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第十四章 波动光学-干涉(楼)

第十四章 波动光学-干涉(楼)

S1
e
(n 1)e 4 e 4 4104
n
A
n1
S1
三. 劳埃德镜实验
平面镜MM’下表面涂黑，光仅从上表面反射
S 和 S’相当于两个相干光源
实验结果表明： 反射光的相位 光源
接收屏
此 处 出 现
改变了 π ，称为半
波损失
暗 条 纹
干涉条纹与杨
氏实验结果的类似
MM’中镜像 小平面镜
理论和实验证明：
k 2n
2k 4n
1
k 0,1,2,3, 明纹 k 0,1,2,3, 暗纹
棱边处为明纹
则两束 反射光
劈尖中流体的折射率和其两侧介质折射率的影响
n1
总结
n
n2
n1, n2均 n
同一原子先后发出的波列振动方向和频率不一 定相同，相位间无固定关系。
不同原子发出的波列振动方向和频率也不一定 相同，相位间无固定关系。
不同原子发的光
同一原子先后发的光
结论：两个独立光源发出的光波或同一光源两 部分发出的光波在相遇区观察不到干涉现象。
2. 相干光的获得方法 为实现光的干涉，可以从同一波列分离出两个
S2 n2 t2
D n2t2 - n1t1
例3、杨氏双缝干涉实验中，若在下缝盖住一均匀介质，折射率 为n，厚度为t，则中央明纹向 下 平移，若所用波长为 5500Å
中央明纹将被第六级明纹取代，设t=5.5µm, 折射率为 1.6 。
r [r (n 1)t] (n 1)t
t
(n 1)t 6 n 6 1 1.6
n1 光
反射光1
C
2n2e
1 2
n11
D2n2e
1 2

波动光学 14-1 相干光

波动光学 14-1 相干光

物理学教程 （第二版）
第十四章

波动光学
第十四章 波动光学
14 – 1 相干光 一
物理学教程 （第二版）
光是一种电磁波 光矢量 用 E 矢量表示光矢量, 它在引起人眼视 觉和底片感光上起主要作用 . 真空中的光速
c 1
0 0

0
、 表示真空中的电容率、和磁导率
0
可见光的范围
: 400 ~ 760 nm : 7 . 5 10
1
2
P
t:
10
8
~ 10
10
s
第十四章 波动光学
14 – 1 相干光 2）相干光的获取 波阵面分割法
物理学教程 （第二版）
振幅分割法
I
I
1
I
2
s1
光源 *
s2
第十四章 波动光学
14 – 1 相干光
物理学教程 （第二版）
单色激光光源不同原子所发的光具有相干性
激光束干涉实验
第十四章 波动光学
14
~ 4 . 3 10
14
Hz
第十四章 波动光学
14 – 1 相干光
物理学教程 （第二版）
二
相干光
两束光的光矢量满足相干条件（频率、振动方向 相同、相位相同或相位差保持恒定）。 1）普通光源的发光机制
E h
普通光源发光特点：
原子发光是断续的，每次 发光形成一长度有限的波列；
各原子各次发光相互独立， 各波列互不相干.

