1、Physics Dept. C. P. U.内容： 1、光的干涉2、光的衍射3、光的偏振主讲人：周清华（讲师）光的波动性光的波动性光是 人类以及各种生物生活中不可或缺的要素。牛顿： 光是由 “ 光微粒 ” 组成的，是一种机械观；惠更斯、托马斯 杨、菲涅耳： 光是介质中传播的波；能发生干涉、衍射。麦克斯韦的电磁理论： 光是一种电磁波。光是什么？光是什么？光电效应 康普顿散射： 光具有粒子性，这种粒子称做 “ 光量子 ”，德布罗意： 所有物质都具有波粒二象性。光的 两种互补性质 ：在传播过程中显示波动性，与其他物质相互作用时显示粒子性。主 要 内 容1、光的干涉光的相干性 杨氏双缝干涉 薄膜干涉
2、迈克尔逊干涉仪2、光的衍射惠更斯 菲涅耳原理 单缝衍射 衍射光栅 光学仪器的分辩本领X 射线衍射3、光的偏振自然光和偏振光 双折射 光源光源 (light source)可见光 (visible light)：能引起人的视觉的 电磁波 ，真空中的波长 400 nm 760 nm。第一章第一章 光的干涉光的干涉一、一、 光的相干性光的相干性Physics Dept. C. P. U.热光源：处于热激发态的原子的自发辐射光源的分类光源的分类不同光源的发光机理不同不同光源的发光机理不同热光源：利用热能激发。如太阳、白炽灯冷光源：利用化学能、电能或光能激发。如磷光、辉光普通光源激光光源光源- 13.6
3、 e V- 3.4 e V- 1.5 e V例子：氢原子的发光模型光波列 在热激发下原子跃迁至高能级激发态，由于激发态不稳定 ， 从高能级跃迁跃迁至低能级，发出光波列。跃迁过程的持续时间约为 10-8 s。热光源发光机理：能级间的跃迁热光源发光机理：能级间的跃迁各原子或同一原子，每次发出的波列，其频率和振动方向可能不同，每次何时发光不确定。原子发光具有独立性原子发光具有独立性来自两个光源或同一光源两部分的光，不满足相干条件，叠加时在空间不能产生稳定的干涉现象。两束光发生 干涉（ interference） 的条件：具有相同的频率、振动方向相同、有固定的相位关系。单色光： 具有单一频率（波长）的
4、光。实际的单色光都有一定的谱线宽度。光的单色性越好，相干长度（ coherent length）越长。获得相干光的方法获得相干光的方法用单色性好的点光源，把光线分成两部分，然后再叠加。（取自同一原子的同一次发光）pS *分波阵面法p薄膜S *分振幅法二、杨氏双缝实验二、杨氏双缝实验 (Two-slit interference)1801年，英国人托马斯 杨（ T. Young ）成功地做了一个具有判别意义的、关于光的性质的关键性实验。在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。杨还由此实验测出了光的波长。双缝干涉的干涉条纹双缝干涉的干涉条纹r2r1xPSs1s2Dd oS1 和
5、 S2 是同相波源。 实验中，双缝和屏间距 D一般 约 1 m ， 而 双缝间距d 约 10-4 m。两 条光路的 波程差 ：根据干涉原理，波程差决定了干涉的强弱效果：波程差为 波长 的整数倍时，干涉极大；波程差为 半波长 的奇数倍时，干涉极小。干涉的明暗条纹干涉的明暗条纹0 级明纹1 级明纹2 级明纹1 级明纹2 级明纹1 级暗纹2 级暗纹1 级暗纹2 级暗纹当 时，干涉极大，即： ， k = 0 , 1 , 2 , ，处为明条纹。当 时，干涉极小，即： ， k = 1 , 2 , ，处为暗条纹。相邻两明纹或暗纹间的距离所指明纹或暗纹间的位置是指明条纹或暗条纹的中心位置。波长变化对干涉条纹的
