变时干涉条纹移动和改变,第12页,对于不一样光波，若满足,k,1,1,=k,2,2,出现干涉条纹重合。,入射光波长改变：,当,增大时，,x,增大，条纹变疏；,当,减小时，,x,减小，条纹变密。,若用复色光源，则干涉条纹是彩色。,第13页,（,2,）,介质对干涉条纹影响,在,S,1,后加透明介质薄膜,(,厚度为,h),，干涉条纹怎样改变？,零级明纹上移至点,P,，,屏上全部干涉条纹同时向上平移,。,条纹移动距离,OP=(n-1)Dh/(2a),移过条纹数目,k=OP/,x=(n-1)h/,若,S,2,后加透明介质薄膜，干涉条纹下移,。,r,2,r,1,O,P,x,d,S,2,S,1,*,若把整个试验装置置于折射率为,n,介质中，,明条纹：,=,n(r,2,-r,1,),=,k k,=0,1,2,暗条纹：,=,n(r,2,-r,1,),=,(2k+1)/2 k,=0,1,2,3,或,明条纹：,r,2,-r,1,=2ax/D=k/n=k k=0,1,2,暗条纹,：,r,2,-r,1,=2ax/D,=,(2k+1)/2n,=,(2k+1)k,=0,1,2,3,为入射光在介质中波长,条纹间距为,x=D/(2an),=,D/2a,干涉条纹变密。,第14页,*7,、光强分布,合光强为,I=I,1,+I,2,+2sqrt(I,1,I,2,)cos,当,I,1,=I,2,=I,0,时,I=2I,0,(1+cos,)=4 I,0,cos,2,(,/2)=4 I,0,cos,2,(,/,),当,=k,时，,I=I,max,=4,I,0,当,=(2k-1)/2,时，,I=I,min,=0,第15页,8,、杨氏双缝干涉应用,（,1,）测量波长：,（,2,）测量薄膜厚度和折射率：,（,3,）长度测量微小改变量。,例,8-1,、求光波波长,在杨氏双缝干涉试验中，已知双缝间距为,0.20mm,，屏和缝相距,0.50m,，测得条纹宽度为,1.50mm,，求入射光波长。,解：由杨氏双缝干涉条纹间距公式,x=D/2a,能够得到光波波长为,=x2a/D,代入数据，得,=1.5010,-3,0.2010,-3,/0.50,=6.0010,-7,m,=600nm,第16页,当双缝干涉装置一条狭缝后面盖上折射率为,n,=1.58,云,母片时，观察到屏幕上干涉条纹移动了,9,个条纹间距，已知,波长,=5500A,0,，求云母片厚度。,例,8-2,、依据条纹移动求缝后所放介质片厚度,解：没有盖云母片时，零级明条纹在,O,点；当,S,1,缝后盖上云母片,后，光线,1,光程增大。因为零级明条纹所对应光程差为零，,所以这时零级明条纹只有上移才能使光程差为零。依题意，,S,1,缝盖上云母片后，零级明条纹由,O,点移动原来第九级明条纹位,置,P,点，当,xD,时，,S,1,发出光能够近似看作垂直经过云母片，,光程增加为,(,r,1,-h+nh)-r,1,=(n-1,),h,，从而在,O,点有,(,n-1,),h=k,k=9,所以,h=k,/(,n,-1)=9550010,-10,/(1.58-1),=8.5310,-6,m,r,2,r,1,O,P,x,d,S,2,S,1,第17页,情况,1,：,n,1,n,2,n,2,n,3,无,无,没有,情况,3,：,n,1,n,3,有,无,有,情况,4,：,n,1,n,2,n,3,无,有,有,产生半波损失条件：光从光疏介质射向光密介质，即,n,1,n,2,；,半波损失只发生在反射光中；,对于三种不一样媒质，两反射光之间有没有半波损失情况以下：,n,1,n,2,n,2,n,3,无,n,1,n,3,有,n,1,n,2,n,3,有,第18页,一、薄膜干涉,薄膜干涉属于分振幅法,1、等倾干涉：,试验装置,在空气（或真空）中放入上下表面平行，厚度为,e,均匀介质,n,光,a,与光,b,光程差为：,光,a,有半波损失。