大学物理波动光学课件

大学物理波动光学课件

麦克斯韦电磁理论：19 世纪中叶，英国物理学 家麦克斯韦建立了电磁 理论，揭示了光是一种 电磁波，为波动光学提 供了更加深入的理论根 据。
在这些重要人物和理论 的推动下，波动光学逐 渐发展成为物理学的一 个重要分支，并在现代 光学、光电子学等领域 中发挥了重要作用。
02 光的干涉
干涉的定义与分类
定义 分类 分波前干涉 分振幅干涉
干涉是指两个或多个相干光波在空间某一点叠加产生加强或减 弱的现象。
根据光源的性质，干涉可分为两类，分别是ห้องสมุดไป่ตู้波前干涉和分振 幅干涉。
波前上不同部位发出的子波在空间某点相遇叠加产生的干涉。 如杨氏双缝干涉、洛埃镜、菲涅尔双面镜以及菲涅尔双棱镜等
。
一束光的振幅分成两部分（或以上）在空间某点相遇时产生的 干涉。例如薄膜干涉、等倾干涉、等厚干涉以及迈克耳孙干涉
波动光学与几何光学的比较
几何光学
几何光学是研究光线在介质中传播的光学分支，它主要关注 光线的方向、成像等，基于光的直线传播和反射、折射定律 。
波动光学与几何光学的区分
波动光学更加关注光的波动性质，如光的干涉、衍射等现象 ，而几何光学则更加关注光线传播的几何特性。两者在研究 对象和方法上存在差异，但彼此相互补充，构成了光学的完 整体系。
VS
马吕斯定律
当一束光线通过两个偏振片时，只有当两 个偏振片的透振方向夹角为特定值时，光 线才能通过。这就是马吕斯定律，它描述 了光线通过偏振片时的透射情况。这两个 定律在光学和物理学中都有着广泛的应用 。
THANKS
感谢观看
分类
根据障碍物的大小和光波波长的相对 关系，衍射可分为菲涅尔衍射和夫琅 禾费衍射。
单缝衍射与双缝衍射
单缝衍射

大学物理物理学波动光学PPT课件

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一束光分解为振动面垂直的两束光。
S2
E
2、杨氏双缝干涉实验装置
1801年，杨氏巧妙地设计了一种把单个波阵面分解为两个 波阵面以锁定两个光源之间的相位差的方法来研究光的干涉现 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 光的波长，为光的波动学说的确立奠定了基础。
3、双缝干涉的光程差
两光波在P点的光程差为 = r2-r1
?人的眼睛不能区分自然光与偏振光用于鉴别光的偏振状态的器件称为检偏器2偏振片是一种人工膜片对不同方向的光振动有选择吸收的性能从而使膜片中有一个特殊的方向当一束自然光射到膜片上时与此方向垂直的光振动分量完全被吸收只让平行于该方向的光振动分量通过即只允许沿某一特定方向的光通过的光学器件叫做偏振片
绪言
一、光学的研究内容 二、光的两种学说
薄膜干涉属于分振幅法
1、等倾干涉：
实验装置
在空气（或真空）中放入上
下表面平行，厚度为 e 的均 匀介质 n
光a与光 b的光程差为：
n(AB BC) (AD / 2)
光a有半波损失。
a
iD
b
n
A r
C e
B
由折射定律和几何关系可得出：
sin i nsin
AD ACsin i AC 2e tan n AB BC e / cos 代入 n(AB BC) (AD / 2)
光的干涉和衍射现象表明了光的波动性， 而光的偏振现象则显示了光是横波。光波作为 一种电磁波也包含两种矢量的振动，即电矢量 E和磁矢量H，引起感光作用和生理作用的是其 中的电矢量E，所以通常把E矢量称为光矢量， 把E振动称为光振动。
§8－1 光波及其相干条件
一、光波
1．光波的概念：

波动光学讲课课件

波动光学讲课课件

结论：
h E2 E1
h
诱发光子
E2
受激辐射光子
h
h
诱发光子
E1
受激辐射过程所发出的光是相干光.
2021/2/20
4. 相干光的获得方法
(1) 分波前法（分波面干涉法） 当从同一个点光源或线光源发出的光波到达某平面时，
由该平面(即波前)上分离出两部分.
(2) 分振幅法（分振幅干涉法） 利用透明薄膜的上下两个表面对入射光进行反射，产生
中央明纹上移
2021/2/20
例: 用折射率 n =1.58 的很薄的云母片覆盖在双缝实验中的一条 缝上，这时屏上的第七级亮条纹移到原来的零级亮条纹的 位置上. 如果入射光波长为 550 nm.
求: 此云母片的厚度.
解: 设云母片厚度为 d. 无云母片时, 零级亮纹在屏上 P 点, 则到 达 P 点的两束光的光程差为零. 加上云母片后, 到达P点的两 光束的光程差为:
如果
I Imin I1 I2 2 I1I2
I1 I2 I0
I 0
2021/2/20
3. 非相干叠加 若 在时间τ内等概率地分布在0 ~ 2π, 则干涉项：
cos 0
I I1 I2
如果
I1 I2 I0
I 2I0
4.相干条件、相干光源
(1)频率相同
相干条件 (2)相位差恒定
x
0.065
2021/2/20
例: 用白光 (400~760nm) 作光源观察杨氏双缝干涉. 设缝间距为d, 缝与屏距离为 D.
求: 能观察到的清晰可见光谱的级次. 解: 在 400 ~ 760 nm 范围内, 明纹条件为:
xd k
D 最先发生重叠的是某一级次的红光和高一级次的紫光

