《医用物理学》教学课件：8.波动光学-1
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第八章 波动光学
§8-1 光的干涉 §8-2 光的衍射
§8-3 光的偏振 §8-4 双折射现象 §8-5 旋光现象 §8-6 光的吸收和散射
本章习题
P246 8-1，8-2，8-5，8-6，8-9， 8-10，8-11，8-12，8-13，8-15
光是人类以及各种生物生活中不可或缺的要素
微粒学说 波动学说
射线 0.04nm
§8-1 光的干涉 (interference of light)
光的干涉：满足一定条件的两束光重叠时,在叠加区 域形成稳定、不均匀的光强分布的现象.
光的干涉在历史上 曾作为光的波动性的 重要例证.
彩色的肥皂泡
8.1.1 光的相干性
两列波发生干涉现象的条件（相干条件）？ 频率相同，振动方向相同，相位差恒定
分割波阵面法
8.1.2 杨氏双缝干涉实验
托马斯·杨 (Thomas Young, 1773-1829)英国人
1801 年 , 托 马 斯 杨 完 成 了 一 个 判别光性质的关键性实验. 观 察屏上有明暗相间的等间距条 纹,这只能用光是一种波来解释. 杨还由此测出了光的波长.
相干光的产生 分割波阵面法
s1 * 光在不同介质中传播时,
频率不变而波长改变
n
s 2*
光在介质中传播距离r 时
的相位变化为 Δ 2π r 2π nr
r1 P
r2
n 折射率
光程(optical path) nr
意义：把光在介质中通过的几何路程按相位变化 相同折合到真空中的路程——可以统一用真空中 的波长来计算相位的变化.
d
D
实验中 D>>d 一般 D 约1 m ,而 d 约 10-4 m, S1 和 S2 是同相波源.
复习 干涉规律
P
两列机械波分别在P点引起的振动
yP1
A cos(
t
1
2π r1
)
S1
o
r1 r2
o
yP2
A cos(
t
2
2π r2
)
S2 r
干涉加强减弱的条件
相位差
Δ 2 1 2π
1 2
r2
r1
2k
1
D d
.
2
明纹 k 0,1, 2 暗纹 k 1, 2,
k：条纹的级数； 正负号表示明、暗条纹对称分布于中央明纹的两侧
条纹分布
x
k
D d
2k
1
D d
.
2
明纹 k 0,1, 2 暗纹 k 1, 2,
2 D d
D d
0
D
2D
d
d
I/I 0
I/I 0
D3 B2 D2 B1 D1 B0 D1 B1 D2 B2 D3
2kπ
2k
k 1 π
0, 1, 2
k 1,
2,
加强 减弱
k
波程差
Δr
r2
r1
2k
1
2
(k 0,1, 2,...) 振动加强 (k 1, 2,...) 振动减弱
光的干涉
k
Δr
r2
r1
2k
1
2
S1
S d o
r12 D2 (x d / 2)2 r22 D2 (x d / 2)2
光的本性 波粒二象性
萌芽时期
发 几何光学时期
展 波动光学时期
时 期
量子光学时期
现代光学时期
几何光学
以光的直线传播为基础，研究光在透明介 质中的传播问题.
内容：
•光的直线传播定律 •光的独立传播定律 •光的折射和反射定律
波动光学
以光的波动性为基础，研究光的传播及其 规律.
内容：
• 干涉 • 衍射 • 偏振
波长一定,条纹间距 随狭缝宽度而变
总结：光的干涉
问题:在此光路上加一 块透明介质(玻璃),干
k
涉条纹会变化吗？
P
Δr
r2
r1
2k
1
2
S
S1
d o
r1 r2
x
o
x D Δr d
S2 r D
条纹分布
x
k
D d
2k
1
D d
.
2
明纹 k 0,1, 2 暗纹 k 1, 2,
8.1.4 光程与光程差
S2 r
r22 r12 2dx r22 r12 (r2 r1)(r2 r1) r(r2 r1)
D d
D
x
r1
r2
2D
P r1
x r2
o
D
Δr
r2
r1
dx D
x D Δr d
光的干涉
k
Δr
r2
r1
2k
1
2
S1
r1
P x
x D Δr
S d o
r2
oห้องสมุดไป่ตู้
d
S2 r
D
条纹分布
x
k
D d
1. x = 0 有 k = 0：中央明条纹,其两侧明暗条纹对称 分布.
干涉条纹分布的特点
x
k
D d
2k
1
D d
2
明纹 k 0,1, 2 暗纹 k 1, 2,
2.相邻暗条纹间距 (或明条纹宽度)
x xk1 xk D d
3. 白光照射时,0级为白色条纹,其 它明纹为彩色条纹.
