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1、第十二章,波動光學(xué),12-1 光的本性,12-1-1 微粒說與波動說之爭,牛頓的微粒說： 光是由光源發(fā)出的微粒流。,惠更斯的波動說： 光是一種波動。,12-1-2 光的電磁本性,1801年，英國物理學(xué)家托馬斯楊（T. Young，1773-1829）首先利用雙縫實(shí)驗(yàn)觀察到了光的干涉條紋，從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了光的波動性。,1865年，英國物理學(xué)家麥克斯韋從他的電磁場理論預(yù)言了電磁波的存在，并認(rèn)為光就是一種電磁波。,電磁波譜,可見光的波長范圍： 400 nm 760 nm,12-2 光的相干性,肥皂泡或光碟表面上的彩色花紋，都是光的波動特性所引發(fā)的一種現(xiàn)象。,波動光學(xué)：以光的波動特性為基礎(chǔ)，研究光的傳
2、播及其規(guī)律的學(xué)科。,12-2-1 普通光源的發(fā)光機(jī)制,光源：發(fā)光的物體。,,處在基態(tài)電子,處在激發(fā)態(tài)電子,,原子模型,光源的最基本發(fā)光單元是分子、原子,, = (E2-E1)/h,,,E1,E2,能級躍遷輻射,波列長L = c,1. 普通光源：自發(fā)輻射,,,,,獨(dú)立(不同原子發(fā)的光),,,,獨(dú)立(同一原子先后發(fā)的光),(-波列持續(xù)的時間）,普通光源發(fā)光的兩個特點(diǎn)：,,隨機(jī)性：每次發(fā)光是隨機(jī)的，所發(fā)出各波列的振動方向和振動初相位都不相同。,間歇性：各原子發(fā)光是斷斷續(xù)續(xù)的，平均發(fā)光時間t 約為10-8秒，所發(fā)出的是一段長為 L =ct 的光波列。,干涉條件：,頻率相同，振動方向相同，有恒定的位相差
3、。,,普通光源獲得相干光的途徑：,,,p,S *,分波面法,分振幅法,,,,,,,,,,p,薄膜,S *,相干光：能夠滿足干涉條件的光。 相干光源：能產(chǎn)生相干光的光源。,2. 激光光源：受激輻射,, = (E2-E1)/h,,,,,完全一樣(頻率,位相,振動方向,傳播方向),激光光源是相干光源,12-2-2 楊氏雙縫實(shí)驗(yàn),設(shè)兩列光波的波動方程分別為：,因?yàn)?結(jié)論：光干涉問題的關(guān)鍵在于計(jì)算光程差。,1. 所經(jīng)路程之差為波長的整數(shù)倍，則在P點(diǎn)兩光振動同相位，振幅最大，干涉加強(qiáng)；,從 S1和 S2發(fā)出兩條光線在屏上某一點(diǎn) P 疊加,2. 兩列光波所經(jīng)路程之差為半波長的奇數(shù)倍，則在P點(diǎn)兩光振動反相位
4、，振幅最小，干涉削弱。,兩列光波的傳播距離之差：,干涉加強(qiáng),干涉減弱,光干涉條件：,干涉條紋在屏幕上的分布：,屏幕中央（k = 0）為中央明紋,其中 k 稱為條紋的級數(shù),相鄰兩明紋或暗紋的間距：,雙縫干涉,一系列平行的明暗相間的條紋 不太大時條紋等間距； 中間級次低； 條紋位置和波長有關(guān)，不同波長的同一級亮條紋位置不同。因此，如果用白光照射，則屏上中央出現(xiàn)白色條紋，而兩側(cè)則出現(xiàn)彩色條紋。 條紋間距與波長成正比，因此紫光的條紋間距要小于紅光的條紋間距。,說明：,光強(qiáng)公式：,則,光強(qiáng)曲線,,若,例1.用白光（390nm-750nm)作光源觀察雙縫干涉。設(shè)縫間距為d, 試求能觀察到的清晰可見光譜的級
5、次。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,0,1,3,2,,,,因k應(yīng)取整數(shù)，故結(jié)果表明，從紫到紅排列清晰的可見光譜只有正負(fù)各一級,,,,,,例2. 楊氏雙縫的間距為0.2 mm，距離屏幕為1m。 1. 若第一到第四明紋距離為7.5mm，求入射光波長。 2. 若入射光的波長為600 nm，求相鄰兩明紋的間距。,解,例3. 無線電發(fā)射臺的工作頻率為1500kHz，兩根相同的垂直偶極天線相距400m，并以相同的相位作電振動。試問：在距離遠(yuǎn)大于400m的地方，什么方向可以接受到比較強(qiáng)的無線電信號？,解,取 k = 0，1，2,得,,,,,A,B,C,M,1,M,2,*,s,,點(diǎn)光源,1