,n,C,A,B,e,D,b,a,r,i,8-3,分振幅干涉,第19页,由折射定律和几何关系可得出：,代入,得出：,结论：,相同入射角对应同一级条纹。所以，称它为,薄膜等倾干涉。,光,a,与光,b,相遇在无穷远，或者在透镜焦平面上观察它们相干结果，所以称它为,定域干涉。,n,C,A,B,e,D,b,a,r,i,第20页,应用：,测定薄膜厚度；,测定光波长；,第21页,例,8,3,如图所表示，在折射率为,1.50,平板玻璃表面有一层厚度为,300nm,，折射率为,1.22,均匀透明油膜，用白光垂直射向油膜，问：,1),哪些波长可见光在反射光中产生相长干涉,?,2),若要使反射光中,=550nm,光产生相消干涉，油膜最小厚度为多少,?,解：,(1),因反射光之间没有半波损失，由垂直入射,i,=0,，得反射光相长干涉条件为,k,=1,时,红光,k,=2,时,故反射中红光产生相长干涉。,紫外,第22页,(2),由反射相消干涉条件为：,显然,k,=0,所产生对应厚度最小，即,第23页,干涉条纹定域在膜附近。条纹形状由膜等厚点轨迹所决定。,2、等厚干涉,劈尖干涉试验装置,明纹中心,暗纹中心,干涉条件,第24页,空气劈尖相邻明条纹对应厚度差：,若劈尖间夹有折射率为,n,介质，则：,劈尖相邻级次条纹对应薄膜厚度差为膜内光波长二分之一。,特点,劈尖干涉是等厚干涉,劈尖等厚干涉条纹是一系列等间距、明暗相间平行于棱边直条纹。,薄膜厚度测量,应用,薄膜厚度测定,测定光学元件表面平整度,第25页,劈尖表面附近形成是一系列与棱边平行、明暗相间等距直条纹。,楔角愈小，干涉条纹分布就愈稀疏。,当用白光照射时，将看到由劈尖边缘逐步分开彩色直条纹。,劈尖相邻级次条纹对应薄膜厚度差为膜内光波长二分之一。,明纹中心,暗纹中心,结论,第26页,例84,、用等厚干涉法测细丝直径,d,。取两块表面平整玻璃板，左边棱迭合在一起，将待测细丝塞到右棱边间隙处，形成一空气劈尖。用波长,单色光垂直照射，得等厚干涉条纹，测得相邻明纹间距为,l,，玻璃板长L，求细丝直径。,解：,d,第27页,例,8-5,、工件质量检测,a,b,有一劈尖，光,0.55m,，明纹间距,a,2.34mm,，但某处干涉条纹弯曲，最大畸变量,b,=1.86mm,，问：该处工件表面有什么样缺点，其深度（或高度）怎样？,解：同一条干涉条纹各点下面薄膜厚度相等，现在干涉条纹向劈尖棱边方向弯曲，所以判断工件在该处有凹下缺点。,得：,h,0.219,m,第28页,3、牛顿环,用平凸透镜凸球面所反射,光和平镜上表面所反射,光发生干涉，不一样厚度,等厚点轨迹是以,O,为,圆心一组同心圆。,明环中心,暗环中心,试验装置,2,、干涉公式,O,点,e=0,光程差为,/2,应为暗条纹。,第29页,在实际观察中常测牛顿环半径,r,它与,e,和凸球面半径,R,关系：,略去二阶小量,e,2,得：,代入明暗环公式得：,明环中心,暗环中心,讨论,:,(1),牛顿环中心为暗环，级次最低。,(2),离开中心愈远，光程差愈大，圆条纹间距愈小，愈密。,(3),用白光时将产生彩色条纹。,牛顿环半径,应用：,测量光波长；,测量平凸透镜曲率半径；,检验透镜质量,。,o,R,曲率半径,r,e,第30页,例,8,6,：用,He-Ne,激光器发出,=0.633m,单色光，在牛顿环试验时，测得第,k,个暗环半径为,5.63mm,，第,k,+5,个暗环半径为,7.96mm,，求平凸透镜曲率半径,R,。,解：由暗纹公式，可知,第31页,1、迈克耳孙干涉仪,结构及原理,G,1,和,G,2,是两块材料相同厚薄均匀、几何形状完全相同光学平镜。,G,1,一侧镀有半透半反薄,银层。