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1、光学光学 绪 论绪 论 Introduction 光的本性、光现象、光与物质的相互作用光的本性、光现象、光与物质的相互作用。研究对象：研究对象： 光学发展经历了四个阶段光学发展经历了四个阶段 一、几何光学时期（一、几何光学时期（17-18世纪）世纪） 光的直线传播规律、光学仪器、光的本性。光的直线传播规律、光学仪器、光的本性。 二、波动光学（二、波动光学（19世纪初）世纪初） 光的电磁性质和传播规律，特别是干涉、衍射、光的电磁性质和传播规律，特别是干涉、衍射、 偏振的理论与应用。偏振的理论与应用。 三、量子光学时期（三、量子光学时期（19世纪末世纪末-20世纪初）世纪初） 以光的量子理论为基础
2、，研究光与物质的相互作用。以光的量子理论为基础，研究光与物质的相互作用。 光的波粒二象性、光子。光的波粒二象性、光子。 四、现代光学时期（四、现代光学时期（20世纪世纪60年代末）年代末） 激光激光 光的电磁理论光的电磁理论 1. 光是某一波段的电磁波光是某一波段的电磁波 光在真空中的速度光在真空中的速度 00 1 = =c = 310 8 m/s 0 0: 真空的介电常数: 真空的介电常数 0 0: 真空的磁导率: 真空的磁导率 光在透明介质中的速度为：光在透明介质中的速度为： rr c = =v r: 介质的相对介电常数: 介质的相对介电常数 r: 介质的相对磁导率: 介质的相对磁导率 透
3、明介质的折射率透明介质的折射率 rr c n = v 2. 光波的特性：光波的特性： ?光是电磁波，是横波光是电磁波，是横波 t O E ? H ? E ? 电矢量电矢量 V ? ?可见光的频率范围可见光的频率范围 3.9 1014HZ 8.6 1014HZ 真空中的相应波长真空中的相应波长770nm-350nm(7700 3500 3500 ) 红外红外 红红橙橙黄黄绿青绿青兰兰紫紫 紫外紫外 频率小大颜色红紫频率小大颜色红紫 3. 光强光强 2 AI A：电矢量 的振幅：电矢量 的振幅 第一章光的干涉第一章光的干涉 (Interference of light) 1 光源的发光特性和相干光
4、的获得光源的发光特性和相干光的获得 1. 光源光源 光源的最基本发光单元是光源的最基本发光单元是分子分子、原子原子。 = (E2E1) /h E1 E2 能级跃迁辐射能级跃迁辐射波列波列 波列长波列长L = c 2. 普通光源发光特性：普通光源发光特性：自发辐射自发辐射 独立独立(不同原子发的光）不同原子发的光） 独立独立(同一原子先后发的光同一原子先后发的光) 独立：独立： 前后发光间隔前后发光间隔 频率、相位关系频率、相位关系 振动方向、传播方向振动方向、传播方向 3.普通光源获得相干光的途径普通光源获得相干光的途径 p S* * 分波面法分波面法 分振幅法分振幅法 p 薄膜薄膜 S S
5、* * 2 光程光程 一、光程一、光程 真空中： 光速真空中： 光速 c、波长、波长 、频率、频率 媒质中：光速媒质中：光速 V、波长、波长 、频率、频率 r ab r 2 = 媒质中：媒质中： ab n r 媒质媒质 r = = 2 V c n = =1 V = = n c = = n = = n = = ，D d ( d 10 4 m, D m) G H s s1 s2 干涉花样干涉花样 p r1 r2 x x D do G H s1 s2 12 rr 二、明暗纹条件二、明暗纹条件 单色光入射单色光入射 = = ：位置角：位置角 明纹：明纹： k = 0,1,2相长，光强最强 零级、一级
6、相长，光强最强 零级、一级明纹明纹 =k 暗纹：暗纹： sind =(2k 1) / / 2 k = 1,2相消，光强最弱相消，光强最弱 一级、二级一级、二级 暗纹暗纹 为其它值，光强位于最亮与最暗之间为其它值，光强位于最亮与最暗之间 sind d D kx= = sintanDDx = = 三、明暗纹位置三、明暗纹位置 p r1 r2 x D do GH s1 s2 明纹中心：明纹中心： sinDx = = 2 , 1 , 0 ,)(=k d k D 暗纹中心：暗纹中心： sinDx = = 2 )1 2( d kD =k=1,2,3 2 )1 2( d D kx= 相邻明（暗）纹间的距离相