第14章波动光学基础ppt课件

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解 (1) 明纹间距分别为
xD 60 5 .8 0 913 4 0 0 .3m 5 m
d
1 .0
xD 6 05 .8 0 9 1 3 4 0 0 .0m 35m
d
10
(2) 双缝间距 d 为
dD 60 5.0 89 13 4 05.4mm
x
0.065
例 用白光作光源观察杨氏双缝干涉。设缝间距为d ，缝面与 屏距离为 D
r1
n
2 n(r2d)n dnr1 S 2 r2
n d
•P
物象之间等光程原理
光程1
S•
光程2 •S
光程3
光程1=光程2=光程3
例 用折射率 n =1.58 的很薄的云母片覆盖在双缝实验中的一条 缝上，这时屏上的第七级亮条纹移到原来的零级亮条纹的 位置上。如果入射光波长为 550 nm
求 此云母片的厚度是多少？
3. 若M1平移 d 时，干涉条纹移过 N 条，则有
dN
2
四. 时间相干性
Байду номын сангаас
两光束产生干涉效应的最大光程差称为相干长度,与相干长
度对应的光传播时间称为相干时间
相干长度 L 和谱线宽度 之间的关系为 L2
五. 应用
1. 微小位移测量
dN
2
2. 测波长
2d
N
3. 测折射率
§14.7 惠更斯—菲涅耳原理
E
O
u
相位相同
z
(2) 电磁波是横波 E H /u /
H
x
二. 光是电磁波
可见光七彩颜色的波长和频率范围
光色 波长(nm) 红 760~622 橙 622~597 黄 597~577 绿 577~492 青 492~470 兰 470~455 紫 455~400

大学物理波动光学PPT课件


例2：例11-2
n3 n2 n1
23
n1
氟化镁 n2
玻璃
d
n3 n2
第11页/共44页
11.2 光的衍射
衍射现象： 只有当波长与障碍物的线度可比拟 时，才能观察到明显的衍射现象。
惠更斯-菲涅尔原理 子波干涉 夫琅和费单缝衍射：光源、单缝、屏幕距离无穷远 缝宽a、波长λ、焦距f、衍射角φ
S
L1 R
入射光之间附加了半个波长的波程差，称为半波损失。折射光 没有半波损失。
第7页/共44页
光程
真空中: C、 介质中: C' 、 '
同一束光在不同的介质中频率不变。
C C' '
n C C' '
'
n
2 r 2 nr '
即光在介质中传播r的波程与其在真空中
传播nr的波程产生的相位差相同.
l
dl
I I0

ln I l
I0
I I 0 e l
dl
I0
I
c I I0e cl
朗伯-比尔定律
第29页/共44页
令透射比 吸收度 消光系数
T I e cl I0
A logT cl loge
loge
比色计 分光光度计 光谱分析
A cl
第30页/共44页
本章小结
➢ 干涉：杨氏双缝干涉 薄膜干涉、半波损失、光程
I
0
一级光谱
ab
三级光谱 二级光谱
第40页/共44页
sin
光谱分析
由于不同元素（或化合物）各有自己特定的光谱，所以由谱线的成 分，可分析出发光物质所含的元素或化合物；还可从谱线的强度定量分 析出元素的含量．

