光波技术基础

长，也可以把不同波长的入射光分开； 也可以把不同波长的入射光分开；
一、光的波动性及现象
4、光的衍射
♦ 光栅衍射 光栅衍射
反射光栅---刻痕处不易反射光 利用两刻痕间可反射光； 刻痕处不易反射光， ♦ 反射光栅 刻痕处不易反射光，利用两刻痕间可反射光； 两刻痕间a很窄，也会发生衍射现象； 两刻痕间 很窄，也会发生衍射现象； 很窄
2nd = (2k +1 )
λ 1
2
入射光
2 λλ2 500×700 1 d= = 2n(λ −λ2) 2×1.30×(700−500) 1
= 6.73×102(nm )
2nd =[2(k +1 +1 ) ]
λ2
反射光1 反射光1
反射光2 反射光2
d
n
一、光的波动性及现象
3、光的干涉 3) 光的干涉规律 ♦ 在日常生活中，常常看到水面上的油膜或肥皂泡在日光照 在日常生活中， 射下出现美丽的花纹，这些都是薄膜干涉现象。 薄膜干涉现象 射下出现美丽的花纹，这些都是薄膜干涉现象。 ♦ 薄膜干涉的应用： 薄膜干涉的应用： ♦ 通过控制薄膜的厚度，可以选择使透射或反射处于极大， 通过控制薄膜的厚度，可以选择使透射或反射处于极大， 增强表面上的反射或者透射，分别做成增反膜和增透膜 增反膜和增透膜。 增强表面上的反射或者透射，分别做成增反膜和增透膜。 ♦ 全反射膜、干涉仪等。 全反射膜、干涉仪等。
1.6 光波技术基础
一、光的波动性及现象： 光的波动性及现象： 光的直线传播、全反射； 光的直线传播、全反射； 光的反射、折射、干涉、衍射、偏振等； 光的反射、折射、干涉、衍射、偏振等； 光的量子性及现象： 二、光的量子性及现象： 光的吸收、色散和散射等； 光的吸收、色散和散射等； 三、光与物质的相互作用
♦ 光栅衍射 ♦ 透射光栅 ♦ 一般 一般d=(a+b很小，各级明条纹位置分的很开； 很小， 很小 各级明条纹位置分的很开； ♦ 狭缝越多，透射光越强，所得条纹也越亮； 狭缝越多，透射光越强，所得条纹也越亮； ♦ 光栅衍射条纹又细又亮又疏，可以精确地测定光波的波 光栅衍射条纹又细又亮又疏 又细又亮又疏，
p
一、光的波动性及现象
3、光的干涉
一、光的波动性及现象
3、光的干涉
一平面单色光波垂直照射在厚度均匀的薄油膜 薄油膜上 例 一平面单色光波垂直照射在厚度均匀的薄油膜上，油膜覆 盖在玻璃板 玻璃板上 所用光源波长可连续变化 连续变化， 盖在玻璃板上，所用光源波长可连续变化，观察到 λ1 = 700nm和 λ2 = 500nm这两个波长的光在反射中消失。油的 和 这两个波长的光在反射中消失。 这两个波长的光在反射中消失 折射率为1.30，玻璃的折射率为 折射率为 ，玻璃的折射率为1.50 油膜的厚度 求 油膜的厚度 根据题意，不需考虑半波损失， 解 根据题意，不需考虑半波损失，暗纹的条件为
一、光的波动性及现象
3、光的干涉 2) 获得相干光的基本方法 ♦ 一般光源发出的光是不相干的，获得相干光的方法：将一光 一般光源发出的光是不相干的，获得相干光的方法： 源上同一点发出的光分成两束，使它们经过不同路径传播后， 源上同一点发出的光分成两束，使它们经过不同路径传播后， 在某一空间区域相遇； 在某一空间区域相遇； ♦ 分振幅法 一束光线经过介质薄膜的反射与折射，形成的两 分振幅法—一束光线经过介质薄膜的反射与折射 一束光线经过介质薄膜的反射与折射， 束光线为相干光，如薄膜干涉。 束光线为相干光，如薄膜干涉。薄膜干
2、光的反射、折射和全反射 光的反射、
♦ 在两介质的分界面上，当光从光密介质 在两介质的分界面上，当光从光密介质(n1)射入光疏介质 射入光疏介质
(n2)时，且入射角大于临界角(arcsin n2/n1)时，将发生光的 时 且入射角大于临界角 时 全反射现象。 全反射现象。 ♦ 光的直线传播 均匀介质中 、全反射通常是波动光学在某些 光的直线传播(均匀介质中 均匀介质中)、 条件下的近似或极限。 条件下的近似或极限。
r 1
r2
λ δ = 2nd = (2k +1 ) 2
增透膜的最小厚度
k = 0,12,L ,