6、.菲涅耳雙面鏡實(shí)驗(yàn),屏,鏡子,,,,,12-2-3 其他分波面干涉實(shí)驗(yàn),,,,,,A,B,C,M,s,1,s,2,1,M,2,*,*,*,s,,,,虛光源,,點(diǎn)光源,屏,鏡子,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,A1,B1,C,M,s,1,s,2,1,M,2,*,*,*,s,,,點(diǎn)光源,1,1,屏,,,,,,,,,,,,,,,,,,A2,B2,C,M,s,1,s,2,1,M,2,*,*,*,s,,,點(diǎn)光源,2,2,屏,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,A,B,C,M,s,1,s,2,1,M,2,*,*,*,s,,,點(diǎn)光源,1,1,2,2,屏,,,,,,,,,,,,,,,,
7、,,,,,,,,,,,A,B,C,M,s,1,s,2,1,M,2,*,*,*,s,,,點(diǎn)光源,1,1,2,2,屏,,,對于楊氏雙縫干涉條紋特征的分析在這里完全適用。 調(diào)節(jié)角可改變S1和S2之間的距離，改變條紋的疏密。,,,,,,,,,,,,s,1,s,2,*,,,M,A,B,B,A,,,屏,P,.,當(dāng)屏移到,A,,B,,位置時，在屏上的P 點(diǎn)應(yīng)該,出現(xiàn)暗條紋還是明條紋？,問題：,2.勞埃鏡實(shí)驗(yàn),,,,,,,,,,,,,s,1,s,2,*,,,M,A,B,B,A,,,屏,P,.,當(dāng)屏移到,A,,B,,位置時，在屏上的P 點(diǎn)出,現(xiàn)暗條紋。光在鏡子表面反射時有相位突變。,,稱媒質(zhì)1為光疏媒質(zhì)，媒質(zhì)2
8、,為光密媒質(zhì)。,如果光是從光疏媒質(zhì)傳向光密媒質(zhì)并在其分界面上反射時將發(fā)生半波損失。折射波無半波損失。,,,,,,n,1,n,2,折射波,反射波,,入射波,,,,,,,,,,,,s,1,s,2,*,,,M,A,B,B,A,,,屏,P,.,,a,b,,c,x1,x2,例4.如圖，已知：a=1cm,b=1cm,c=99cm,d=0.2mm,=0.4m,問：屏上能呈現(xiàn)幾條明條紋？,解：,明紋的位置,,xk,,d,,,,,,,,,,,,s,1,s,2,*,,,M,A,B,B,A,,,屏,P,.,,a,b,,c,x1,x2,,xk,,K=3, x3=5.05mm,K=4, x4=7.07mm,K=5, x
9、5=9.09mm,所以屏上能呈三條明條紋,一. 光程、光程差,真空中,媒質(zhì)中, n媒質(zhì)中波長,光程 : L = nd, 真空中波長,光程的物理意義：光在媒質(zhì)中的路程d相當(dāng)于光在真空中的路程nd，故稱為光程，其好處是把光在不同媒質(zhì)中的傳播折算為光在真空中的傳播，這時波長均是真空中的波長。,,12-2-4 光程,光程差 ： = L2 - L1,相位差和光程差的關(guān)系：,光程 L = ( ni di ),設(shè)兩光源的相位相同，則兩光波在P點(diǎn)產(chǎn)生的相位差為,,,adeg,bh,與,幾何路程不等，但光程是相等的。,abc,三點(diǎn)在同一波陣面上，相位相等，到達(dá)F 點(diǎn)相位相等，形成亮點(diǎn)，所以透鏡的引入不會引起附加的光程差。,a,g,c,b,h,,,,,,,,,,,.,.,.,,,.,.,e,F,屏,.,d,,,.,二.透鏡的等光程性,垂直入射時：,,F,屏,,,,,,a,c,b,.,.,.,,,,abc,三點(diǎn)在同一波陣面上，相位相等，到達(dá)F 點(diǎn)相位相等， 形成亮點(diǎn)，透鏡的引入同樣不會引起附加的光程差。,傾斜入射時：,結(jié)論：薄透鏡不引起附加的光程差。,例5. 用薄云母片（n = 1.58）覆蓋在楊氏雙縫的其中一條縫上，這時屏上的零級明紋移到原來的第七級明紋處。如果入射光波長為550 nm，問云母片的厚度為多少？,解：,P 點(diǎn)為七級明紋位置,插入云母后，P點(diǎn)為零級明紋,
波動光學(xué)1楊氏雙縫干涉