《波动光学》ppt课件

物理意义
马吕斯定律是定量描述偏振光通过检偏器后透射光强与入射线 偏振光和检偏器透振方向夹角之间关系的定律，是波动光学中 的重要公式之一。
晶体中双折射现象解释
双折射现象
当一束光入射到各向异性的晶体时，会分成两束光沿不同方向折 射的现象。
产生原因
晶体内部原子排列的规律性使得晶体具有各向异性，导致不同方向 上折射率不同。
研究中的应用。
03
非线性波动光学应ห้องสมุดไป่ตู้领域
概述非线性波动光学在光通信、光计算、光信息处理等领域的应用前景。
量子波动光学发展动态
量子波动光学基本概念
阐述光的量子性质及其与波动光学的关系，包括光子、量子态、量子纠缠等。
量子波动光学研究方法
介绍量子光学实验技术、量子信息处理方法等在量子波动光学研究中的应用。
薄膜干涉实验操作
阐述薄膜干涉实验的基 本原理和实验方法，包 括等厚干涉和等倾干涉 的实现方式及条纹特征。
衍射实验数据处理方法分享
衍射实验基本概念
解释衍射现象的产生条件和基本原理，介绍衍射光栅、单 缝衍射等实验方法。
01
衍射光栅数据处理
分享衍射光栅实验的数据处理技巧，包 括光栅常数、波长等参数的测量方法和 误差分析。
03
复杂介质中波动光 学应用领域
概述复杂介质中波动光学在生物 医学成像、环境监测与治理、新 能源等领域的应用前景。
06
实验方法与技巧指 导
基本干涉实验操作规范介绍
干涉实验基本概念
阐述干涉现象的产生条 件和基本原理，解释相 干光波的概念及获得方 法。
双缝干涉实验操作
详细介绍双缝干涉实验 的实验装置、操作步骤 和注意事项，以及双缝 干涉条纹的特点和分析 方法。

大学物理-波动光学-波动光学(ppt模板)


2ne

k
3
空气
1
2
n 1=1
k 0, 0 1.70 106 m k 1, 1 5.67 107 m k 2, 2 3.40 10 m
7
肥皂膜
空气
e
n=1.33 n 1=1
绿色
5 4
由反射光减弱的条件得: 2ne ( 2k 1 ) 2 2 k 0 ,1 ,2 ,
获得相干光的途径（方法）
分波阵面法
从同一波阵面上的不同部分产生的次级波满足相干条件。
分振幅法 利用光的反射和折射将同一光束分割成振幅 (能量)较小的两束相干光。
分波阵面法 分振幅法
P
S*
S *
P · 薄膜
3、光程与光程差
c u (1).光在折射率为n 的介质中的传播速度： n (2).光在折射率为n 的介质中的波长： n n
波动方程
x y A cos[ ( t ) ] ut x Acos[ 2 ( ) ] T
两列频率相同，振动方向 平行，相位相同或相位差恒定 的波（相干波）相遇时，使某 些区域振动始终加强，而另一些区域振动始 终减弱的现象 3 、干涉的讨论 设两列相干波的波源 s1 和 s2 其振动方程 r1
5 4
四、常见的两种等厚薄膜干涉 1．劈尖干涉 （1）装置：图示G1下表面和G2上 表面形成劈尖中间为空气（n=1）— 空气 劈尖 G1 （2）干涉条纹 n G2 光线垂直入射，反射光 (1)(2)的干涉，光程差 2nd S（1） 2 （为什么） （2） （明） k n 2nd （暗）
（光在介质界面反射时相位突变引起）
2

