喀蔚波医用物理学课件08章波动光学.ppt

1、第八章 波动光学光的干涉光的衍射光的偏振双折射现象旋光现象光的吸收和散射.光是人类以及各种生物生活中不可或缺的要素光学 几何光学物理光学波动光学量子光学萌芽时期几何光学时期波动光学时期量子光学时期现代光学时期微粒学说波动学说波粒二象性 发展时期 可见光的范围可见光的范围Hz103 . 4105 . 7:nm760400:1414.v 光的干涉(interference of light)：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. 彩色的肥皂泡光的干涉在历史上曾作为光的波动性的重要例证.8-1 光的干涉.物质发光的基本单元分子、原子等从具有较高能量的激发态向具有较

2、低能量的状态(基态或低激发态)跃迁时,发射的一个电磁波波列 一.光的相干性v 普通光源的发光机理 原子的发光跃迁基态激发态nE跃迁自发辐射波列波列长 L = t c跃迁过程的持续时间约为 10-8 s.v 普通光源发光特点： 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；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.P21光束与波列v 相干光(coherent light)：两频率相同,振动方向相同、相位差恒定.v 相干光的获得方法 分割振幅法 分割波阵面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

3、加.光的相干性与波列*光源1s2s.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.二.杨氏双缝干涉实验.v 相干光的产生实验中, D2a, 一般 D 约1 m ,而2a 约 10-4 m, S1 和 S2 是同相波源Poor1r2xrDSS1S22a.设两列光波的波动方程分别为加强减弱, 2 , 12122 , 1 , 0221212kkkkrr)2cos(111rtAy干涉加强减弱的条件相位差：v 干涉规律)2cos(222rtAyPo

4、or1r2xrDSS1S22a., 2 , 12122 , 1 , 0212kkkkDaxrrr减弱加强条纹分布, 2 , 122122 , 1 , 02kaDkkaDkx暗纹明纹当1=2波程差：Poor1r2xrDSS1S22a.(2) 白光照射时,0级为白色条纹,其它明纹为彩色条纹.(1) x=0 有 k=0中央明条纹,其两侧明暗条纹对称分布v 干涉条纹分布的特点k = 0 ,0 级明纹k = 1 ,1 级明纹k = 2 ,2 级明纹k = 1 ,1 级明纹k = 2 ,2 级明纹.(3) 相邻明条纹(或相邻暗条纹)间距 aDxxxkk21实验装置一定,条纹间距与波长有关波长一定,条纹间距

5、随狭缝宽度而变.v 杨氏干涉实验的应用测量光波波长方法一Daxk21方法二kxkDa2v 干涉问题分析要点(1)搞清发生干涉的光束；(2)计算波程差(光程差)； (3)搞清条纹特点：形状、位置、级次分布等.例题：在双缝干涉实验中,用钠灯作光源,其波长=589.3nm,屏与双缝的距离 D=500mm.求：在2a=1.2mm和2a=10mm两种情况下相邻明条纹间距为多大？(2)若相邻明条纹的最小分辨率距离x=0.065mm,能分清干涉条纹的双缝间距最大为多少？ mm25. 0102 . 110893. 5105002mm2 . 12373aDxa(2)mm5 . 410065. 010893. 5

6、105002373xDamm03. 02mm102aDxa解(1).三.劳埃德镜实验v 当屏幕 P 移至 L 处,从 S1 和 S2 到 L点的光程差为零,但是观察到L点为暗条纹验证了反射时有半波损失存在.P1s2sDPL.v 半波损失(half-wave loss) 光从光疏介质(折射率较小)射向光密介质(折射率较大)时反射光的相位较之入射光的相位跃变了,相当于反射光与入射光之间附加了半个波长的波程差,称为半波损失.(1) 反射光与入射光比较n1 n2无半波损失有半波损失n1 n3或 n1 n2, n2 n3无半波损失或 n1 n2 n2 n3n3n2n1n1n2.光在不同介质中传播时,频率

7、不变而波长改变.光在介质中传播距离 r 时的相位变化为v 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.四.光程与光程差1s1r*P*2s2rnnnrr22.相位差:光程差2SLSv 通过薄透镜的近轴光线具有等光程性焦平面PL10202rnnddrnr2r1n0ndv 两束相干光的相位差.v 反射光的光程差cosdBCABcossin2sintan2sin212nndidiACAD五.薄膜干涉2)(12ADnBCABnPL1n1n2n1M2MdiC34E 5A1B2SD n2 n1.2sin22sin1