与水平方向成,45,o,角,放置；,G,2,称为赔偿板。,在,G,1,镀银层上,M,1,虚象,M,1,2、迈克耳孙干涉仪干涉条纹,一束光在,A,处罚振幅形成两束光,1,和,2,光程差，就相当于,由,M,1,和,M,2,形成空气膜上下两个面反射光光程差,。,二、迈克耳孙干涉仪,光源,f,G,1,G,2,M,1,M,2,1,2,1,2,第32页,f,G,1,G,2,M,1,M,2,光源,1,2,1,2,M,1,与,M,2,严格垂直,薄膜干涉,1,，,2,两束光光程差,等倾干涉，干涉条纹为明暗相间同心圆环。,=,明条纹,暗条纹,干涉圆环中心，,i,=0,k,自内向外依次递减,e,增大时有条纹冒出,当,e,每降低,/2,时，中央条纹对应,k,值就要降低,1,，原来位于中央条纹消失，将看到,同心等倾圆条纹向中心缩陷,。,第33页,当,M,1,、,M,2,不平行时，将看到劈尖等厚干涉条纹。,当,M,1,每平移,/2,时，将看到一个明（或暗）条纹移过视场中某一固定直线，条纹移动数目,m,与,M,1,镜平移距离关系为：,记下平移距离,可测量入射光波长,;,如已知波长,则可经过条纹移动数目来测量微小伸长量,(,如热胀冷缩量,).,第34页,小 结,光程 薄膜干涉,劈尖 牛顿环,迈克耳孙干涉仪,第35页,8-4,光衍射,一、光衍射现象,2.,衍射现象：,波在传输过程中碰到障碍物，能够绕过障碍物边缘前进这种偏离直线传输现象称为,衍射现象,。,1.,试验现象：,单缝,K,a,b,S,光源,(,a,),屏幕,E,屏幕,E,单缝,K,a,S,光源,(,b,),b,第36页,二、惠更斯-菲涅耳原理,1690,年惠更斯提出,惠更斯,原理,，认为波前上每一点,都能够看作是发出球面子波,新波源，这些子波包,络面就是下一时刻波前。,1818,年，菲涅耳利用子波能够相干叠加思,想对惠更斯原理作了补充。他认为从同一波,面上各点发出子波，在传输到空间某一点,时，各个子波之间也能够相互叠加而产生干,涉现象。这就是,惠更斯菲涅耳原理,。,1.,惠更斯,-,菲涅耳原理,S,p,r,n,第37页,说明,菲涅耳积分能够计算任意形状波阵面衍射问题。,采取半波带法来定性地解释衍射现象。,*2.,惠更斯,-,菲涅耳原理数学表示式,菲涅耳衍射积分公式：,对于点光源发出球面波，初相位可取为零，且倾斜因子,它说明子波为何不会向后退。,S,p,r,n,第38页,光源,障碍物,接收屏,光源,障碍物,接收屏,三、衍射分类,1.,菲涅耳衍射,2.,夫琅禾费衍射,光源,障碍物,接收屏距离为有限远。,光源,障碍物,接收屏,距离为无限远。,障碍物,接收屏,衍射系统普通由,光源、,衍射屏和接收屏,组成。,按它们相互距离关系，,通常把光衍射分为两,大类,第39页,8-5,单缝和圆孔夫琅禾费衍射,光源在透镜,L,1,物方焦平面,接收屏在,L,2,象方焦平面,光强,一、单缝夫琅禾费衍射试验装置,1.,试验装置,2.,试验现象,明暗相间平行于单缝衍射条纹；,中央明纹明亮且较宽；,两侧对称分布着其它明纹。,第40页,二、菲涅耳半波带法解释单缝衍射,1.,菲涅耳半波带,单缝,P,B,A,第41页,半波带作法：,A,B,a,A,B,两条平行光线之间光程差,BC,=,a,sin,.,asin,C,作平行于,AC,平面,使相 邻平面之间距离等于入射光半波长,.,（相位差,）,如图把,AB,波阵面分成,AA,1,，,A,1,A,2,，,A,2,B,波带,.,A,1,A,2,两相邻波带对应点,AA,1,中,A,1,和,A,1,A,2,中,A,2,，抵达,P,点位相差为,，光程差为,/2,。,这么波带就,是菲涅耳半波带。