波动光学及其医学应用
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33
如果狭缝不能等分为整数个半波带,那么这时屏 上的衍射光强就介于明纹和暗纹之间。
把波面分成几个相等的区域,相邻区域的对应部 分发出的光到达屏上时相位相差 ,这些区域叫做半 波带(half-wave zone)。这种分析衍射的方法叫半波 带法。
34
综上所述,单缝衍射形成第k级暗纹的条件为:
a sin 2k
光的干涉 (Interference of light)
(相干波源) 声波的干涉:
光 波 的 干 涉:
干涉条件:两列波的频率相同、 振动方向相同、相位相同或相位 差恒定。 4
普通光源的发光机制:自发辐射
单 次 发 光
能级跃迁辐射 E2
= (E2-E1)/h
波列
发光时间τ~10 -8 s 波列长度 l = c ~ 1m
显然,各子波发出的平行光轴的光,经过透镜L2后,将会聚于 屏中央,任意两个子波到达该点处的光程差均为0,因此发生干 涉加强的叠加,形成明条纹。称为中央明纹。 又因为屏是放于L2透镜的焦平面上,所以各子波源发出的衍射角 为 的光线所组成的每一束平行光线,它们都将会聚于屏上同一 29 点。
我们考察衍射角为θ 角的这样一束平行光
r1 xk S *
各级明纹 k=2
k=1 k=0 k=1 k=2
各级暗纹
d
r2 0
第k条明纹 D xk k 位置公式: d
k 0,1,2,…
D
当干涉减弱时 ,
r2 r1 (2k 1)
S *
r1
r2
k=2 k=1 k=1 k=2
14
2 第k条暗纹位置公式:
2e n n sin i
2
(用入射角i表示)
对单色光 , i(入射倾角 )不变时 不变 同一条纹 .
对复色光, 形成干涉彩色条纹 .
此外,透射光也能产生干涉现象, 透射光的光程差,由于没有半波 ' 损失,就等于:
2 2e n2 n12 sin 2 i
注意:对某一入射光来说,透射光的光程差与反射光的光程差正好差λ/2, 这说明透射光和反射光干涉具有互补性,反射光相干增强时,透射光正好 21 相干减弱,这符合能量守恒定律。 21
a sin ( 2k 1) ( k 1,2,3...)
k=+2 x k=+1 0 k=-2 k=-3
2
当θ= 0o时,为中央明条纹
两个对称的第一级暗条纹中心间的距离,或 者说,2倍的一级暗纹到中心的距离, 即为中央明纹的宽度。 中央明纹的半角宽度,即为 第一级暗纹的衍射角 x 2 x 2 f 36 a θ = sin =λ/a
O
S k 4
( h, n )
O'
k 4 500 h 4000 nm n 1 1.5 1 s2
k4
16
O
实验说明:当光从光疏介质射向光密介质时,界面上的反射 光将产生 π相位突变,相当于光波多走(或少走)了半个波长的 距离,这种现象称为半波损失。 17
D xk (2k 1) 2d
k 1,2,
xk 1
讨论:
k+1
x
xk
k k= 0
明纹
(1) 相邻两明纹(或相邻两暗纹)的间 隔相等,对称分布: D D D x xk 1 xk (k 1) k d d d (2) 若已知d 和D,测出第k 级条纹对应的x,就可以 计算单色入射光的波长 。 (3) 若入射光为白 光时,只有中央明纹 是白色,其他各级明 纹都是由紫色到红色 向外排列形成。
11
(满足相干光条件)
条纹光强度分布
x
明纹 暗纹 明纹 * 暗纹 中央明纹 暗纹 明纹 暗纹 明纹
S1 S *
I
S2 *
单色光 入射
干涉条纹的分布:条纹等距等宽。
12
杨氏双缝干涉条纹分析:
D(1 ~ 10m) d (0.1 ~ 1m m)
S1 分波面法 r1 S * d S2 D
L2
P
菲涅耳衍射
夫琅禾费衍射
实际中能观察到 夫琅禾费衍射的 装置图
26
单色光
(a:0.5mm)
1.获得与狭缝平行的明暗相间的条纹 2.中央明纹特别宽,特别亮 3. 两边暗纹、明纹相间对称排列形成各级条纹; 4. 随着级数的增加,各级明纹的光强度锐减。