第14章-波动光学


39
14-6 单缝衍射
二 光强分布
bsin 2k k
b sin
(2k
2 1)
2
干涉相消（暗纹） 干涉加强（明纹）
I
3 2
bb b
o 2 3 sin
bbb
40
14-6 单缝衍射
S
L1 R
b
L2
Px
x
O
f
I
当 较小时，sin
x f
3 2 o 2 3 sin
b
b
栅）；偏振
1
第十四章 波动光学
14-1 相干光 14-2 杨氏双缝干涉 光程 14-3 薄膜干涉 14-4 迈克尔逊干涉仪 14-5 光的衍射 14-6 单缝衍射 14-7 圆孔衍射
光学仪器的分辨本领
14-8 衍射光栅 14-9 光的偏振性 马吕斯定律 14-10 反射光和折射光的偏振 *14-11 双折射现象 *14-12 旋光现象 14-13 小结 14-14 例题选讲
1）劈尖 d 0
Δ 为暗纹.
2
(k 1) （明纹）
d 2 2n k 2n （暗纹）
25
14-3 薄膜干涉
2）相邻明纹（暗纹）间的厚度差
di1
di
2n
n
2
3）条纹间距（明纹或暗纹）
D L n 2
b
b D n L L
2n
2b 2nb
b
n1 n
L
n n / 2 D
n1
b 劈尖干涉
b
b
b
b
3 f 2 f f
bbb
f b
2 f b
3 f b
x
41
14-6 单缝衍射
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C
B
屏
幕
1级明纹
I 中央
明纹 -1级明纹
-2级明纹
-3级明纹
光栅衍射明纹条件 光栅方程
( a b ) si n k ( k 0 ,1 ,2 , )
讨 论： 1）光强分布 亮纹的光强 I N2I0
（ N ：狭缝数，I 0 ：单缝光强）
光栅中狭缝条数越多，明纹越亮.
。。
14
( a b ) si n k ( k 0 ,1 ,2 , )
2
级
3
5
6
I
缺
缺
d 5 a -6
级
-4
3 -2
-1
0
1
2
3
级
46
。。
20
光栅（N=5；d/a=3）
缺 级
-5 -4 -2 -1
I
缺 级
1 2 45
。。
21
5）光栅光谱 白光投射在光栅上，在屏上除零级主极大明
条纹由各种波长混合仍为白光外，其两侧将形成 由紫到红对称排列的彩色光带，即光栅光谱。
( b b ') si n k ( k 0 ,1 ,2 , )
6
。。
7
Figs on 2~。7 a。re from
8
一 光栅——平面衍射光栅
衍射光栅：由大量等间距、等宽度的平行狭缝
所组成的光学元件。 用于透射光衍射的叫透射光栅。
用于反射光衍射的叫反射光栅。
a b
d
刻痕，遮光
未刻，缝 透光
l N
。。
光栅常数 d
d ab l N
数量级为10-5~10-6m
（一厘米内刻有1000---
。。
22
( b b ') si n k ( k 0 ,1 ,2 , )
入射光为白光时，
不同，
不同，按波长分开形成光谱.
k
I
0 一级光谱
三级光谱
b b'
二级光谱
。。
sin
23
I
重叠现象
0 一级光谱
三级光谱
b b'
二级光谱
sin
例如 二级光谱重叠部分光谱范围
(bb')sin3紫
只考虑单缝衍射强度分布
I
单缝衍射
-2
-1
1
只考虑五缝干涉强度分布
o
I
2 sin
多缝干涉
-6 -5 -4 -3 -2 -1 1 2 3 4 5 6 sin
干涉、衍射同时考虑
oI
衍射+干涉
缺
缺
-2
级
级
2 sin
-5 -4
-2 -1 o 1 。。 2
45
17
缺级：既满足光栅方程中的明纹条件，又满足衍射 的暗纹条件 由明纹公式（光栅方程）：
10000条刻痕；亦称为
光栅规格）
9
二 光栅衍射条纹的形成 Y 各单缝分别同时产生单缝衍射。 各单缝衍射的平行光产生多光束干涉。
衍射和干涉
I
的
总效果
光透
栅镜
屏
条纹特点：亮、细、疏
幕
。。
10
各单缝衍射的平行光产生什么样的 多光束干涉？