,所以任何两个相邻波带所发出光线在,P,点相互抵消,.,当,BC,是,/2,偶数倍，全部波带成对抵消，,P,点暗，,当,BC,是,/,2,奇数倍，全部波带成对抵消后留下一个波带，,P,点明。,第42页,2.,特点：,将波面分成整数个波带，各波带面积,相等，相邻波带相位差为 ，则：,暗纹中心,明纹中心,第43页,暗纹中心,明纹中心,3.,明暗条纹条件,条纹在接收屏上位置,暗纹中心,明纹中心,单缝,第44页,屏幕上中央明条纹,线宽度为：,(,焦距,f,),由条纹宽度看出缝越窄（,a,越小），条纹分散越开，衍射现,象越显著；反之，条纹向中央靠拢。当缝宽比波长大很多时，,形成单一明条纹，这就是透镜所形成线光源象。显示了光,直线传输性质。,中央明条纹,半角宽,为：,其它各级明条纹宽度为,中央明条纹宽度二分之一。,(1),条纹宽度,4.,讨论,单缝,即第一条暗条纹对应衍射角为：,0,/a,第45页,条纹在屏幕上位置与波长成正,比，假如用白光做光源，中央为,白色明条纹，其两侧各级都为彩,色条纹。该衍射图样称为衍射光,谱。,几何光学是 波动光学在,时极限情况。,(3),波长对衍射条纹影响,(2),条纹亮度,中央明纹最亮，其它明纹光强随级次增大而快速减小。,中央明纹：,a,sin=0,全部子波干涉加强；,第一级明纹：,k,=1,，三个半波带，只有一个干涉加强,(1/3),第二级明纹：,k,=2,，五个半波带，只有一个干涉加强,(1/5),当 或 时会出,现显著衍射现象。,第46页,例,8,7,用单色平行可见光，垂直照射到缝宽为,a,=0.5mm,单缝上，在缝后放一焦距,f,=1m,透镜，在位于焦平面观察屏上形成衍射条纹，已知屏上离中央纹中心为,1.5mm,处,P,点为明纹，求：,(1),入射光波长；,(2)P,点明纹级和对应衍射角；,(3),中央明纹宽度。,解：,(1),对,P,点，由,当,很小，,tg=sin=,由单缝衍射公式可知,当,k=1,时，,=500nm,当,k=2,时，,=300nm,在可见光范围内，入射光波长为,=500nm.,(2)P,点为第一级明纹，,k=1,(3),中央明纹宽度为,第47页,三、干涉与衍射本质,光干涉与衍射一样，本质上都是光波相干叠加结果。普通来说，,干涉,是指,有限,个分立光束相干叠加，,衍射,则是连续,无限,个子波相干叠加。干涉强调是不一样光束相互影响而形成相长或相消现象；衍射强调是光线偏离直线而进入阴影区域。,第48页,衍射图像：中央是个明亮圆斑,（称作艾里斑）,，外围是一组明暗相间同心圆。,1,试验装置及衍射图样,四、圆孔夫琅禾费衍射,2,艾里斑：,第一暗环对应衍射角,0,称为,艾里斑半角宽,，理论计算得：,式中,D=2R,为圆孔直径，若,f,为透镜,L,2,焦距，则艾里斑半径为：,中央明区集中了衍射光能,83.8%,光源,透镜,L,1,圆孔，,R,I,第49页,8,6,衍射光栅,引言,：对于单缝：,若缝宽大，条纹亮，但条纹间距小，不易分辨,若缝宽小，条纹间距大，但条纹暗，也不易分辨,因而利用单缝衍射不能准确地进行测量。,问题：,能否得到亮度大，分得开，宽度窄明条纹？,结论：,利用衍射光栅所形成衍射图样,光栅光谱,应用：,准确地测量光波长；,是主要光学元件，广泛应用于物理，化学，天文，地质等基础学科和近代生产技术许多部门。,第50页,一、衍射光栅,由大量等宽度、等间距平行狭缝组成光学系统称为光栅。,光栅常数,d,数量级约,10,-6,米，即微米,通常每厘米上刻痕数有几干条，甚至达几万条。,1,、光栅,a,透光缝宽度（称缝宽）；,b,不透光部分宽度（称刻痕宽度）；,d=(a+b),光栅常数。,设平行光线垂直入射。,第51页,o,p,E,f,a,b,2,、光栅衍射试验装置与衍射图样,屏幕上对应于光直线传输成像位置上出现中央明纹；,在中央明纹两侧出现一系列明暗相间条纹，两明条纹分得很开，明条纹亮度伴随与中央距离增大而减弱；,明条纹宽度随狭缝增多而变细。