27
(二)分析
( 狭缝宽度: 0.9 毫 米~0.1微米≈λ)
“半波损失”
实验说明:当光从光疏介质射向光密介质时,界面上的 反射光将产生 π相位突变。π相位的变化,相当半个波长 的光程,即光波多走(或少走)了半个波长的距离,这种现 象称为半波损失。 透射光无半波损失。 空气
油、水、玻璃
18
五.薄膜干涉
气球彩色
油层彩色 肥皂膜的干涉彩色条纹
19
1
2 3
n2 ( AB BC ) n1 AD
波列长 l = c
E1
光 源 发 光
独立(不同原子发的光)
光源
独立(同一原子先后发的光)
特点:频率不同、振动方向不同、无固定相位差。 所以,不同光源或同一光源的不同部分所发的光是不相干的。
5
两个独立的普通光源不是相干光源。
6
原则:将同一波列的光 分成两束,经不同路 径后相遇,实现干涉。
7
r
当 = 3 ( /2 ) 时,单缝处的波阵面AB被分成AA1、A1A2 和 A2B共3个半波带, 两两相邻半波带在P点相消叠加,第三个半 波带的光到达P点,就形成明纹。 注意,此处的明纹亮度远不如中央明纹亮度高,为什么?
32
当 = 4 ( /2 ) 时,单缝处的波阵面AB被等分成 AA1、A1A2 、 A2A3和A3B 共4个半波带, 相邻两个半波 带的对应点发出的光到达P点时相互抵消,形成暗纹。
生干涉。
劈尖干涉
应用:运用劈形膜的等厚干涉原理,可以检测物体表面的平整度。
取一块光学平面的玻璃片,称为平晶,放在待检测工件(玻璃 片或者金属磨光面)的表面上方,在平晶与工件表面间形成劈形空 气膜,然后用单色光垂直照射,观察干涉条纹。
23
从等厚干涉的特点可知,每一条条纹对应于薄膜中 的一条等高线。 如果工件表面是非常平整的,那么等厚条纹应该是平 行于棱边的一组平行线; 如果工件表面不平整(肉眼不一定能看出),则等厚 条纹就应该是随着工件表面凹凸的分布而出现的一组形 状各异的曲线。
光学仪器的分辨本领(分辨率):
当两个物点S1、S2很靠 近时,两个艾里斑互 相重叠而无法分辨。
S1 S2
f
A
2
A
1
① 能分辨
②恰能分辨
③不能分辨
瑞利分辨判据:
(设:S1、S2光强相等)
恰能分辨时的Δθ 称为 最小分辨角δθ
1
1
1
40
1. 光栅衍射(diffraction grating): 由大量等间距、等宽度且 严格平行的狭缝所构成。 光栅常数d : d = a(划痕宽)+ b(缝间透光宽度) 在光学玻璃上用精密刻线机或电 子束刻出的等间距的平行细痕,刻 痕是不透光的,刻痕间的玻璃是透 光的,相当于透光的狭缝。 通常每毫米的光栅内有几千条甚至 上万条刻痕。
因为波在经历不同的 媒质时,频率是不变 的,所以r/λ’=S/λ,所 以S=nr 光程 = 光在某媒质中传播的几何路程×媒质折射率 .
8
波传播一个波长的距离,相位变化2π
那么光在折射率 n的介质中传播,经过了r距离后,相位变化多 少? r nr Δ 2π 2π λ λ 这说明,光在介质中传播时的相位变化,不但与传播的几 何路径有关,而且还与介质的折射率有关。
光在不同的介质中传播,只要光程相同,光波的相位变化 就相同。所以,决定光传播时相位变化的不是两束光的几何 路程之差,而是光程差。
9
例
光源S1、S2,距离 S1P = S2P = r,介质块的折射率为n, 长度为l,求光程差和相位 差。
10
三.杨氏双缝实验
T.Young (1773-1829 ) 英国医生兼物理学家,于1801年 在历史上首次以人工方式实现光的干涉。
Lecture 6. 波动光学
(第十三章)
1
Electromagnetic Spectrum
无线电波 电学
微波
太赫兹 “THz 空隙”
红外线 光学
可 紫外线 见 光
X γ 射 射 线 线
原子核
2
可见光波长范围是400nm-760nm。
本章将从光的干涉、衍射和偏振现象说明光的波动性.