6、影响波长变化对干涉条纹的影响条纹间距与波长成正比双缝间距变化对干涉条纹的影响双缝间距变化对干涉条纹的影响条纹间距与缝间距成反比干涉项屏上干涉条纹的光强分布屏上干涉条纹的光强分布xoI4I11、双缝干涉形成等间距的明暗条纹。双缝间距 d 愈小，干涉条纹间距 x 愈大， 干涉愈明显 。 d大到一定程度，条纹间距小于 0.1 mm时，肉眼观察不到干涉现象。2、 愈大，则条纹间距大； 复色光源 做实验时，红光在外，紫光在内。3、要使条纹分得开，还需要 D大。MN三、劳埃德镜实验三、劳埃德镜实验劳埃德镜ABS1S2劳埃德（ H. Lloyd）镜：当经平面镜反射的光线，与直接射到屏幕上的光相遇，发生干涉，
7、出现干涉条纹。当将 屏幕移近到镜面的一端时，发现接触处出现的是 暗条纹 ！这一实验事实说明，从镜面反射的光， 发生了 的相位突变 ！半波损失：光从光疏介质到光密介质表面反射时， 反射光有半个波长的附加波程差 。双面镜SS1S2d2 M ABDRdL DPSS1S2MNAB双棱镜其他一些干涉装置其他一些干涉装置四、光程（四、光程（ Optical path）和光程差）和光程差光在不同介质中传播时， 频率不变而波长改变 。在真空中波长 ，到折射率为 n的介质中变为 ：光在介质中传播时，经过几何路程 r 的相位差：光程 =nr光程：光在介质中经过的几何路径 r与该介质的折射率 n的乘积nd r2r1
8、两束相干光的 光程差为半波长的偶数倍 时，干涉加强（相长）， 光程差为半波长的奇数倍 时，干涉减弱（相消）。AB透镜：改变光路而不增加光程差透镜：改变光路而不增加光程差AB焦平面五、五、 薄膜干涉薄膜干涉 (Interference in thin film)薄膜干涉： 在扩展光源 太阳或宽广光源的自然光的照射下，油膜等薄膜表面会出现彩色的干涉图样。薄膜干涉是利用分振幅法获得相干光的。LPDC34E5A1B2发生干涉的两条 2、 3光线的光程差为：计算得光程差：计算得光程差：半波损失in1n2 en1等倾 干涉环薄膜干涉反射光的光程差：薄膜干涉反射光的光程差：光程差决定于倾角 i，焦平面上同一
9、干涉条纹（亮或暗）对应相同的入射角。等倾干涉等倾干涉 (equal inclination interference)明暗条纹的光程差条件分别为：明暗条纹的光程差条件分别为：在等倾干涉条纹中： i k，越往内 k值越大， i=0对应中央条纹，因此 中央条纹级次最大透射光的光程差透射光的光程差 PLDC34 E5A1B2透射光和反射光的干涉条纹具有互补性 。当光线垂直入射薄膜当光线垂直入射薄膜 当 时：Physics Dept. C. P. U.一、 劈尖 干涉夹角很小的两个平面所构成的薄膜空气劈尖平行单色光 垂直照射 空气劈尖上，上、下表面的反射光将产生干涉。等厚干涉等厚干涉 (equal t
10、hickness interference)n入射光垂直入射 ，厚度为 e 处 两条相干光线的光程差：e干涉条件（空气劈尖）劈尖上厚度相同的地方，两相干光的光程差相同，对应一定 k值的明或暗条纹 等厚干涉Physics Dept. C. P. U.出现暗条纹 有 “半波损失 ”相邻两条纹对应的厚度差：棱边处光程差决定于厚度，同一干涉条纹对应的厚度相同，故称 等厚条纹 。等厚条纹是一些与棱边平行的明暗相间的直条纹。在棱边处形成暗条纹。Physics Dept. C. P. U.空气劈尖任意相邻明条纹对应的厚度差：任意相邻明条纹 (或暗条纹 )之间的距离 l 为：在 入射单色光一定时，劈尖的楔角 愈小，则 l愈大，干涉条纹愈疏； 愈大，则 l愈小，干涉条纹愈密。当用白光照射时，将看到由劈尖边缘逐渐分开的彩色直条纹。劈尖干涉条纹的移动劈尖干涉条纹的移动倾角增大，则条纹宽度减小；向上平移，倾角不变，厚度增加，则条纹宽度不变， 条纹级次增大，所以条纹向劈尖处移动。条纹间距测微小厚度 干涉膨胀仪劈尖干涉的应用劈尖干涉的应用牛顿环实验装置牛顿环实验装置牛顿环干涉图样显微镜SLM半透半反镜T牛顿环的条纹牛顿环的条纹Rr e中央为暗斑（ k=0）的内疏外密的明暗相间的同心圆环。即： 。 因此 暗环 半径：测透镜半径测透镜半径