,第52页,3,、光栅衍射图样形成,O,a,O,a,单缝衍射,多缝干涉,相邻狭缝对应点在衍射角,方向上光程 差满足：,A,a,b,P,O,f,E,F,G,则它们相干加强，形成明条纹。,(a+b)sin,=,k,k=0,1,2,3 ,由每条狭缝射出光都是狭缝衍射光，遵从单缝衍射规律。,由不一样狭缝射出光都是相干光，必定发生干涉。,光栅衍射条纹,是单缝衍射和缝间干涉共同结果。,第53页,缝数愈多，亮纹愈细。,0,I,-2,-1,1,2,单缝衍射光强,(,a,sin,),/,l,k=,(a),(,d,sin,)/,l,0,4,-8,-4,8,多缝干涉光强,亮纹,(,主极大,),k=,(b),I,N,2,I,0,单,0,4,8,-4,-8,d,sin,(,l,/,d,),单缝衍射,轮廓线,光栅衍射,光强曲线,k=,(,d,sin,)/,l,(c),第54页,二、光栅方程,A,a,b,P,O,f,(a+b)sin,=k,k=0,1,2,明纹中心,第55页,三、光栅衍射图样几点讨论,1,、主极大明条纹中心位置：,(a+b)sin,=k,k=0,1,2 ,明纹位置由,k/,(a+b),确定，与光栅缝数无关，缝数增大只是使条纹亮度增大与条纹变窄；,光栅常数越小，条纹间隔越大；,因为,|sin,|1,，,k,取值有一定范围，故只能看到有限级衍射条纹。,深入讨论：,缝宽对条纹分布影响,光栅常数对条纹分布影响,光栅刻线数目对条纹分布影响,波长对条纹分布影响,第56页,a,sin,=k,k,=0,1,2,2,、光栅缺极,缺极时衍射角同时满足：,即,k=,(a+b)/a,k,k,就是所缺级次,(a+b)sin,=k,k=0,1,2,在,衍射方向上各缝间干涉是加强，但因为各单缝本身在这一方向上衍射强度为零，其结果仍是零，因而该方向明纹不出现。这种满足光栅明纹条件而实际上明纹不出现现象，称为,光栅缺级,。,第57页,例,8,9,：用波长为,500nm,单色光垂直照射到每毫米有,500,条刻痕光栅上，求：,1),第一级和第三级明纹衍射角；,2),若缝宽与缝间距相等，由用此光栅最能看到几条明纹。,解：,1),光栅常量,由光栅方程,可知：第一级明纹,k=1,第三级明纹,k=3,2),理论上能看到最高级谱线极限，对应衍射角,=/2,，,即最多能看到第,4,级明条纹，考虑缺级,(,a+b,)/,a,=(,a+a,)/,a,=2,。,第,2,、,4,级明纹不出现，从而实际出现只有,0,，,1,，,3,级，因而只能看到,5,条明纹。,第58页,例810,:一衍射光栅,每厘米有400条透光缝,每条透光缝宽度为 a=1,10,-5,m,在光栅后放一焦距f=1m凸透镜,现以=500nm单色平行光垂直照射光栅,求(1)透光缝a单缝衍射中央明条纹宽度为多少?(2)在该宽度内,有几个光栅衍射主极大?,解,:,(1),由单缝衍射,中央明条纹宽度公式,(2),在由单缝衍射第一级暗纹公式,a,sin,=,所确定内,按光栅衍射主极大公式,即,两式联立,第59页,四、衍射光谱,白光经过光栅后，各种波长单色光将产生自衍射条纹，除中央明纹由各色光混合仍为白光外，其两侧各级明条纹都将形成由紫到红对称排列彩色光带，这些光带整体叫做衍射光谱。,假如光源发出是白光，则光栅光谱中除零级近似为一条白色亮线外，其它各级亮线都排列成连续光谱带。因为电磁波与物质相互作用时，物质状态会发生改变，伴随有发射和吸收能量现象，所以关于对物质发射光谱和吸收光谱研究已成为研究物质结构主要伎俩之一。