3
第一节
一.光的相干性 水波的干涉:
思考题
单缝衍射形成暗条纹的条件是
= asin =±2k ( /2 )=±k, k =1,2,3…….
这里k 的取值可不可以从0开始?
37
单缝衍射和双缝干涉比较
单缝衍射 明纹条件 =±(2k+1) ( /2 ) 暗纹条件 =±2k
( /2 )=±k
双缝干涉
±k
a sin 2k
x P x x0
r2
狭缝S1到屏幕上任一 点P的距离为r1,狭缝 S2到P的距离为r2
I
很小, 一般有 50
两列光波在P点的光程差:
x d r2 r1 d sin d tg d x D D
13
x
d x D
r2 r1 2k 2
当干涉加强时 ,
2
强度分布
38
2
*艾里斑半角宽度: (即第一级暗环的衍射角) *艾里斑的半径:
D R f tan 1.22 f D
sin 1.22
(D为圆孔直径)
D越小,R 越大,衍射现象越明显。圆孔衍射现象在光学仪器 成像中不可避免,光学仪器的分辨能力受到了一定的限制。 39
k2 暗
k1 明
k1 暗
中 央 明 纹
k1 暗
k1 明
k2 暗
k2 明
15
例题 杨氏双缝实验,=500nm ,在一光路中插入玻璃片 (n=1.5)后o点变为第4级明纹中心。求:玻璃片厚度h。 解:光程差
S ( S1O h nh) S 2O (n 1)h
s1 s2 s1
x
2
(k 1,2,3....)
第k级暗纹中心到中央明纹中心的距离x=? 因为第k级暗纹对应的光程差 = asin =2k ( /2 )=k sin=kλ/a, 所以,第k级暗纹到中心的距离
k x f tan f sin f a
(f : 透镜L2的焦距)
35
形成第 k 级明纹的条件:
2
(有半波损失)
2n2 e 2n2e sin 2 r 2n2 e cos r 2 cosr cosr 2
20
反射光的光程差:
2n2e cos r
2
2
2
(用折射角r表示)
2
cosr 1 sin r
2 2 2 1 2
1 n1 sin 2 i / n2
检测精密表面平整度
24Βιβλιοθήκη Baidu
第二节
光的衍射 (Diffraction of light)
光的衍射:
(diffraction of light)
光线绕过障碍物偏离 直线传播的现象。
与光的波长相当。
产生明显衍射的条件:孔径或障碍物的线度很小,
25
根据观察方式的不同,分为
菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射
P
L1
S S
根据惠更斯原理,当波阵面到达狭缝时,波面上各点都成为新 的子波源,向各个方向发出子波,所以到达狭缝AB的波可以看
做无数个子波源,每个子波源发出一个球面波,再往后传播, 直到遇到透镜L2,进行聚焦。最后屏幕上的衍射条纹是这些子 波经过透镜L2会聚后叠加形成的。
28
用半波带法分析单缝衍射
衍射角( ,diffraction angle) : 子波射线与入射平行光方向的夹角。
在波面AB之前没有光程差。
在垂面BC以后也没有光程差。 这束光线中,每两条光线形成的光程差都集中在△BAC内。 最大光程差 = AC = asin 。
30
如果 = AC = asin = 2 ( /2 ) ,我们可以在AC的中点处作 BC的平行线,交于狭缝AB上的一点,一定是AB的中点。即将 波面AB 等分为AA1和A1B ,叫做半波带。 相邻的两个半波带上发出的子波,到P点时的光程差都是/2, 是半波长的奇数倍,即这两列子波在P点相遇时,干涉是减弱的, 31 因此在P点形成暗纹。
薄膜干涉: 干涉条纹 加强的条件:
2k
2
n1
n2 n3
增透膜
透镜 (n3 >n2 >n1 )
k 1,2,3...
减弱的条件:
(2k 1)
k 1,2,3...