8、22212222innddn2cos22sin1cos2222dnndPL1n1n2n1M2MdiC34E 5A1B2SD n2 n1.注意：透射光和反射光干涉具有互补性,符合能量守恒定律.v 透射光的光程差innd22122sin22sin222122inndv 反射光的光程差PL1n1n2n1M2MdiC34E 5A1B2SD n2 n1.v 干涉加强和减弱的条件2 , 12122 , 1kkkk明纹暗纹2sin222122innd可见, 光程差决定于倾角, 焦平面上同一干涉条纹上各亮点(暗点)对应相同的入射角.对反射光.光学系统在透射的同时,反射光将把部分能量反射掉.对于同一厚度的薄膜,

9、 在某一方向观察到某一波长对应反射光相干相长, 则该波长在对应方向的透射光一定相干相消. 利用薄膜干涉使得某个波长相干相消,可实现增透；相干相长可实现增反.v 增透(射)膜和增反(射)膜无论增透、增反,对薄膜厚度有严格要求,且只对单一波长有效.解(1)例题 一油轮漏出的油(折射率n2=1.20)污染了某海域, 在海水(n3=1.30)表面形成一薄层油污.(1) 如果太阳正位于海域上空,一直升飞机的驾驶员从飞机上向下观察,他所正对的油层厚度为460nm,则他将观察到油层呈什么颜色? (2) 如果一潜水员潜入水下,将看到油层呈什么颜色?1n3n2nn1 n2 ve) 负晶体 (vo ve) 负晶体

10、 (vo ve )子波源eevcn 寻常光在晶体中各方向上传播速度相同.非常光在晶体中各方向上传播速度不同.常量oovcnne为主折射率.光光轴轴.光光轴轴v 单轴晶体中光传播的惠更斯作图法对双折射现象的解释主截面内的斜入射(负晶体)主截面内的正入射(负晶体光轴平行于表面).三、波片v 波片：光轴与晶体表面平行的晶体薄片.v 两束光通过晶片后的相位差为dnneo2.光光轴轴线偏振光垂直射入晶体中会出现一快一慢的o光和e光, 从波片射出的是两束传播方向相同, 振动方向相互垂直, 频率相等, 有恒定相位差 的线偏振光.线偏振光通过四分之一波片后, o 光和 e 光的光程差为 /4 ,相位差为 /2

11、 ,叠加后得到椭圆偏振光(主轴之一与光轴重合).若 = /4 ,则得到圆偏振光.v 四分之一波片(quarter-wave plate)满足 的晶片称为四分之一波片4eodnnAeAo PdC.线偏振光通过二分之一波片后,o光和e光的光程差为/2,相位差为,叠加后仍为线偏振光,但其振动面转了2 角.若 =/4,则振动面旋转/2 .v 二分之一波片(quarter-wave plate)满足 的晶片称为二分之一波片2eodnn.一.旋光性 (optical rotation)v 旋光现象偏振光通过某些透明物质时,其振动面将以光的传播方向为轴线转过一定的角度. v 旋光物质能产生旋光现象的物质.(

12、如石英晶体、糖溶液、酒石酸溶液等)8-5 旋光现象.旋转的角度： 旋光物质 lv 规律对于旋光性物质的溶液浓度v 旋光率(specific rotation) 与旋光物质及入射光的波长有关的常量v 旋光色散：正常旋光色散： Cll.v 旋光物质的分类左旋物质 面对着光源观察,使光振动面的旋转为逆时针的旋光物质.(如蔗糖溶液)右旋物质 面对着光源观察,使光振动面的旋转为顺时针的旋光物质.(如葡萄糖溶液).v 旋光仪 观察偏振光振动面旋转的仪器.二. 应用v 分析溶液中的分子构象测量溶液浓度 ClP1P2l.一. 光的吸收 (absorption of light)v 朗伯定律lkIIdd klII0lnlnklIIe0lIIlkII0dd0v 朗伯比尔定律cklcIIe0吸收系数吸收系数ll0I0Idl8-6 光的吸收与散射.二. 光的散射 (scattering of light)v 瑞利散射瑞利定律441IlhkIIe0散射系数v 拉曼散射 (Raman scattering)入射光频率 0散射光频率 0 1； 0 2； 0 3分子固有频率取决于分子的振动能级和转动能级分子散射丁达尔散射.本章结束谢谢！作者：王春燕.