【正文】 波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ) 西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院物理系 第 131頁(yè) 第 13章 波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ) 波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ) 西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院物理系 第 132頁(yè) 光學(xué) 幾何光學(xué) 波動(dòng)光學(xué) 量子光學(xué) 以光的直線傳播性質(zhì)為基礎(chǔ)，研究光在透明介質(zhì)在傳播問(wèn)題。 以光的波動(dòng)性質(zhì)為基礎(chǔ)，研究光的傳播及其規(guī)律問(wèn)題。 以光和物質(zhì)相互作用時(shí)顯示的粒子性為基礎(chǔ)來(lái)研究光學(xué)問(wèn)題。 主要內(nèi)容 主要內(nèi)容 光的直線傳播定律 光的獨(dú)立傳播定律 光的反射、折射定律 光的干涉 光的衍射 光的偏振 波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ) 西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院物理系 第 133頁(yè) 光的微粒說(shuō)和波動(dòng)說(shuō) 1668年英國(guó)科學(xué)家牛頓 （ Newton） 提出光的 微粒說(shuō) ， 1678年荷蘭物理學(xué)家惠更斯 （ Huygens） 提出光的 波動(dòng)說(shuō) 。兩種學(xué)說(shuō)的爭(zhēng)論持續(xù)了幾個(gè)世紀(jì)，起初微粒說(shuō)占優(yōu)，到 19世紀(jì)初，人們對(duì)光本質(zhì)的認(rèn)識(shí)逐漸趨向于波動(dòng)說(shuō)。 牛頓 (Newton) 光是一種粒子 ! 光是一種波 ! 惠更斯 (Huygens) 波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ) 西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院物理系 第 134頁(yè) 光的干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象證實(shí)了光的波動(dòng)性，而黑體輻射、光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)等又證實(shí)了光的微粒性，光具有“ 波粒二相性 ” （ Waveparticle duality）。 光在傳播的過(guò)程中主要表現(xiàn)出波動(dòng)性，而在與物質(zhì)相互作用時(shí)主要表現(xiàn)出微粒性。 波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ) 西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院物理系 第 135頁(yè) 167。 光是電磁波 一 . 電磁波 u?E?H?1. 電磁波的產(chǎn)生 凡做加速運(yùn)動(dòng)的電荷都是電磁波的波源 例如：天線中的振蕩電流 分子或原子中電荷的振動(dòng) 2. 對(duì)電磁波 )(c o s0 urtEE ?? ??? )(c o s0 urtHH ?? ???平面簡(jiǎn)諧電磁波的性質(zhì) (1) (2) 電磁波是 橫波 ? 的描述（平面簡(jiǎn)諧波） ? ?H,E ??E? H?和 傳播速度相同、 相位相同 u//HE ??? ?Oxyz波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ) 西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院物理系 第 136頁(yè) HE ?? ?(3) 量值上 (4) 波速 ??1?u 1800sm109 9 7 921 ????? .c ??(5) 電磁波具有波的共性 —— 在介質(zhì)分界面處有反射和折射 u?00?????rr??? r??221 Ew ??3. 電磁波的能量密度 真空中 折射率 221 H??波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ) 西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院物理系 第 137頁(yè) 能流密度 dA u?S?uwtA wtuAS ?? ??? dd dd????1)21(21 22 HE ??HE ?? ?EH?HES ??? ??結(jié)論 ： I 正比于 E02 或 H02, 通常用其相對(duì)強(qiáng)度 2021 EI ?tud坡印亭矢量 表示 （ 坡印亭矢量 ） S?波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ) 西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院物理系 第 138頁(yè) 4. 光波的基本性質(zhì) （ 1） 光矢量 ：由于光波中 起主要作用，用 E? E? 描述光波， 稱(chēng)為光矢量。 （ 2） 光強(qiáng) ：光的強(qiáng)度 I 20EI ?（ 3） 折射率 ：介質(zhì)的折射率 u? rr???（ 4） 光的頻率 ：光在不同介質(zhì)中傳播時(shí)，頻率不變（光源 相對(duì)介質(zhì)靜止），波長(zhǎng)、波速可不同。 波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ) 西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院物理系 第 139頁(yè) 二 . 