7、邻明（暗）纹间的距离 d D k d D kx+=+=)1( d D x = = 2 )12(sin =kd kd = = =sin 不太大时，不太大时， x 与与k 无关，无关， 条纹等间距排列条纹等间距排列 波长波长 一定，一定， xD, x 1/d, D,d一定，一定， x 四、光强分布：四、光强分布： +=+=cos2 2121 IIIII 若若I1 = I2= I0 2 cos4 2 0 = =II )sin 2 ( d= 2121max 2IIIII+=+= 2121min 2IIIII+=+= Imax= 4I0 Imin= 0 p x D d GH x0 x I x d D x
8、 = = 2 cos4 2 0 = =II 光强曲线光强曲线 I 0 2 -2 4 -4 k x 01 2 x2 -1 -2 4I0 0 x1x -2 x -1 sin 0 /d- /d-2 /d2 /d Imax= 4I0 Imin= 0 I 0 2 -2 4 -4 k 012-1 -2 x 0 x1x2x -2 x -1 sin 0 /d- /d-2 /d2 /d Imax Imin I1+I2 21 2II 五、条纹特点五、条纹特点 (1) 一系列彼此平行、明暗相间的条纹；一系列彼此平行、明暗相间的条纹； (3) 中间级次低；中间级次低； (2) 不太大时条纹等间距；不太大时条纹等间距；
9、 (4) x 单色光入射单色光入射 I1 I2 2时的光强分布，时的光强分布， 衬比度不好衬比度不好 白光入射，杨氏纹白光入射，杨氏纹 白光入射白光入射 d D kx= = 零级明纹为白色，零级明纹为白色， 其它亮纹构成彩带，由紫到红，其它亮纹构成彩带，由紫到红， 第二级开始重合第二级开始重合 例：白光观察双缝，缝间距例：白光观察双缝，缝间距d ，求：能观察到的清晰可 见光谱的级次。 ，求：能观察到的清晰可 见光谱的级次。 解：解： 白光白光400nm-700nm(4000 7000 7000 ) d D kx = =明纹位置明纹位置 x k红 红 = x (k+1)紫 紫 紫红紫红 d D
10、k d D k)1( +=+= 紫红 紫 紫红 紫 = =k 400700 400 = =1.3 能观察到的清晰可见光谱的只有一级。能观察到的清晰可见光谱的只有一级。 )( 12 nttrr+ + = = tnrr)1()( 12 = = 零级明纹上移零级明纹上移 零级明纹下移零级明纹下移 p r1 r2 D o GH s1 s2 t p r1 r2 D o G H s1 s2 t 12 rnttr + + = = tnrr)1()( 12 + + = = p r1 r2 D O G H s1 s2 R R1 R2 S x 2211 ()()RrRr = =+ d 2121 ()()RRrr=
11、 =+ dd x RD + sinxD 12 rr = = sind 21 d rrx D 同理同理 21 d RR D 光源不在对称轴上光源不在对称轴上 S下移，零级明纹上移下移，零级明纹上移 近轴近似近轴近似 4 其它分波振面的干涉实验其它分波振面的干涉实验 一、分波振面法一、分波振面法 二、菲涅耳双棱镜二、菲涅耳双棱镜 1 S S1 S2 a1 a2 b1 b2 D d 三、菲涅耳双面镜三、菲涅耳双面镜 2 2 S S1 S2 d D a2 b1 a1 b2 干涉条纹定域干涉条纹定域 在在a2 b1区域区域 四、洛埃镜四、洛埃镜 S S D d A B C 半波损失半波损失 ? 入射光从
12、入射光从光疏光疏（n1小）掠射（ 入射角 约90) 或正射小）掠射（ 入射角 约90) 或正射(入射 角约0)到 入射 角约0)到光密光密媒质（媒质（n2大大)的界面时，产生半波损失。的界面时，产生半波损失。 ? 光密 光疏无半波损失。光密 光疏无半波损失。 ? 折射无半波损失。折射无半波损失。 例： 射电信号的接收。如图。湖面上例： 射电信号的接收。如图。湖面上h= 0.5m 处有一电磁波接收 器位于 处有一电磁波接收 器位于C 处。当一射电星从地面渐渐升起时，接收器断续地检测 到一系列最大值。已知射电星所发射的电磁波的波长为 处。当一射电星从地面渐渐升起时，接收器断续地检测 到一系列最大值。已知射电星所发射的电磁波的波长为20.0cm, 求第一次测到最大时，射电星的方位与湖面所成的角度。求第一次测到最大时，射电星的方位与湖面所成的角度。 2 2 A B C h 1 2 解： 1 2 解： 2 +=+=BCAC 2 )2cos1( +=+= AC 2 )2cos1( sin +=+= h 对于最大值对于最大值 k h =+=+ 2 )2cos1( sin h k 4 )12( sin = = k=1, 1= 5.74 ?3 , 2 , 1= =k