550 d= = ≈100nm 4n 4×1.38
λ
k =0
增反膜 d
n=1.00 n=1.38 n=1.55
一、光的波动性及现象
4、光的衍射
♦ 光在传播过程中能绕过障碍物的边缘而偏离直线传播的现象
叫做光的衍射现象。 叫做光的衍射现象。 光的衍射现象
S*
·P
薄膜
一、光的波动性及现象
3、光的干涉 3) 光的干涉规律 ♦ 光的干涉与介质的折射率n、光在该媒质中传播的几何路程r 光的干涉与介质的折射率 、光在该媒质中传播的几何路程 都有关，为了把光在不同介质中的传播都折算到真空中， 都有关，为了把光在不同介质中的传播都折算到真空中，引 入光程的概念； 入光程的概念； ♦ 折射率 与光在该媒质中传播的几何路程 的乘积 ，叫做光 折射率n与光在该媒质中传播的几何路程 的乘积nr，叫做光 与光在该媒质中传播的几何路程r的乘积 程。
一、光的波动性及现象
4、光的衍射 衍射光栅 ♦ 单缝衍射不能准确地测定光的波长或将不同波长的光谱线分 为了提高测量精度，必须提供一种又亮又窄、 开。为了提高测量精度，必须提供一种又亮又窄、间隔又很 大的明条纹。利用衍射光栅可以做到这一点。 大的明条纹。利用衍射光栅可以做到这一点。 ♦ 衍射光栅是一种重要分光元件。波分解复用器可以利用光栅 衍射光栅是一种重要分光元件。波分解复用器可以利用光栅 制作。 制作。
l
两相干光总的光程差δ满足如下规律： 两相干光总的光程差δ满足如下规律： δ=± kλ ± (k=1,2,…) δ=±(k+1/2)λ ± (k=0,1,…) 干涉加强
干涉减弱
一、光的波动性及现象
3、光的干涉 3) 光的干涉规律 ♦ 当光从光疏射向光密介质时，反射光发生位相突变 当光从光疏射向光密介质时， ，相 光疏射向光密介质时 当于反射光比入射光少走了半个波长，称为半波损失 半波损失。 当于反射光比入射光少走了半个波长，称为半波损失。
一、光的波动性及现象
3、光的干涉 3) 光的干涉规律 ♦ 两束相干光在不同介质中传播时，对干涉加强(亮纹 和减弱 两束相干光在不同介质中传播时，对干涉加强 亮纹)和减弱 亮纹 (暗纹 条件起决定作用的是两束光的光程差 d＝n1r1 - n 2 r2。 暗纹)条件起决定作用的是两束光的光程差 暗纹 相位差为 D j ＝ 2p d
一、光的波动性及现象
3、光的干涉 1)光的相干性 光的相干性 ♦ 在光波中，产生感光作用与生理作用的主要是电场强度E，所 在光波中，产生感光作用与生理作用的主要是电场强度 ， 以电矢量E称为光矢量。 称为光矢量 以电矢量 称为光矢量。 ♦ 由频率相同、振动方向相同、位相相同或位相差恒定的两个光 由频率相同、振动方向相同、 源发出的光是相干光 相干光。 源发出的光是相干光。 ♦ 在两束相干光相遇的区域里，有些点振动始终加强，有些点的 在两束相干光相遇的区域里，有些点振动始终加强， 振动始终减弱或完全抵消，即产生干涉现象 干涉现象。 振动始终减弱或完全抵消，即产生干涉现象。
一、光的波动性及现象
4、光的衍射 光发生衍射的原因：惠更斯 菲涅耳原理 光发生衍射的原因：惠更斯-菲涅耳原理 ♦ 光源发出的各子波在空间某点的相干叠加，决定了该点波 光源发出的各子波在空间某点的相干叠加， 的强度。 的强度。 所有子波在任何观察点叠加的结果形成光的直线传播。 • 所有子波在任何观察点叠加的结果形成光的直线传播。 在任何观察点叠加的结果形成光的直线传播 • 部分子波不能到达观察点，叠加时缺少了这些部分子波 部分子波不能到达观察点 不能到达观察点， 的参加，便发生了有明暗条纹花样的衍射现象。 的参加，便发生了有明暗条纹花样的衍射现象。 • 衍射现象是否显著，则和障碍物的线度及观察的距离有 衍射现象是否显著， 关。 干涉和衍射都是波叠加的结果，只是干涉是有限的几束相干光 干涉和衍射都是波叠加的结果， 的叠加，而衍射可认为是极多且复杂的相干光的叠加。 的叠加，而衍射可认为是极多且复杂的相干光的叠加。