,应用,:,光栅光谱,.,测量入射光波长,分析复色光波长成份,或利用不一样元素含有不一样特征谱线,用光谱分析研究物质结构,.,第60页,一、光学仪器分辨本事,点物,S,像,S,L,1,、物与像关系,物理光学,像点不再是几何点，而是含有一定大小艾里斑。,S,L,S,O,几何光学,物像一一对应，像点是几何点,S,L,S,O,点物,S,和,S,1,在透镜焦平面上展现两个艾里斑，屏上总光强为两衍射光斑非相干迭加。,S,1,S,S,1,S,A,f,1,f,2,O,S,1,S,S,S,1,L,O,当两个物点距离足够小时，就有能否分辨问题。,8,7,衍射规律应用,第61页,瑞利给出恰可分辨两个物点判据：点物,S,1,艾里斑中心恰好与另一个点物,S,2,艾里斑边缘（第一衍射极小）相重合时，恰可分辨两物点。,2,、瑞利判据,S,1,S,2,S,1,S,2,S,1,S,2,可分辨,恰可分辨,不可分辨,100%,73.6%,第62页,满足瑞利判据两物点间距离，就是光学仪器所能分辨最小距离。两个中央亮斑对透镜中心所张角,0,称为最小分辨角。,0,=1.22/D,，,显然，这等于艾里斑半角宽度。,最小分辨角倒数称为仪器,分辨本事,3,、光学仪器分辨率,讨论：,分辨本事与,D,成正比，与波长成反比：,D,大，分辨本事大；波长小，分辨本事大,圆孔衍射公式对抛物面式天线，雷达均成立。,第63页,例,8-8,：假设汽车两盏灯相距,r,=1.5m,，人眼睛瞳孔直径,D=4mm,，问最远在多少米地方，人眼恰好能分辨出这两盏灯,?,解：假设所求距离只取决于眼睛瞳孔衍射效应，并以对视觉最敏感黄绿光,=550nm,，进行讨论，设眼睛恰好能分辨两盏灯距离为,S,，则对人眼张角为：,依据瑞利判据：,代入数据，得：,人眼分辨本事,设人眼瞳孔直径为,D,，,可把人眼看成一枚凸透镜，焦距只有,20,毫米，其成像为夫琅禾费衍射图样。,r,S,1,2,1,2,第64页,德国试验物理学家，,1895,年发觉了,X,射线，并将其公,布于世。历史上第一张,X,射,线照片，就是伦琴拍摄他,夫人手照片。,因为,X,射线发觉含有重,大理论意义和实用价值，,伦琴于,1901,年取得首届诺,贝尔物理学奖金。,伦琴（,W.K.Rontgen,，,1845-1923,）,二、X射线衍射,第65页,1、X射线,原子内壳层电子跃迁产生一个辐射和高速电子在靶上骤然减速时伴随辐射，称为,X,射线。,其特点是：,1,在电磁场中不发生偏转。,2,穿透力强,3,波长较短电磁波，,范围在,0.001nm10nm,之间。,A,K,高压,1895,年伦琴发觉，高速电子撞击一些固体时，会产生一个看不见射线，它能够透过许多对可见光不透明物质，对感光乳胶有感光作用，并能使许多物质产生荧光，这就是所谓,X,射线或伦琴射线。,第66页,2、劳厄试验,晶体中原子排列成有规则空间点阵，原子间距为,10,-10,m,数量级，与,X,射线波长同数量级，能够利用晶体作为天然光栅。,1912,年劳厄试验装置,在乳胶板上形成对称分布若干衍射斑点，称为劳厄斑。,劳厄试验证实了,X,射线波动性，同时还证实了晶体中原子排列规则性。,第67页,3、布拉格公式,A,P,1,2,3,d,同一晶面上相邻原子散射光波光程差等于零,AN-PM=0,，它们相干加强。若要在该方向上不一样晶面上原子散射光相干加强，则必须满足：,M,N,B,C,D,即当,2dsin,=k,时各层面上反射光相干加强，形,成亮点，称为,k,级干涉主极大。该式称为,布拉格公式,。,因为晶体有很多组平行晶面，晶面间距离,d,各,不相同。所以，,劳厄斑是由空间分布亮斑组成。,1913,年英国物理学家布拉格,父子提出一个简化了研究,X,射线衍射方法，与劳厄,理论结果一致。,第68页,X,射线应用不但开创了研究晶体结构新领域，而且用它能够作光谱分析，在科学研究和工程技术上有着广泛应用。