光是電磁波 光色 波長(zhǎng) (nm) 頻率 (Hz) 中心波長(zhǎng) (nm) 紅 760~622 660 橙 622~597 610 黃 597~577 570 綠 577~492 540 青 492~470 480 蘭 470~455 460 紫 455~400 430 1414 10841093 ?? .~.1414 10051084 ?? .~.1414 10451005 ?? .~.1414 10161045 ?? .~.1414 10461016 ?? .~.1414 10661046 ?? .~.1414 10571066 ?? .~.可見(jiàn)光七彩顏色的波長(zhǎng)和頻率范圍 波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ) 西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院物理系 第 1310頁(yè) 167。 光源 光波的疊加 一 . 光源 (1) 熱輻射 (2) 電致發(fā)光 (3) 光致發(fā)光 (4) 化學(xué)發(fā)光 能級(jí)躍遷 波列 波列長(zhǎng) L = ? c 自發(fā)輻射 非相干 (不同原子發(fā)的光 ) 非相干 (同一原子先后發(fā)的光 ) . . (5) 同步輻射光源 (6) 激光光源 受激輻射 自發(fā)輻射 E2 E1 ? ? h/EE 12 ???波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ) 西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院物理系 第 1311頁(yè) 3. 光譜 （ 1） 單色光 僅含單一頻率的光（理想）。 （ 2） 復(fù)色光 含有多種頻率的光。 （ 3） 光譜 復(fù)色光按頻率（波長(zhǎng)）展開(kāi)形成的譜。 （ 4） 色散元件 能將復(fù)色光展開(kāi)的元件，如三棱鏡、光柵。 （ 5） 頻譜寬度 ?????I0I20I波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ) 西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院物理系 第 1312頁(yè) 二 .光波的疊加原理 1 2 r1 r2 P 光源 1在 P 點(diǎn)產(chǎn)生光矢量 1E?光源 2在 P 點(diǎn)產(chǎn)生光矢量 2E?P 點(diǎn)的合光矢量為 21 EEE??? ??三 .光波的疊加 )c o s ( 1111011 ??? ??? c rtEE ?? )c o s ( 2222022 ??? ??? c rtEE ??21 EEE P ??? ?? 2122212 2 EEEEE P ?? ????兩光源在 P 點(diǎn)產(chǎn)生的 波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ) 西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院物理系 第 1313頁(yè) 21 EE ?? ?21 ?? ? 21 III P ??)( 21 ?? ? 不恒定 非相干疊加的結(jié)果 (1) (2) (3) 有下列情況之一 ， 發(fā)生光的非相干疊加 如兩個(gè)手電照到同一區(qū)域 ， 該區(qū)域的亮度增加 。 (1) 光 相干疊加現(xiàn)象 (2) 相干條件 )( 21 ?? ? 恒定 21 ???21 EE?? 不垂直① ② ③ 頻率相同 、 相位差恒定 、 光矢量振動(dòng)方向平行 2122212 2 EEEEE P ?? ????波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ) 西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院物理系 第 1314頁(yè) 1 2 r1 r2 P (3) 相干疊加公式 )22c os ( 11011 ???????? rtEE)22c o s ( 22022 ???????? rtEE21 EEE ??2EI ?由 c o s 2 2121 ????? IIIII?????????? 2121 2rr波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ) 西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院物理系 第 1315頁(yè) π2 ,k????2121ma x 2 IIIIII ???? )π12( ,k ???? ?2121mi n 2 IIIIII ????021 III ?? 04II ?021 III ?? 0?I...,k 3210?...,k 3210?如果 如果 相干光源 :同一原子的同一次發(fā)光 (4) 相干疊加極大條件 (5) 相干疊加極小條件 波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ) 西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院物理系 第 1316頁(yè) 167。 獲得相干光的方法 楊氏實(shí)驗(yàn) 獲得相干光的方法 1. 分波陣面法 （楊氏實(shí)驗(yàn) ) 2. 分振幅法 （薄膜干涉 ) Thomas Young (1773 ―1829) 英國(guó) 物理學(xué)家、醫(yī)生和考古學(xué)家，光的波動(dòng)說(shuō)的 奠基人之一。 醫(yī)學(xué)： 1793年發(fā)現(xiàn)了眼睛晶狀體的聚焦作用； 波動(dòng)光學(xué)： 1801年的楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，首次引 入 “干涉”概念論證了光的 波動(dòng)說(shuō)，并解釋了牛頓環(huán)的成因及薄膜的彩色， 1817年提出光 是橫波 ； 生理光學(xué)： 第一個(gè)測(cè)定了 7種顏色光的波長(zhǎng)；從生理角度說(shuō)明了人眼的色盲 現(xiàn)象，提出了三原色理論； 材料力學(xué)： 楊氏彈性模量； 考古學(xué)： 破譯古埃及石碑上的文字。 