1、Wave properties of light,第十二章 光的波动性,第一节 光的干涉Interference of light,普通光源的发光机制,光源：发光的物体。,处在基态的电子,处在激发态的电子,原子模型,一、相干光源 light source,普通光源发光的两个特点：,随机性：每次发光是随机的，所发出各波列的振动方向和振动初相位都不相同。,间歇性：各原子发光是断断续续的，平均发光时间t 约为10-8 s，所发出的是一段长为 L =ct 的光波列。,获得相干光源方法：,分波阵面法：,分振幅干涉法：,相干光源：相同频率,相同振动方向，具有恒定位相差。,1.现象 phenomenon,产
2、生的明暗相间的条纹,二、杨氏双缝干涉 Young interference experiment,2.光强分布 light distribution,明纹,暗纹,因为,条纹位置：,各级明条纹中心：,各级暗条纹中心：,相邻明或暗条纹相距：,1）若波长一定，必须d足够小、D足够大，x才能足够大。,3）已知D、d，若知道k级对应的x，就可以测定波长。,2）若D和d一定，波长与条纹间距有关。白光源，中央是亮条纹，其他各级亮条纹都是由紫到红的彩色条纹，且紫色条纹靠近中央条纹一边。,讨论：,双偏振极化干涉(DPI)测量技术在生物医学及材料科学方面的应用。2000以后发展起来的对分子相互作用定性定量测量研究
3、工具。,DPI是基于光的Thomas Yuong干涉现象发明的。如图:,干涉信号经过数学转换得到传感面上厚度、质量及密度的信息。厚度的改变对应了蛋白质结构的变化，质量改变对应着配体与蛋白质的结合，密度改变综合体现了蛋白质-配体结合前后状态的变化。,目前DPI已经应用这四个方面： 1、蛋白质在表面的结构表征及吸附、固定和聚集过程研究 2、蛋白质与生物分子或小分子配体的相互作用的研究 3、DNA表面固定化及杂交过程研究 4、模拟生物膜及生物膜与分子相互作用研究,例题12-1 在杨氏双缝实验中，入射光的波长为546nm，双缝距离1mm,光屏距双缝40cm。求（1）第十级明条纹的位置；（2）相邻两条纹
4、间的距离；（3）中央亮条纹上方第十级条纹与下方第二级暗条纹间的距离。,解：,2）,3）,1）,光速和折射率,真空中,介质中,介质中的波长,同一介质，随频率不同而不同，但在空中都是1,三、光程与光程差 Optical path,某一单色波，经过不同介质中，频率不变。,真空,介质,光程 :S= nL,光程 S=( ni Li ),1.光程,L为光在介质n中的路程，而S称为光程。此光程方程是将光在介质n中行走的路程L所引起的相位差或所需要的时间换算成光在真空中行走路程 是相当的。,光程差和相位差的关系：在真空中同为的两个相干波经过不同介质相遇：,光强极大,光强极小,2.光程差：,例题12-2 杨氏双
5、缝实验中，d=0.45mm，D=1.0m，用n=1.5, h=9.0um的薄玻璃盖窄缝S2,接受屏上干涉条纹将发生什么变化？,中央亮条纹应满足,四、薄膜干涉 Interference in thin coatings,暗,=,1.等倾干涉,明,等倾干涉：条纹级次取决于入射角的干涉,光从光疏进入光蜜介质,反射光相对入射光会发生 相位 突变半波损失,1）,2）,考虑半波损失,不用考虑半波损失,垂直入射（光源S在无限远处）：,透镜增透膜与增反膜： 薄膜干涉的应用,增透膜,反射光干涉相消条件：,最薄的膜层厚度（k = 0）为：,例题12-3 玻璃 n1=1.5，镀MgF2 n2=1.38，放在空气中，
6、白光垂直射到膜的表面，欲使反射光中，对人眼和照相机底片最敏感的黄绿光（=550nm）的成分相消（反射最小，增大透射光强）求：膜的最小厚度。,反射光相消 = 增透,思考：若 n2n3 会得到什么结果？为什么望远镜的镜片有的发红，有的发蓝？,效果最好,解：,第二节 光的衍射 Diffraction of light,光的衍射现象,当障碍物或窄缝、小孔的线度接近光的波长，衍射现象尤其显著。（a 0.1m m）,菲涅耳衍射：光源与衍射屏（小孔、狭缝或其他遮挡物）以及衍射屏与光屏在有限远处所形成的衍射现象。,夫琅禾费衍射：光源与衍射屏以及衍射屏与光屏在足够远处所形成的衍射现象。 即认为入射光和出射光都是