,1953,年英国威尔金斯、沃森和克里克利用,X,射线结构分析得到了遗传基因脱氧核糖核酸（,DNA),双螺旋结构，荣获了,1962,年度诺贝尔生物和医学奖。,4、X射线应用,第69页,一、光偏振性,1,、横波和纵波区分,偏振,纵波：振动方向与传输方向一致，不存在偏振问题；,横波：垂直，存在偏振问题。,定义：,振动方向对于传输方向不对称性称为偏振性。,说明：,只有横波才含有偏振现象，偏振现象是横波区分于纵波最显著特征。,8,8,光偏振性,第70页,2,、光偏振性：,对于平面电磁波，电场强度矢量,光矢量振动方向与传输方向垂直。,光矢量振动方向总是与光传输方向垂直，即光,矢量横向振动状态，相对于传输方向不含有对称性，,这种,光矢量振动相对于传输方向不对称性，称为,光偏振性,。,光偏振性说明光波是横波,第71页,二、偏振态分类,1,、自然光,各个方向上光振动振幅相同光，称为,自然光,。,特点：,在全部可能方向上，光矢量振幅都相等；,自然光可分解为振动方向相互垂直但取向任意两个线偏振光，它们振幅相等，没有确定相位关系，各占总光强二分之一。,自然光表示方法：圆点与短线等距离地交织、均匀地画出。,.,x,y,第72页,2,、线偏振光,定义：在垂直于传输方向平面内，光矢量只沿某一个固定方向振动，则称为,线偏振光,，又称为,平面偏振光,或,线偏振光,。,3,、部分偏振光,定义：光波中不一样方向上光振动振幅不等，在某一方向上振幅最大，而与之垂直方向上振幅最小，则称为,部分偏振光,。,特点：部分偏振光两垂直方向光振动之间无固定相位差。,偏振光表示法,部分偏振光表示法,第73页,4,、椭圆偏振光和圆偏振光：,光矢量末端运动轨迹是椭圆或圆。,圆偏振光,线偏光,椭,圆,偏,振,光,在迎光矢量图上，光矢量端点沿逆时针方向旋转称为,左旋偏振光,；沿顺时针方向旋转称为,右旋偏振光,。,第74页,三、偏振度,1,、定义：,若与最大和最小振幅对应光强分别为,I,max,和,I,min,，则偏振度定义为,2,、光偏振度,自然光：,I,max,=,I,min,，,P=0,，偏振度最小；,线偏振光：,I,min,=0,，,P,=1,，偏振度最大；,部分偏振光：,0,P,1,。,第75页,四、偏振片 起偏和检偏,1,、基本概念,普通光源发出是自然光，用于从自然光中取得偏振光器件称为,起偏器,。,人眼睛不能区分自然光与偏振光，用于判别光偏振状态器件称为,检偏器,2,、偏振片,是一个人工膜片，对不一样方向光振动有选择吸收性能，从而使膜片中有一个特殊方向，当一束自然光射到膜片上时，与此方向垂直光振动分量完全被吸收，只让平行于该方向光振动分量经过，即只允许沿某一特定方向光经过光学器件，叫做,偏振片,。这个特定方向叫做,偏振片偏振化方向,，用“”表示。,第76页,3,、起偏器,自然光经过偏振片后成为线偏振光，线偏振光振动方向与偏振片偏振化方向一致。,4,、检偏器,用来检验某一束光是否偏振光。,方法：转动偏振片，观察透射光强度改变。,自然光：,透射光强度不发生改变,第77页,偏振光：,透射光强度发生改变,部分偏振光：,偏振光经过偏振片后，在转动偏振片过程中，透射光强度发生改变。,第78页,8,9,偏振光取得和检测,一、,偏振光取得,自然光在两种各向同性介质分界面上反射和折射时，不但光传输方向要改变，而且光偏振状态也要改变，所以反射光和折射光都是部分偏振光。,i,n,1,n,2,在普通情况下，反射光是以垂直于入射面光振动为主部分偏振光；折射光是以平行于入射面光振动为主部分偏振光。,1.,反射光和折射光偏振,第79页,2,、布儒斯特定律内容,反射光偏振化程度与入射角相关，若光从折射率为,n,1,介质射向折射率为,n,2,介质，当入射角满足,这试验规律可用电磁场理论菲涅耳公式解释。