黄绿光对人眼和照像底片最敏感。 黄绿光对人眼和照像底片最敏感 例 波长 550 nm黄绿光对人眼和照像底片最敏感。要使照像机 对此波长反射小，可在照像机镜头上镀一层氟化镁MgF2薄 对此波长反射小，可在照像机镜头上镀一层氟化镁 玻璃的折射率n=1.55 膜，已知氟化镁的折射率 n=1.38 ，玻璃的折射率 垂直入射时， 求 垂直入射时，氟化镁薄膜的最小厚度 解 两条反射光干涉减弱条件 个半波损失） （2个半波损失）
一、光的波动性及现象
4、光的衍射 光发生衍射的条件 ♦ 当障碍物的尺寸远大于光波的波长时，光可看成沿直线传播。 当障碍物的尺寸远大于光波的波长时，光可看成沿直线传播。 ♦ 小孔或障碍物的尺寸比光波的波长小，或者跟波长差不多时， 小孔或障碍物的尺寸比光波的波长小 或者跟波长差不多时 障碍物的尺寸比光波的波长小， 光才能发生衍射现象(基本条件 基本条件)。 光才能发生衍射现象 基本条件 。
一、光的波动性及现象
4、光的衍射 衍射物 光源 L S P1 接收屏
B
P2
P3
P4
孔的投影
菲涅耳衍射
夫琅禾费衍射
一、光的波动性及现象
4、光的衍射
♦ 夫琅和费单缝衍射 夫琅和费单缝衍射
明暗相间的直条纹 单缝衍射条纹是一系列平行于狭缝的明暗相间的直条纹， ① 单缝衍射条纹是一系列平行于狭缝的明暗相间的直条纹，它 对称地分布在中央明纹两侧 地分布在中央明纹两侧； 们对称地分布在中央明纹两侧； 明纹亮度不均匀，中央明纹最亮， ② 明纹亮度不均匀，中央明纹最亮，其它各级明纹的亮度将随 着级数的增高而逐步减弱。 着级数的增高而逐步减弱。
一、光的波动性及现象
4、光的衍射
♦ 夫琅和费单缝衍射 夫琅和费单缝衍射
白光入射时 中央白色亮纹，两侧为彩色亮纹 原因是白光中的 白光入射时：中央白色亮纹，两侧为彩色亮纹(原因是白光中的 各种色光均在中央形成亮纹，复合后为白光； 各种色光均在中央形成亮纹，复合后为白光；同时各种色光通 过单缝衍射程度不同，致使亮纹依次错开，形成彩色条纹)。 过单缝衍射程度不同，致使亮纹依次错开，形成彩色条纹 。
一、光的波动性及现象
4、光的衍射 光栅衍射 ♦ 透射光栅 ♦ 当光衍射角 满足 当光衍射角φ满足 满足(a+b)sinφ=±kλ k=0,1,2,…形成亮度很 ± 形成亮度很 大的明条纹。 大的明条纹。 缝平面 G 观察屏 透镜 L
φ
λ
d
φ
p 0
பைடு நூலகம்
焦距 f dsinφ
一、光的波动性及现象
4、光的衍射
一、光的波动性及现象
4、光的衍射 衍射光栅 衍射光栅 ♦ 一般常用的光栅是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成； 一般常用的光栅是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成； ♦ 衍射光栅分为：反射光栅和透射光栅。 衍射光栅分为：反射光栅和透射光栅。
一、光的波动性及现象
4、光的衍射 衍射光栅 衍射光栅 ♦ 透射光栅 ♦ 刻痕为不透光部分，两刻痕之间的光滑部分可以透光， 刻痕为不透光部分，两刻痕之间的光滑部分可以透光， 相当于一狭缝。 相当于一狭缝。 ♦ 设透光的宽度为 ，不透光为 ，则d=a+b称光栅常数； 设透光的宽度为a，不透光为b， 称光栅常数； ♦ 假设平行光垂直人射到光栅上，透过光栅每个缝的光都 假设平行光垂直人射到光栅上， 有衍射，而通过不同缝的光要发生干涉。所以， 有衍射，而通过不同缝的光要发生干涉。所以，应是单 缝衍射和多缝干涉的总效果。 缝衍射和多缝干涉的总效果。
一、光的波动性及现象
5、光的偏振---证明了光是横波； 光的偏振---证明了光是横波； ---证明了光是横波 1)光的偏振现象 光的偏振现象 如果光矢量只沿一个固定的方向振动，叫做线偏振光 线偏振光。 如果光矢量只沿一个固定的方向振动，叫做线偏振光。
一、光的波动性及现象
1、光的波动性
♦ 电磁场理论指出光是一种电磁波。 电磁场理论指出光是一种电磁波。 ♦ 把光看做是连续的电磁波，存在光的反射、折射、干涉、 把光看做是连续的电磁波，存在光的反射 折射、干涉、 光的反射、
衍射、偏振等宏观现象。 衍射、偏振等宏观现象。 等宏观现象
一、光的波动性及现象