实验装置一定,条纹 间距与波长有关
为什么光的干涉现象不如机械波或无线电波 容易观察到？
普通光源的发光机理
光源发光是其中大量分子或原子在能级跃迁时辐 射电磁波的结果.
波列
激 发 态
跃迁 基态
En
自发辐射
波列长 L = Δt× c
跃迁过程的持续时间约 为 10-9 s
原子的发光跃迁
光波的波列长度在米的量级
普通光源发光特点
原子能级是不连续的,原子发光是断续的,每次发 光形成一长度有限的波列,各原子或同一原子各次发 出的波列,其频率和振动方向可能不同；
5 D d2
3 D d2
干 Dd涉2光强D分d 2布
3D d2
5D d2
Sin()x
干涉条纹分布的特点
x
k
D d
2k
1
D d
2
明纹 k 0,1, 2 暗纹 k 1, 2,
k = 2 , 2 级明纹 k = 1 , 1 级明纹 k = 0 , 0 级明纹 k = 1 , 1 级明纹
k = 2 , 2 级明纹
来自两个光源或同一光源的两部分的光,不满足相 干条件,叠加时不产生干涉现象.
如何得到相干光？
(coherent light) 两频率相同,振动方向 相同、相位差恒定.
1
P
2
光束与波列
相干光的获得方法
将光源上同一原子同一次发的光分成两部分,再使 它们叠加.
12
分割振幅法 例：牛顿环实验
光
s1
源*
s2
§8-1 光的干涉 §8-2 光的衍射
§8-3 光的偏振 §8-4 双折射现象 §8-5 旋光现象 §8-6 光的吸收和散射
5nm ~ 0.04nm
无线电波 3104 m ~ 0.1cm
红外线 6105 nm~770nm 可见光 770 ~ 400nm 紫外光 350nm~5nm
X射线 5nm ~ 0.04nm
量子光学
以光和物质相互作用时所显示出的粒子性 为基础，来研究光的一系列规律.
内容：
• 光和物质的相互作用规律
现代光学
光 几何光学
学
物理光学
波动光学 量子光学
反映了光学进一步与各个科技领域的紧密 结合.
内容：
• 激光、全息摄影、光纤维 • 光学计算机、傅里叶光学 • 红外技术、遥感、遥测等
第八章 波动光学
§8-1 光的干涉 §8-2 光的衍射
§8-3 光的偏振 §8-4 双折射现象 §8-5 旋光现象 §8-6 光的吸收和散射
本章习题
P246 8-1，8-2，8-5，8-6，8-9， 8-10，8-11，8-12，8-13，8-15
光是人类以及各种生物生活中不可或缺的要素
微粒学说 波动学说
射线 0.04nm
§8-1 光的干涉 (interference of light)
光的干涉：满足一定条件的两束光重叠时,在叠加区 域形成稳定、不均匀的光强分布的现象.
光的干涉在历史上 曾作为光的波动性的 重要例证.
彩色的肥皂泡
8.1.1 光的相干性
两列波发生干涉现象的条件（相干条件）？ 频率相同，振动方向相同，相位差恒定
分割波阵面法
8.1.2 杨氏双缝干涉实验
托马斯·杨 (Thomas Young, 1773-1829)英国人
1801 年 , 托 马 斯 杨 完 成 了 一 个 判别光性质的关键性实验. 观 察屏上有明暗相间的等间距条 纹,这只能用光是一种波来解释. 杨还由此测出了光的波长.
相干光的产生 分割波阵面法
s1 * 光在不同介质中传播时,
频率不变而波长改变
n
s 2*
光在介质中传播距离r 时
的相位变化为 Δ 2π r 2π nr
r1 P
r2
n 折射率
光程(optical path) nr
意义：把光在介质中通过的几何路程按相位变化 相同折合到真空中的路程——可以统一用真空中 的波长来计算相位的变化.
d
D
实验中 D>>d 一般 D 约1 m ,而 d 约 10-4 m, S1 和 S2 是同相波源.
复习 干涉规律
P
两列机械波分别在P点引起的振动
yP1
A cos(
t
1
2π r1
)
S1
o
r1 r2
o
yP2
A cos(
t
2
2π r2
)
S2 r
干涉加强减弱的条件
相位差
Δ 2 1 2π
1 2
r2
r1
2k
1
D d
.
2
明纹 k 0,1, 2 暗纹 k 1, 2,
k：条纹的级数； 正负号表示明、暗条纹对称分布于中央明纹的两侧
条纹分布
x
k
D d
2k
1
D d
.