2
照相机镜头薄膜 P202 例13-2
22
六、等厚干涉
劈尖干涉:光从极小角度的介质膜 的上、下两个面反射回来,发
如果狭缝不能等分为整数个半波带,那么这时屏 上的衍射光强就介于明纹和暗纹之间。
把波面分成几个相等的区域,相邻区域的对应部 分发出的光到达屏上时相位相差 ,这些区域叫做半 波带(half-wave zone)。这种分析衍射的方法叫半波 带法。
34
综上所述,单缝衍射形成第k级暗纹的条件为:
a sin 2k
光的干涉 (Interference of light)
(相干波源) 声波的干涉:
光 波 的 干 涉:
干涉条件:两列波的频率相同、 振动方向相同、相位相同或相位 差恒定。 4
普通光源的发光机制:自发辐射
单 次 发 光
能级跃迁辐射 E2
= (E2-E1)/h
波列
发光时间τ~10 -8 s 波列长度 l = c ~ 1m
显然,各子波发出的平行光轴的光,经过透镜L2后,将会聚于 屏中央,任意两个子波到达该点处的光程差均为0,因此发生干 涉加强的叠加,形成明条纹。称为中央明纹。 又因为屏是放于L2透镜的焦平面上,所以各子波源发出的衍射角 为 的光线所组成的每一束平行光线,它们都将会聚于屏上同一 29 点。
我们考察衍射角为θ 角的这样一束平行光
r1 xk S *
各级明纹 k=2
k=1 k=0 k=1 k=2
各级暗纹
d
r2 0
第k条明纹 D xk k 位置公式: d
k 0,1,2,…
D
当干涉减弱时 ,
r2 r1 (2k 1)
S *
r1
r2
k=2 k=1 k=1 k=2
14
2 第k条暗纹位置公式:
2e n n sin i
2
(用入射角i表示)
对单色光 , i(入射倾角 )不变时 不变 同一条纹 .
对复色光, 形成干涉彩色条纹 .
此外,透射光也能产生干涉现象, 透射光的光程差,由于没有半波 ' 损失,就等于:
2 2e n2 n12 sin 2 i
注意:对某一入射光来说,透射光的光程差与反射光的光程差正好差λ/2, 这说明透射光和反射光干涉具有互补性,反射光相干增强时,透射光正好 21 相干减弱,这符合能量守恒定律。 21
a sin ( 2k 1) ( k 1,2,3...)
k=+2 x k=+1 0 k=-2 k=-3
2
当θ= 0o时,为中央明条纹
两个对称的第一级暗条纹中心间的距离,或 者说,2倍的一级暗纹到中心的距离, 即为中央明纹的宽度。 中央明纹的半角宽度,即为 第一级暗纹的衍射角 x 2 x 2 f 36 a θ = sin =λ/a
O
S k 4
( h, n )
O'
k 4 500 h 4000 nm n 1 1.5 1 s2
k4
16
O
实验说明:当光从光疏介质射向光密介质时,界面上的反射 光将产生 π相位突变,相当于光波多走(或少走)了半个波长的 距离,这种现象称为半波损失。 17
D xk (2k 1) 2d
k 1,2,
xk 1
讨论:
k+1
x
xk
k k= 0
明纹
(1) 相邻两明纹(或相邻两暗纹)的间 隔相等,对称分布: D D D x xk 1 xk (k 1) k d d d (2) 若已知d 和D,测出第k 级条纹对应的x,就可以 计算单色入射光的波长 。 (3) 若入射光为白 光时,只有中央明纹 是白色,其他各级明 纹都是由紫色到红色 向外排列形成。
11
(满足相干光条件)
条纹光强度分布
x
明纹 暗纹 明纹 * 暗纹 中央明纹 暗纹 明纹 暗纹 明纹
S1 S *
I
S2 *
单色光 入射
干涉条纹的分布:条纹等距等宽。
12
杨氏双缝干涉条纹分析:
D(1 ~ 10m) d (0.1 ~ 1m m)
S1 分波面法 r1 S * d S2 D
L2
P
菲涅耳衍射
夫琅禾费衍射
实际中能观察到 夫琅禾费衍射的 装置图
26
单色光
(a:0.5mm)
1.获得与狭缝平行的明暗相间的条纹 2.中央明纹特别宽,特别亮 3. 两边暗纹、明纹相间对称排列形成各级条纹; 4. 随着级数的增加,各级明纹的光强度锐减。
