自然光非偏振光课件.ppt

1、一一. . 圆孔的夫琅禾费衍射圆孔的夫琅禾费衍射 衍射屏衍射屏观察屏观察屏 1 f 圆圆 孔孔孔径为孔径为d d中央亮斑中央亮斑 (爱里斑)透镜透镜L1是第是第1 1级暗纹的级暗纹的衍射衍射角，也是角，也是爱里斑爱里斑的角半径。的角半径。12-9 光学仪器的分辨率22. 1sin1d相对光强曲线相对光强曲线1.22( /d)sin 1I / I00爱里斑爱里斑计算结果表明：计算结果表明：d22. 1sin11透镜的焦距为透镜的焦距为f爱里斑半径爱里斑半径1tanfR fdf22. 11爱里斑上分布的光能占通过圆孔的总光能的爱里斑上分布的光能占通过圆孔的总光能的84%。rI d22. 111 二

2、、光学仪器的分辨本领二、光学仪器的分辨本领瑞利判据瑞利判据: :对于两个等光强的非相干物点对于两个等光强的非相干物点, ,如果一个像斑中心恰好落在如果一个像斑中心恰好落在另一像斑的边缘另一像斑的边缘( (第一暗纹处第一暗纹处),),则此两像被认为是刚好能分辨。此时两则此两像被认为是刚好能分辨。此时两像斑中心角距离为最小分辨角像斑中心角距离为最小分辨角 1可分辨可分辨刚可分辨刚可分辨1113不可分辨不可分辨12 3 2R1dR22.1分辨本领：分辨本领： 22. 11dRR结论：结论：透镜的孔径越大，光学仪器的的分辨本领透镜的孔径越大，光学仪器的的分辨本领（分辨率）就越高；波长越短光学仪器的的分

3、辨本领（分辨率）就越高；波长越短光学仪器的的分辨本领（分辨率）（分辨率）最小分辨角：最小分辨角：说明说明dR22.101 . 0 1990 年发射的年发射的哈勃哈勃太空望远镜的凹面物镜太空望远镜的凹面物镜的直径为的直径为2.4m ，最小分最小分辨角辨角 ，在大气层，在大气层外外 615km 高空绕地运行高空绕地运行 , 可观察可观察130亿光年远的太亿光年远的太空深处空深处, 发现了发现了500 亿个亿个星系星系 . D22. 1 眼睛的最小分辨角为眼睛的最小分辨角为cm 120d设人离车的距离为设人离车的距离为 S 时时，恰能分辨这两盏灯。恰能分辨这两盏灯。931055022. 120. 1

4、100 . 522. 1DddSm 1094. 83Sd取取在迎面驶来的汽车上，两盏前灯相距在迎面驶来的汽车上，两盏前灯相距120 cm ，设夜间人眼瞳，设夜间人眼瞳孔直径为孔直径为5.0 mm ，入射光波为，入射光波为 550 nm。例例人在离汽车多远的地方，眼睛恰能分辨这两盏灯？人在离汽车多远的地方，眼睛恰能分辨这两盏灯？求求解解d =120 cmS由题意有由题意有mm 0 . 5Dnm 550 观察者观察者三、光栅的分辨本领三、光栅的分辨本领R)(sin)(kba波长为波长为 + +的第的第k k级主极大的角位置为：级主极大的角位置为：NkNba) 1(sin)(kNR波长为波长为 的第

5、的第kN+1级极小的角位置为：级极小的角位置为： 光栅的分辨本领是指把波长靠得很光栅的分辨本领是指把波长靠得很近的两条谱线分辨清楚的本领。近的两条谱线分辨清楚的本领。光栅的瑞利准则光栅的瑞利准则要分辨第要分辨第k k级光谱中波长为级光谱中波长为 和和 + +的两条谱线，就要的两条谱线，就要满足波长为满足波长为 +的的第第k k级主极大正好与波长为级主极大正好与波长为 的最邻的最邻近的极小相重合，即与第近的极小相重合，即与第kN+1kN+1级极小重合级极小重合30 例：例： 设计一光栅，要求设计一光栅，要求(1)能分辨钠光谱的能分辨钠光谱的 5.89010-7m和和5.89610-7m的第二级谱

6、线；的第二级谱线；(2)第二级谱线衍射角第二级谱线衍射角 ; (3)第三级谱线缺级。第三级谱线缺级。 解（解（1 1） 按光栅的分辨本领按光栅的分辨本领kNR条49110006. 0210893. 577kN条条491N即必须有即必须有mmmkba371036. 230sin10893. 52sin（2 2） 根据根据 kbasin)(由于由于 ，所以，所以30 mmba31036. 2 这样光栅的这样光栅的 N 、 a 、b 均被确定。均被确定。（3 3）缺级条件）缺级条件 kkaba 1 k取取mmmbaa331079. 031036. 23mmmb31057. 131079. 03103