,时，反射光中就只有垂直于入射面光振动，而没有平行于入射面光振动，这时反射光为线偏振光，而折射光仍为部分偏振光。这就是,Brewster,定律。其中,i,0,叫做,起偏角,或,布儒斯特角,。,3,、利用反射和折射时偏振能够做起偏和检偏,n,1,n,2,i,0,第80页,3,、说明,当入射角是布儒斯特角时，折射光与入射光垂直。,由折射定律：,n,1,sin,i,0,=n,2,sin,0,布儒斯特定律：,tg,i,0,=,n,2,/n,1,即：,n,1,sin,i,0,=n,2,cos,i,0,相比较：,cos,i,0,=sin,0,故,i,0,=sin,0,=,/,2,理论试验表明：反射所取得线偏光仅占入射自然光总能量,7.4%,，而约占,85%,垂直分量和全部平行分量都折射到玻璃中。,1.5,1.5,1.5,1.0,1.0,1.0,1.0,反射光能量较弱，透射光较强。为了取得一束强度较高偏振光，能够使自然光经过一系列玻璃片重合在一起玻璃堆，并使入射角为起偏角，则透射光近似地为线偏振光。,n,1,n,2,i,0,第81页,例题：已知某材料在空气中布儒斯特角,i,p,=58,0,，求它折射率？若将它放在水中（水折射率为,1.33,），求布儒斯特角？该材料对水相对 折射率是多少？,解：,设该材料折射率为,n,，空气折射率为,1,放在水中，则对应有,所以：,该材料对水相对折射率为,1.2,。,第82页,二、偏振光检测,马吕斯,(Etienne Louis Malus 1775-1812),法国物理学家及军事工程师。出生于巴黎。,1808,年发觉反射光偏振，确定了偏振光强度改变规律；,1810,年被选为巴黎科学院院士，曾取得过伦敦皇家学会奖章。,1811,年，他发觉折射光偏振。,第83页,1,、马吕斯定律,强度为,I,0,偏振光，经过检偏器后，透射光强度为：,I=I,0,cos,2,其中,为检偏器偏振化方向与入射偏振光偏振化方向之间夹角。,A,I,I,0,第84页,为线偏光光振动方向,ON,与检偏器透振方向,OM,间夹角。,一束光强为,I,0,自然光透过检偏器，透射光强为,I,0,/2,2,、解释,I=I,0,cos,2,第85页,3,、讨论,当检偏器以入射光为轴转动时，透射光强度将有改变。,起偏器与检偏器偏振化方向平行时：,=0,或,=,，,I=I,0,，透射光强度最大；,起偏器与检偏器偏振化方向垂直时：,=/2,或,=3/2,，,I=0,，透射光强度最小；,为其它角度时，透射光强度介于,0,I,0,之间。,马吕斯定律是对偏振光无吸收而言，对于自然光并不成立。若是自然光,I,0,，经过偏振片后，,I,I,0,/2,，偏振片在这里实际上起着起偏器作用。,当两个偏振片相互垂直时，光振动沿第一个偏振片偏振化方向线偏振光被第二个偏振片完全吸收，出现所谓消光现象。,第86页,例题：,在透振方向正交起偏器,M,和检偏器,N,之间，插入一片以角速度,旋转理想偏振片,P,，入射自然光强为,I,0,，试求由系统出射光强是多少？,每旋转偏振片,P,一周，输出光强有“四明四零”。,t=0,0,90,0,180,0,270,0,时，输出光强为零。,t=45,0,135,0,225,0,315,0,时，输出光强为 。,第87页,8,10,旋光现象,一、,旋光现象,偏振光经过一些透明物质后，其振动面方将以光传输方向为轴线转过一定角度,，这种现象称为,旋光现象。,能够产生旋光现象物质称为,旋光物质,。如石英、糖、酒石酸钾钠等。,右旋物质：,迎着光传输方向观看，使振动面按顺时针方向转动物质，如葡萄糖、石英等。,左旋物质：,迎着光传输方向观看，使振动面按逆时针方向转动物质，假如糖等。,不一样氨基酸和,DNA,等也有左右旋不一样，