27
(二)分析
( 狭缝宽度: 0.9 毫 米~0.1微米≈λ)
“半波损失”
实验说明:当光从光疏介质射向光密介质时,界面上的 反射光将产生 π相位突变。π相位的变化,相当半个波长 的光程,即光波多走(或少走)了半个波长的距离,这种现 象称为半波损失。 透射光无半波损失。 空气
油、水、玻璃
18
五.薄膜干涉
气球彩色
油层彩色 肥皂膜的干涉彩色条纹
19
1
2 3
n2 ( AB BC ) n1 AD
波列长 l = c
E1
光 源 发 光
独立(不同原子发的光)
光源
独立(同一原子先后发的光)
特点:频率不同、振动方向不同、无固定相位差。 所以,不同光源或同一光源的不同部分所发的光是不相干的。
5
两个独立的普通光源不是相干光源。
6
原则:将同一波列的光 分成两束,经不同路 径后相遇,实现干涉。
7
r
当 = 3 ( /2 ) 时,单缝处的波阵面AB被分成AA1、A1A2 和 A2B共3个半波带, 两两相邻半波带在P点相消叠加,第三个半 波带的光到达P点,就形成明纹。 注意,此处的明纹亮度远不如中央明纹亮度高,为什么?
32
当 = 4 ( /2 ) 时,单缝处的波阵面AB被等分成 AA1、A1A2 、 A2A3和A3B 共4个半波带, 相邻两个半波 带的对应点发出的光到达P点时相互抵消,形成暗纹。
生干涉。
劈尖干涉
应用:运用劈形膜的等厚干涉原理,可以检测物体表面的平整度。
取一块光学平面的玻璃片,称为平晶,放在待检测工件(玻璃 片或者金属磨光面)的表面上方,在平晶与工件表面间形成劈形空 气膜,然后用单色光垂直照射,观察干涉条纹。
23
从等厚干涉的特点可知,每一条条纹对应于薄膜中 的一条等高线。 如果工件表面是非常平整的,那么等厚条纹应该是平 行于棱边的一组平行线; 如果工件表面不平整(肉眼不一定能看出),则等厚 条纹就应该是随着工件表面凹凸的分布而出现的一组形 状各异的曲线。
光学仪器的分辨本领(分辨率):
当两个物点S1、S2很靠 近时,两个艾里斑互 相重叠而无法分辨。
S1 S2
f
A
2
A
1
① 能分辨
②恰能分辨
③不能分辨
瑞利分辨判据:
(设:S1、S2光强相等)
恰能分辨时的Δθ 称为 最小分辨角δθ
1
1
1
40
1. 光栅衍射(diffraction grating): 由大量等间距、等宽度且 严格平行的狭缝所构成。 光栅常数d : d = a(划痕宽)+ b(缝间透光宽度) 在光学玻璃上用精密刻线机或电 子束刻出的等间距的平行细痕,刻 痕是不透光的,刻痕间的玻璃是透 光的,相当于透光的狭缝。 通常每毫米的光栅内有几千条甚至 上万条刻痕。
因为波在经历不同的 媒质时,频率是不变 的,所以r/λ’=S/λ,所 以S=nr 光程 = 光在某媒质中传播的几何路程×媒质折射率 .
8
波传播一个波长的距离,相位变化2π
那么光在折射率 n的介质中传播,经过了r距离后,相位变化多 少? r nr Δ 2π 2π λ λ 这说明,光在介质中传播时的相位变化,不但与传播的几 何路径有关,而且还与介质的折射率有关。
光在不同的介质中传播,只要光程相同,光波的相位变化 就相同。所以,决定光传播时相位变化的不是两束光的几何 路程之差,而是光程差。
9
例
光源S1、S2,距离 S1P = S2P = r,介质块的折射率为n, 长度为l,求光程差和相位 差。
10
三.杨氏双缝实验
T.Young (1773-1829 ) 英国医生兼物理学家,于1801年 在历史上首次以人工方式实现光的干涉。
Lecture 6. 波动光学
(第十三章)
1
Electromagnetic Spectrum
无线电波 电学
微波
太赫兹 “THz 空隙”
红外线 光学
可 紫外线 见 光
X γ 射 射 线 线
原子核
2
可见光波长范围是400nm-760nm。
本章将从光的干涉、衍射和偏振现象说明光的波动性.
