大学物理教案-第10章 波动光学

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授课章节 第12章 波动光学 1. 掌握产生光的干涉现象的条件；了解获取相干光的方法：分波阵面法和分振幅法； 2. 理解光程、光程差的物理意义，掌握光的干涉加强和减弱的机理；正确判断光在不同媒质界面上反射时有无“半波损失”以及所引起的附加光程差； 3. 掌握杨氏双缝干涉、薄膜干涉、劈尖干涉和牛顿环等干涉现象的特征，并能熟练地计算光程差及光程差与干涉条纹之间的变化关系； 教学目的 4. 熟练半波损失的概念及其对干涉条纹分布规律的影响；了解迈克耳孙干涉仪的构造、工作原理及主要应用。 5. 掌握单缝夫琅禾费衍射条纹的分布规律，能用半波带法对此分布规律进行解释； 6. 了解光栅衍射图样的特点及其成因，掌握光栅公式的应用及光栅光谱的缺级现象。 7. 理解自然光、线偏振光与部分偏振光的区别与表示； 8. 理解起偏器与检偏器的原理与作用，掌握马吕斯定律及其应用； 9. 理解反射光完全偏振的条件，掌握布儒斯特定律及其应用。 1. 理解半波损失的发生条件； 2. 能具体分析光的干涉条纹的移动； 3. 理解半波带法解释单缝衍射条纹的分布； 4. 熟悉光的干涉与光的衍射的区别； 5. 掌握光栅衍射的缺级现象并能具体解题； 6. 掌握光栅衍射时屏上最多能见到的条纹级数分析， 7. 理解关的偏振性； 教学重点、难点 教学内容 §12.1 杨氏双缝干涉 一、 光源 1、光源：能发光的物体称为光源 2、分类：常用的光源有两类：普通光源和激光光源 热光源---用热能激发。如白炽灯。 普通光源 化学能激发--磷发光。 电致发光--电能激发、如稀薄气体通电时的辉光. 冷光源 荧光物质--光源照射时发光、 停止照射时不发光。 光致发光--光能激发 磷光物质--移去光源仍发光 1

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3、普通光源发光机制: 普通光源的发光过程是在原子的内部进行的。大量分子和原子在热能的激发下处于高能量的激发态，当它从激发态返回到较低能量状态时，就把多余的能量以光波的形式辐射出来。 由于各个分子或原子的发光参差不齐，彼此独立，互不相关，因而在同一时刻，各个分子或原子发出波列的频率、振动方向和相们都不相同。即使是同一个分子或原子，在不同时刻所发出的波列的频率、振动方向和相们也不尽相同 4、光的颜色和光谱 光的颜色由光的频率决定。 （1）单色光：具有单一频率的光。一个分子在某一瞬间发出的单一频率?的光波。但有一定的频率宽度??。??越小、光的单色性越好。 （2）复色光：大量分子或原子发出的具有不同频率的光波的复合光，又称为白光。 （3）光谱：可见光按频率从小到大或真空中的波长从长到短排列形成由红到紫的彩色光带称为光谱。 5、光强 光波是电磁波，它是横波、可用两个互相垂直的振动矢量E和H来表征。E和H都和电磁波的传播方向垂直。在光波中，引起眼睛视觉效应和照相底片感光作用的是电场强度E，因此E称为光矢量，E的振动称为光振动。 人眼或感光仪器所检测到的光的强弱由平均能流密度决定，平均能流密度正比于电场强度振幅E0的平方。 2光的强度（平均能流密度）：I?E0 二、光的相干性 1、 两独立光源不是相干光 由于分子或原子发光的间隙性和随机性。来自两个独立光源的两束光叠加后的光强等于两光束单独照射时的光强之和，观察不到干涉现象。 I?I1?I2 2、 相干叠加 利用某些方法获得的两束相干光，在光场中指定点的相位差??具有恒定值，在相遇空间的某点合成的光强为 I?I1?I2?2I1I2cos?? ????2??1?若两束相干光的光强相同，即I1?I2?I0，则 当????2k?时，这些位置的光强最大 I?4I0 当????(2k?1)?时，这些位置的光强最小 I?0 2 2??(r2?r1) 大学物理学