2
明纹 k 0,1, 2 暗纹 k 1, 2,
2 D d
D d
0
D
2D
d
d
I/I 0
I/I 0
D3 B2 D2 B1 D1 B0 D1 B1 D2 B2 D3
2kπ
2k
k 1 π
0, 1, 2
k 1,
2,
加强 减弱
k
波程差
Δr
r2
r1
2k
1
2
(k 0,1, 2,...) 振动加强 (k 1, 2,...) 振动减弱
光的干涉
k
Δr
r2
r1
2k
1
2
S1
S d o
r12 D2 (x d / 2)2 r22 D2 (x d / 2)2
光的本性 波粒二象性
萌芽时期
发 几何光学时期
展 波动光学时期
时 期
量子光学时期
现代光学时期
几何光学
以光的直线传播为基础，研究光在透明介 质中的传播问题.
内容：
•光的直线传播定律 •光的独立传播定律 •光的折射和反射定律
波动光学
以光的波动性为基础，研究光的传播及其 规律.
内容：
• 干涉 • 衍射 • 偏振
波长一定,条纹间距 随狭缝宽度而变
总结：光的干涉
问题:在此光路上加一 块透明介质(玻璃),干
k
涉条纹会变化吗？
P
Δr
r2
r1
2k
1
2
S
S1
d o
r1 r2
x
o
x D Δr d
S2 r D
条纹分布
x
k
D d
2k
1
D d
.
2
明纹 k 0,1, 2 暗纹 k 1, 2,
8.1.4 光程与光程差
S2 r
r22 r12 2dx r22 r12 (r2 r1)(r2 r1) r(r2 r1)
D d
D
x
r1
r2
2D
P r1
x r2
o
D
Δr
r2
r1
dx D
x D Δr d
光的干涉
k
Δr
r2
r1
2k
1
2
S1
r1
P x
x D Δr
S d o
r2
oห้องสมุดไป่ตู้
d
S2 r
D
条纹分布
x
k
D d
1. x = 0 有 k = 0：中央明条纹,其两侧明暗条纹对称 分布.
干涉条纹分布的特点
x
k
D d
2k
1
D d
2
明纹 k 0,1, 2 暗纹 k 1, 2,
2.相邻暗条纹间距 (或明条纹宽度)
x xk1 xk D d
3. 白光照射时,0级为白色条纹,其 它明纹为彩色条纹.
实验装置一定,条纹 间距与波长有关
为什么光的干涉现象不如机械波或无线电波 容易观察到？
普通光源的发光机理
光源发光是其中大量分子或原子在能级跃迁时辐 射电磁波的结果.
波列
激 发 态
跃迁 基态
En
自发辐射
波列长 L = Δt× c
跃迁过程的持续时间约 为 10-9 s
原子的发光跃迁
光波的波列长度在米的量级
普通光源发光特点
原子能级是不连续的,原子发光是断续的,每次发 光形成一长度有限的波列,各原子或同一原子各次发 出的波列,其频率和振动方向可能不同；
5 D d2
3 D d2
干 Dd涉2光强D分d 2布
3D d2
5D d2
Sin()x
干涉条纹分布的特点
x
k
D d
2k
1
D d
2
明纹 k 0,1, 2 暗纹 k 1, 2,
k = 2 , 2 级明纹 k = 1 , 1 级明纹 k = 0 , 0 级明纹 k = 1 , 1 级明纹
k = 2 , 2 级明纹
来自两个光源或同一光源的两部分的光,不满足相 干条件,叠加时不产生干涉现象.
如何得到相干光？
(coherent light) 两频率相同,振动方向 相同、相位差恒定.
1
P
2
光束与波列
相干光的获得方法
将光源上同一原子同一次发的光分成两部分,再使 它们叠加.
12
分割振幅法 例：牛顿环实验
光
s1
源*
s2
§8-1 光的干涉 §8-2 光的衍射
§8-3 光的偏振 §8-4 双折射现象 §8-5 旋光现象 §8-6 光的吸收和散射
5nm ~ 0.04nm
无线电波 3104 m ~ 0.1cm
红外线 6105 nm~770nm 可见光 770 ~ 400nm 紫外光 350nm~5nm
X射线 5nm ~ 0.04nm
量子光学
以光和物质相互作用时所显示出的粒子性 为基础，来研究光的一系列规律.
内容：
• 光和物质的相互作用规律
现代光学
光 几何光学
学
物理光学
波动光学 量子光学
反映了光学进一步与各个科技领域的紧密 结合.
内容：
• 激光、全息摄影、光纤维 • 光学计算机、傅里叶光学 • 红外技术、遥感、遥测等
第八章 波动光学