7、6. 23aba12-11 X 射线的衍射射线的衍射一、一、 X 射线的产生射线的产生电磁波电磁波 : 10-1102-KAX射线射线X 射线管射线管+伦琴伦琴伦琴射线伦琴射线 18951895年年X X射线是由高速电子撞击物体时产生射线是由高速电子撞击物体时产生X 射线射线准直缝准直缝晶体晶体劳厄斑劳厄斑二、劳厄实验二、劳厄实验为了实现为了实现X射线的衍射而设计的射线的衍射而设计的劳厄劳厄衍射图样（劳厄斑）证实了衍射图样（劳厄斑）证实了X射线的波动性。射线的波动性。 dd d dsin 12晶面晶面ACB 衍射中心衍射中心: : 掠射角掠射角d : 晶面间距晶面间距 点间散射光的干涉点间散射

8、光的干涉每个原子都是散射子波每个原子都是散射子波的子波源。的子波源。 同一层晶面上相邻两束光的光程差为零。同一层晶面上相邻两束光的光程差为零。 三、布喇格公式三、布喇格公式不同晶面间散射光的干涉不同晶面间散射光的干涉 sin2dCBAC ), 2 , 1(sin2 kkd 布喇格公式布喇格公式四、应用四、应用 已知已知 、 可测可测d X射线晶体结构分析射线晶体结构分析。 已知已知 、d可测可测 X射线光谱分析。射线光谱分析。五、五、 实际观察实际观察X射线衍射的作法射线衍射的作法a.劳厄法：劳厄法： 劳厄相劳厄相 德拜相德拜相b.粉末法：粉末法：), 2 , 1(sin2 kkd 机械波穿过

9、狭缝机械波穿过狭缝光的光的波动性波动性机械横波与纵波的区别机械横波与纵波的区别光波是光波是横波横波光的干涉、衍射光的干涉、衍射 .光的偏振光的偏振 .12-12 12-12 自然光和偏振光自然光和偏振光一、自然光（非偏振光）一、自然光（非偏振光）光矢量：光矢量：电磁波的电磁波的E E矢量。矢量。 在垂直于光传播方向上的所有可能方向上，在垂直于光传播方向上的所有可能方向上，E振振动的振幅都相等，这样的光称为自然光。动的振幅都相等，这样的光称为自然光。自然光的自然光的vE注意注意 各光矢量间无固定的相位关系各光矢量间无固定的相位关系 . 二二互相互相垂直方向是任选的垂直方向是任选的 .二、偏振光二

10、、偏振光线偏振光：线偏振光：某一光束只含有一个方向的光振动某一光束只含有一个方向的光振动振动面：振动面：光振动方向与光传播方向所确定的那平面光振动方向与光传播方向所确定的那平面部分偏振光：部分偏振光：某一方向的光振动比与之相垂直的另某一方向的光振动比与之相垂直的另一方向的光振动占优势。一方向的光振动占优势。振动面振动面Ev图示图示图示图示 起起 偏偏二偏振片二偏振片 起偏与检偏起偏与检偏 二向色性二向色性 : 某些物质能吸收某一方向的光振某些物质能吸收某一方向的光振动动 , 而只让与这个方向垂直的光振动通过而只让与这个方向垂直的光振动通过, 这种性质这种性质称二向色性称二向色性 . 偏振片偏振

11、片 ： 涂有二向色性材料的透明薄片涂有二向色性材料的透明薄片 . 偏振化方向偏振化方向 ： 当自然光照射在偏振片上时，当自然光照射在偏振片上时，它只让某一特定方向的光通过，这个方向叫此偏振它只让某一特定方向的光通过，这个方向叫此偏振片的偏振化方向片的偏振化方向 .021I偏振化方向偏振化方向0I起偏器起偏器检偏器检偏器 检检 偏偏起偏器起偏器I1I21A2A cos12AA2AI 2212212cosAAII 212cosII12,0II 当：当：023,22 I当当：二、马吕斯定律二、马吕斯定律光强为光强为I1的线偏振光，透过偏振片后，透射强度为：的线偏振光，透过偏振片后，透射强度为： 21

12、2cosII1、自然光通过偏振片后光强减为原来的二分之一；、自然光通过偏振片后光强减为原来的二分之一；2、旋转起偏片，屏幕上光强不变。、旋转起偏片，屏幕上光强不变。例题：例题：已知自然光通过两个偏振化方向夹角为已知自然光通过两个偏振化方向夹角为60的的偏振片，透射光强为偏振片，透射光强为I1，今在，今在 这两偏振片之间再插入这两偏振片之间再插入另一偏振片，它的偏振化方向与前两个偏振片的偏振另一偏振片，它的偏振化方向与前两个偏振片的偏振化方向均夹化方向均夹30角，则透射光强为多少？角，则透射光强为多少？解：解：oI2oII 1IIIII 4160coscos22114II II I 121233