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三、杨氏双缝干涉 杨氏双缝干涉实验是1801年，英国人托马斯?杨首次从实验上研究了光的干涉现象， 也是首次把光的波动学说建立在坚实的实验基础之上。 1. 实验装置 单色平行光通过狭缝S形成一列柱面波。 此面波又透过狭缝S1和S2后形成两列柱面波。 由惠更斯原理知，S1和S2可以看成为此两列波的 波源。 这两列波在空间发生重叠而产生干涉，即在 屏幕上出现明暗相间的条纹(平行于缝S1和S2)。 2. 干涉条纹的分析: 光程差： ??r2?r1?dsin??dtan? x ?dD 两列波干涉加强或干涉减弱的条件 ????r2?r1??2k加强（明纹） ??2 ?????r?r???2k?1?减弱（暗纹） 21??2 3. 明暗条纹的位置: D? x??k?明纹位置??d ? ?x??(k?1)D?暗纹位置 ?2d? 4. 条纹的特点： （1） 明暗相间，以0点对称排列。 （2） 相邻两亮纹(或暗纹)的间距为 ?x?xk?1?xk?D?。 d （3）?x随 D， d和 ?的变化 d ? ? ?x 大 (变疏)、d ? ? ?x 小 (变密)； D ? ? ?x 大 (变疏)、D ? ? ?x 小 (变密)； （4）?x随?的变化：?x ? ?，即?小 ? ?x小(条纹密)；?大 ? ?x大(条纹疏)。 （5）白光光源干涉条纹的特点： ①中央为白色条纹。 ②每级条纹有一定的宽度，相邻两级条纹可能会发生重叠. 3

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四、其他分波面干涉装置 1. 菲涅尔双面镜实验 两反射镜把 S 发的光分成两部分。可以看作是两个虚光源S1和S2发出的光 相位分析：同一光源，利用两反射镜改变波面方向。有固定的位相差。从两虚光源看，位相差为2???r1?r2? 条纹位置：可直接利用杨氏双缝干涉的结果作代换 2．洛埃德镜镜实验 S1发的光一部分直接投到屏上，一部分经 M反射到屏上。在重叠区干涉。干涉的两部分光可以看作是一个实光源S1和一个虚光源S2发出的。 相位分析： 对Lloyd镜，也可以认为S1及其象S2是同相的，但同时反射光多(或少)走了半个波长 ?/2 。这样两干涉光的位相差为：???2???r2?r1??； 条纹位置：与杨氏双缝干涉的明暗条纹的位置相反。即杨氏双缝干涉中明纹的位置在洛埃德镜中是暗纹。 五、光程与光程差 1．光程：光在媒质中传播的路程l与媒质折射率n的乘积. L?nl 设频率为 ? 的单色光，则 ?? ?c? 介质中： ?，v?， ?n? (n为折射率) 真空中： ?， c， cnn2. 光程差: 两光束的光程之差 相位差：???(?2?2?r2)?(?1?2?r1)??2?? (?1??2) ??? 光程差：??r2?r1。 3. 透镜不会引起附加光程差 对透镜的物象有一条重要的性质：从物点到象点，沿各条传播路径的光程相等。或物点到象点，沿各条传播路径的光程差为零。 4 大学物理学

大 学 物 理 简 明 教 程 教 案 §12.2 薄膜干涉 一、薄膜干涉 利用薄膜上下两表面对入射光的反射，使入射光的振幅分解为两个部分。这两部分光相遇而产生干涉。 最简单的分振幅干涉就是一块透明介质薄膜的干涉。来自各个方向的光照射到厚度均匀薄膜后，在 ? 处产生的干涉(不能用眼睛直接观察。) 光程差分析 ??n2AB?BC?n1AD????2， 明纹?k??2则有 ??2en2 ?n12sin2i???12?(k?)?暗纹?2? 当光束垂直入射时、即i?0时，薄膜上下两表面反射光的光程差 明纹?k??? ??2n2e??? 12?(k?)?暗纹?2注意：一般情况下，这个 ?的半波损失要具体分析是否存在。 2二、增透膜和增反膜 1. 增透膜：膜的厚度适当时，可使所用单色光在膜的上下表面的反射光因干涉而相消。于是单色光就几乎完全不反射而透过薄膜。这种使透射光增强的薄膜就是增透膜。 在现代光学仪器中，为了减少入射光能量在透镜等元件的玻璃表面上反射时所引起的损失，常在镜面上镀一层厚度均匀的透明薄膜（常用的有氟化镁MgF2），它的折射率介于玻璃与空气之间。 2. 增反膜：利用薄膜上、下表面反射光的光程差满足干涉相长条件，从而使反射光增强。这种使反射光增强的薄膜叫增反膜。 例1：增透膜常用的有氟化镁MgF2(n =1.38)，为使??550nm的光增透、则膜的最小厚度应是多少？ 解：对透镜来说，垂直入射i= 0。 膜上下表面两反射光的光程差: 1 2 n1 e n n2?n?n1，∴ 无附加的“半波损失”。 当??2ne?(2k?1)??2ne, ?2 5

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