ddd
aaa bbb
BBB CCC
I
从相邻单缝射出的平行光依次相差 相同的光程BC或相同的相位差
光栅衍射条纹是单缝衍射与多缝干涉的总效果。
。。
12
三 明纹公式：光栅方程
每两个相邻2主明B纹C之间有2N-1条a暗纹b和sNi-n2条次Y明纹（主极大3级明明纹纹）
2k k 0 1. 2. 3...
2级明纹
(a b) sin k k 0. 1. 2.
光栅方程
光 栅
透d 镜
a b
2）条纹最高级数
sink
k
ab
π,
2
k kmaxab
3）光栅L衍2 射明纹位置xD tan fsin fak b
明d 纹 间距
P F
xxk1xk
f
ab
f
ab一定 ， ， x
一a 定 b ， ， x
。。
16
4）缺级现象
在某些特定的衍射方向，满足光栅方程中的明纹条件，但又满足衍射的暗纹 条件时，这一特定方向的明纹将不出现的现象，称为“缺级”。
光强分布
I 中央明纹 第一级
主明纹 第二级 主明纹 次明纹
(ab)sin
3 2 0 2 3
理论计算表明，在两相邻主明纹间有 N - 1 条暗纹 和 N - 2 条次明纹 ，因为次明纹的光强远小于主明纹， 所以暗纹和次明纹连成一片形成暗区.
。。
15
( a b ) si n k ( k 0 ,1 ,2 , )
2）主要公式
( a b )si n k( k 0 ,1 ,2 , )k 称为干涉级
由单缝衍射的暗纹公式：
asink' (k' 1,2,3,) k ' 称为衍射级
同时满足两式，式（1）/（2）得：
a
a
b
k k'
（为整数比）
缺级公式：
k k'ab k'd
aa
k' 1. 2. 3...
。。
18
缺级公式：kk' abk' d (k' 1,2,3, ) aa
不可见
第三级光谱的张角 9 .0 0 5 0 .2 1 3 6 .7 8 4
Байду номын сангаас
第三级光谱所能出现的最大波长
'(bb')sin90 bb' 513nm 绿光
k
3 。。
25
小结：
1）光栅衍射条纹具有亮、细、疏的特点。
亮：每一单缝出射的光强虽小，但N条单缝 的光强叠加起来，光强会增强。
细、疏：光栅的单缝数量很大，光栅常数很小， 在相邻两个主极大明纹之间占着很大的角宽度。
例：一光栅，b=2a。则缺级的明纹：
kk' abk' a2a3k' (k' 1,2,3, )
a
a
故缺级级次 k3k' 3, 6, 9
I
缺
缺
级
级
-5 -4 -2 -1
12
45
。。
19
N=2 双缝衍射
缺
I
缺
d 3
级
级
a
-5 -4 -2 -1 I 1 2 4 5
缺
缺
d a
4-6
-5
级
3 -2
-1
0
1
(bb')sin2
23紫60n0m
二级光谱重叠部分:
4~ 0 70 n 6m 0 60~7 06 n0 m
。。
24
例 用白光垂直照射在每厘米有6500条刻痕的平面
光栅上，求第三级光谱的张角.
解 4~ 0 70 n 6m 0 bb'1/65cm00
紫光 sin1bk1b'0.78
1 51.26
红光 sin2bk 2 b'1.48 1
14 波动光学
。。
1
➢ 大学物理（下） ➢ 14 波动光学
14.8 衍射光栅
。。
2
rr2r1dsin
d x d'
k d'
明纹
x
d
d' (2k
1)
暗纹
d
2
。。
3
asin0
中央明纹中心
asi n2kk
2
干涉相消（暗纹）
asin(2k1)
2
干涉加强（明纹中心）
。。
4
。。
5
同时考虑干涉和衍射
。。
BC (a b) sin d sin
2 BC
即光栅衍射是N个相位依次相差的光振动的叠加
综合：
只考虑单缝衍射强度分布
-2
-1
只考虑五缝干涉强度分布
干涉、衍射同时考虑：
I
o
I
oI
单缝衍射
1
2 sin
多缝干涉
sin
单缝衍射对 光强的调制
-2
2 sin
o
明纹的光强受到衍射光强的调制。（参与干涉的光是衍射的光.）