7、平行光 。,菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射,P点的光强取决于狭缝上各子波源到此的光程差,一、单缝夫琅禾费衍射 Fresnel Diffraction,所有子波射线光程彼此相等，干涉加强，形成亮条纹称为中央亮纹。,1.,菲涅耳半波带法,沿方向衍射的平行光波阵面上，可分等宽的波带。,1、N 由 a、 确定。 2、N不一定是整数。,2.,暗,明,该 方向为衍射暗条纹。,该 方向为衍射明条纹,P点为暗！,中央明纹,在屏上的线宽度为,中央亮条纹半角宽度,？,不同缝宽的单缝衍射条纹的比较,0.16 mm,0.08 mm,0.04 mm,0.02 mm,广义：任何能够等间隔地分割光波阵面的装置都是衍射光栅。沙网、
8、编的席子、扇子、眼睫毛 最简单：一组平行等宽等间隔的狭缝。,光栅常数 10-3-10-2 mm,10cm宽的光栅总刻痕数 N = 104-105,二、衍射光栅 Diffraction grating,理论和实验证明：光栅狭缝数越多，条纹越明亮；光栅常量越小，条纹间距越大，条纹越细。,光栅公式：,注意：光栅方程仅说明了的各级谱线的角度分布，而谱线的亮度还受单缝衍射光强分布的调制。,缺级现象：,最亮级：,单缝：,双缝：,例题12-4 波长为589.3nm的钠黄光垂直入射到光栅上，测得第二级谱线（亮条纹）的衍射角为2808。用另一未知波长的单色光入射时，它的第一级谱线的衍射角为13030。（1）求未
9、知波长；（2）用未知波长最多能观测到第几级谱线？,解：1,2,最多第四级,84% 能量,爱里斑的角半径：,光学仪器夫琅禾费圆孔衍射为主，只需考虑爱里斑。,爱里斑,三、夫琅禾费圆孔衍射 Fraunhofer Diffraction,瑞利判据,刚好能分辨,不能分辨,能分辨,瑞利判据：一个点像的衍射图样的中央最亮处刚好与另一个点像的衍射图样的第一级暗环相重合，这时这两个物点恰好能被这一光学仪器所分辨。,最小分辨角又称分辨限角 ：,分辨本领：,透镜的孔径越大，光学仪器的分辨率越高。,第三节 光 的 偏 振 Polarization of light,光是一种电磁波（横波)。电矢量 与磁矢量 相互垂直，
10、它们分别又与电磁波的传播方向垂直，且有各种振动状态，称此为光的偏振态,一、 自然光与偏振光,光振动：电磁波的 振动。,光矢量：电磁波的 矢量。,自然光：在垂直于光传播方向上的所有可能方向上都有光振动，且 振动的振幅都相等。,因此，自然光可以看成由两个振动方向相互垂直，振幅相等，互不相干线偏振光的叠加。,部分偏振光：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。,线偏振光：某一光束只含有一个方向的光振动。,振动面：光振动方向与传播方向所确定的那平面，又可称之为平面偏振光。,右旋椭圆偏振光,椭圆偏振光和圆偏振光,1. 偏振光的产生,（1）布儒斯特定律 D.Brewster Law,二 偏振
11、光的产生和检验,（2）双折射现象 Double refraction,各向异性媒质：在其中传播的光，沿不同方向速度不同。 石英、方解石、水晶、玉石,遵守 寻常光（o） no,不遵守非常光（e） ne,注意：寻常、非常指光在折射时 是否遵守折射定律，o光、e光也只在晶体内部才有意义。,主速度、主折射率,沿光轴方向e、o光速度相同,负晶体,正晶体,ve 称晶体的e光主速度，相应的折射率ne=c/ve 称晶体的e光主折射率.,晶体对o 光和e 光的吸收有很大差异。,电气石,Z,1mm厚的电气石可将O光吸收净，e光却有剩余可制成偏振片。,（3）二向色性晶体,（4）散射偏振,2.偏振光的检验 用偏振片检验,起偏器,检偏器,一般情况下 I =？,马吕斯定律 MaLus Law,E 1=E0cos,E 2=E0sin,你能说明为什么吗？,？,解: 自然光通过第一个偏振片，透振光强为I/2，并成为偏振光。通过第 二个偏振片，透振光强按马吕斯定律得出:,例题12-5 透过透振方向互成300角的两个偏振片观测一自然光，然后使两者透振方向互成600角时，观测同一位置处的另一自然光，两次所得的透射光强相等，求两光源的强度之比？,