波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ) 西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院物理系 第 1317頁(yè) 楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn) 1s2s明條紋位置 明條紋位置 明條紋位置 S? 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 為了觀察到較清晰的干涉圖樣，實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)該滿(mǎn)足： （ 1） S1 、 S2 間距較小，約為 ～ 1 mm ；而且它們與 S 的距離相等；（ 3）光屏 M與雙縫 S1 、 S2 間距較大，約為 1 m ；（ 4）光源的單色性較好。 波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ) 西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院物理系 第 1318頁(yè) ? 理論分析 d x r2 s1 s2 D P ?S ?x o 21 s i nr r d??? ? ?tand ??? ? , d D x D?? ????xdD?2 2 22 ()2dr D x? ? ?2 2 21 ()2dr D x? ? ?222 1 1 2 2 12 ( ) ( )r r x d r r r r? ? ? ? ?21212 xdrrrr?? ? ? ? ?? ? , ,d D x y D?? ?? 22x d x dDD?? ? ?波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ) 西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院物理系 第 1319頁(yè) 22?? ???? kDxd?,kkDxd 2102)12( ?????? ?? 光強(qiáng)極小 （光強(qiáng)極大位置 — 明條紋） dDkx 22 ???( 2 1 )2( 2 1 )2DxkdDkd???? ? ?? ? ?光強(qiáng)極大 （光強(qiáng)極小位置 — 暗條紋） ?,k 210?k=0稱(chēng)為中央明條紋， k=1稱(chēng) 為 1級(jí)明條紋， k=2稱(chēng)為 2級(jí)明條紋，以此類(lèi)推，除中央明條紋外，其余明條紋在中央明條紋兩側(cè)對(duì)稱(chēng)分布。 1, 2 ,k ? … （沒(méi)有零級(jí)暗條紋） 波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ) 西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院物理系 第 1320頁(yè) (1) 屏上相鄰明條紋中心或相鄰暗條紋中心間距為 dDx ??? 一系列平行的明暗相間條紋 (4) 當(dāng)用白光作為光源時(shí)，在零級(jí)白色中央條紋兩邊對(duì)稱(chēng)地排列著幾條彩色條紋 討論 (2) 已知 d , D 及 Δx,可測(cè) ? (3) Δx 正比 ? , D 。 反比 d 波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ) 西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院物理系 第 1321頁(yè) 波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ) 西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院物理系 第 1322頁(yè) D條紋間距 Δx與 d 的關(guān)系 波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ) 西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院物理系 第 1323頁(yè) 影響條紋的因素： 要使 Δx能夠用人眼分辨，必須使 D足夠大， d 足夠小，否則干涉條紋密集，以致無(wú)法分辨。 波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ) 西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院物理系 第 1324頁(yè) 二 . 洛埃鏡 （洛埃鏡實(shí)驗(yàn)結(jié)果與楊氏雙縫干涉相似） 接觸處 , 屏上 O 點(diǎn) 出現(xiàn)暗條紋 半波損失 ? 1sP M 2sd39。dP39。L 波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ) 西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院物理系 第 1325頁(yè) (1) 明紋間距分別為 mm35001 1089356004...dDx ????????mm035010 1089356004..dDx ????????(2) 雙縫間距 d 為 mm450650 1089356004...xDd ????????雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中 ， 用鈉光燈作單色光源 ， 其波長(zhǎng)為 nm，屏與雙縫的距離 D=600 mm 解 例 求 (1) d = mm 和 d =10 mm， 兩種情況相鄰明條紋間距分別為多大 ？ (2) 若相鄰條紋的最小分辨距離為 mm， 能分清干涉條紋的雙縫間距 d 最