13、0cos430cosIIII 43330cos12III149I212cosII 3p1p0I0I1I3p2p1p2I3I2p3p1p0121II 20cos2I 在两块正交偏振片在两块正交偏振片 之间插入另一块偏之间插入另一块偏振片振片 ，光强为，光强为 的自然光垂直入射于偏振片的自然光垂直入射于偏振片 ，讨论转动讨论转动 透过透过 的光强的光强 与转角的关系与转角的关系 .I31p,p2p2p3p0I1p讨论讨论)2(cos223 II202cos2II 220223sincos21sinIII2sin81203II 若若 在在 间变化，间变化， 如何变化如何变化？203I0,23, ,2

14、, 03I8,47,45,43,403II 0I1I3p2p1p2I3I2p3p1p12-14 12-14 反射和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振空气空气i1ni玻璃玻璃2n 反射光反射光 部分部分偏振光偏振光 ，垂直于入射面的振动大于平垂直于入射面的振动大于平行于入射面的振动行于入射面的振动 . 折射光折射光 部分部分偏振光，平行于入射面的振动大偏振光，平行于入射面的振动大于垂直于入射面的振动于垂直于入射面的振动 .理论和实验证明理论和实验证明：反射光的偏振化程度与入射角有关：反射光的偏振化程度与入射角有关 .布儒斯特定律布儒斯特定律（1812年）年）反射光为完全偏振光，且反射光为完全偏振

15、光，且振动面垂直入射面，折射振动面垂直入射面，折射光为部分偏振光。光为部分偏振光。120tannni 当当 时，时，反射光和折射光互相垂直反射光和折射光互相垂直 .120sinsinnni00120cossintaniinni)2cos(sincos0i20i讨论讨论0i0i1n玻璃玻璃2n空气空气0i0i1n1空气空气 例例 一自然光自空气射向一块平板玻璃，入射角一自然光自空气射向一块平板玻璃，入射角为布儒斯特角为布儒斯特角 ，问，问 在界面在界面 2 的反射光是什么光？的反射光是什么光？0i玻璃玻璃2n2 注意：注意：一次一次起偏垂直入射面起偏垂直入射面的振动仅很小部的振动仅很小部分被反射

16、（约分被反射（约15%）所以）所以反射反射偏振光很弱偏振光很弱 。一一般应用般应用玻璃片堆玻璃片堆产生偏振光产生偏振光注意注意 对于一般的光学玻璃对于一般的光学玻璃 , 反射光的强度约占反射光的强度约占入射光强度的入射光强度的7.5% , 大部分光将透过玻璃大部分光将透过玻璃.利用利用玻璃片堆玻璃片堆产生产生线线偏振光偏振光0i0i0i0iiii讨论讨论讨论下列光线的反射和折射（讨论下列光线的反射和折射（起偏角起偏角 ）.0i动动 光光 学学双折射现象双折射现象波波 动动 光光 学学一一 双折射的寻常光和非寻常光双折射的寻常光和非寻常光 nisinsin恒量恒量i玻璃玻璃n折折 射射 定定 律

17、律方解石晶体方解石晶体12-15 12-15 光的双折射光的双折射光通过光通过双折射晶体双折射晶体 寻常光线（寻常光线（o o光）光）(ordinary rays)(ordinary rays)服从折射定律的光线服从折射定律的光线(extraordinray rays) 非常光线（非常光线（e e光）光）不服从折射定律的光线不服从折射定律的光线（一般情况，非常光线不在入射面内）（一般情况，非常光线不在入射面内）实验证明：实验证明： O 光和光和 光均为偏振光光均为偏振光.eACBoeDeo 产产 生生 双双 折折 射射 的的 原原 因因O光波阵面光波阵面 光波阵面光波阵面eeevcn 光轴光轴

18、Ovev 寻常光线寻常光线 在晶体中在晶体中各方向上传播速度相同各方向上传播速度相同. . vcn常量常量 非常光线非常光线 晶体中各晶体中各方向上传播速度不同方向上传播速度不同, ,随随方向改变而改变方向改变而改变. .为主折射率为主折射率en 光轴光轴 在方解石这在方解石这类晶体中存在一个特殊类晶体中存在一个特殊的方向，当光线沿这一的方向，当光线沿这一方向传播时不发生双折方向传播时不发生双折射现象射现象 . 称这一方向称这一方向为晶体的为晶体的光轴光轴.光轴光轴102AB光轴光轴7878781021020710109光轴光轴 主截面主截面 当光在一晶体表面入射时，此表当光在一晶体表面入射时，此表面的法线与光轴所成的平面面的法线与光轴所成的平面. 当入射面是主截面时，当入射面是主截面时， O 光的振动光的振动垂直垂直主截面；主截面； 光的振动光的振动平行平行于主截面于主截面.e0710109光轴光轴 光光 光光eo