3
第一节
一.光的相干性 水波的干涉:
思考题
单缝衍射形成暗条纹的条件是
= asin =±2k ( /2 )=±k, k =1,2,3…….
这里k 的取值可不可以从0开始?
37
单缝衍射和双缝干涉比较
单缝衍射 明纹条件 =±(2k+1) ( /2 ) 暗纹条件 =±2k
( /2 )=±k
双缝干涉
±k
a sin 2k
x P x x0
r2
狭缝S1到屏幕上任一 点P的距离为r1,狭缝 S2到P的距离为r2
I
很小, 一般有 50
两列光波在P点的光程差:
x d r2 r1 d sin d tg d x D D
13
x
d x D
r2 r1 2k 2
当干涉加强时 ,
2
强度分布
38
2
*艾里斑半角宽度: (即第一级暗环的衍射角) *艾里斑的半径:
D R f tan 1.22 f D
sin 1.22
(D为圆孔直径)
D越小,R 越大,衍射现象越明显。圆孔衍射现象在光学仪器 成像中不可避免,光学仪器的分辨能力受到了一定的限制。 39
k2 暗
k1 明
k1 暗
中 央 明 纹
k1 暗
k1 明
k2 暗
k2 明
15
例题 杨氏双缝实验,=500nm ,在一光路中插入玻璃片 (n=1.5)后o点变为第4级明纹中心。求:玻璃片厚度h。 解:光程差
S ( S1O h nh) S 2O (n 1)h
s1 s2 s1
x
2
(k 1,2,3....)
第k级暗纹中心到中央明纹中心的距离x=? 因为第k级暗纹对应的光程差 = asin =2k ( /2 )=k sin=kλ/a, 所以,第k级暗纹到中心的距离
k x f tan f sin f a
(f : 透镜L2的焦距)
35
形成第 k 级明纹的条件:
2
(有半波损失)
2n2 e 2n2e sin 2 r 2n2 e cos r 2 cosr cosr 2
20
反射光的光程差:
2n2e cos r
2
2
2
(用折射角r表示)
2
cosr 1 sin r
2 2 2 1 2
1 n1 sin 2 i / n2
检测精密表面平整度
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第二节
光的衍射 (Diffraction of light)
光的衍射:
(diffraction of light)
光线绕过障碍物偏离 直线传播的现象。
与光的波长相当。
产生明显衍射的条件:孔径或障碍物的线度很小,
25
根据观察方式的不同,分为
菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射
P
L1
S S
根据惠更斯原理,当波阵面到达狭缝时,波面上各点都成为新 的子波源,向各个方向发出子波,所以到达狭缝AB的波可以看
做无数个子波源,每个子波源发出一个球面波,再往后传播, 直到遇到透镜L2,进行聚焦。最后屏幕上的衍射条纹是这些子 波经过透镜L2会聚后叠加形成的。
28
用半波带法分析单缝衍射
衍射角( ,diffraction angle) : 子波射线与入射平行光方向的夹角。
在波面AB之前没有光程差。
在垂面BC以后也没有光程差。 这束光线中,每两条光线形成的光程差都集中在△BAC内。 最大光程差 = AC = asin 。
30
如果 = AC = asin = 2 ( /2 ) ,我们可以在AC的中点处作 BC的平行线,交于狭缝AB上的一点,一定是AB的中点。即将 波面AB 等分为AA1和A1B ,叫做半波带。 相邻的两个半波带上发出的子波,到P点时的光程差都是/2, 是半波长的奇数倍,即这两列子波在P点相遇时,干涉是减弱的, 31 因此在P点形成暗纹。
薄膜干涉: 干涉条纹 加强的条件:
2k
2
n1
n2 n3
增透膜
透镜 (n3 >n2 >n1 )
k 1,2,3...
减弱的条件:
(2k 1)
k 1,2,3...
2
照相机镜头薄膜 P202 例13-2
22
六、等厚干涉
劈尖干涉:光从极小角度的介质膜 的上、下两个面反射回来,发