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2.3  波動光學(xué)

綜述：

（1）光是電磁波

（2）數(shù)學(xué)描述上與機械波方法相同

（3）主要研究內(nèi)容有：干涉、衍射和偏振現(xiàn)象

知識點一  光矢量、光振動、單色光、光強度

光是橫波，有電場和磁場分量，都垂直于傳播方向。波段處在400~760nm范圍。

通常能引起感光作用以及生理作用的是e矢量，因而稱e矢量為光矢量，e的振動稱為光振動。

單色光：把頻率單一的光稱為單色光，在不同介質(zhì)中傳播過程中，該光波波長變化，但頻率不變，眼睛感覺到的顏色不變，因而稱為單色光

光強：與機械波的強度類似的定義，指的是平均能流密度，即單位時間內(nèi)通過垂直于光波傳播方向單位面積上光的平均能量。

對于任何感光儀器來說觀察到的都是光的強度而不是光振動本身。但由于能流正比于振幅，因而某處光振動振幅最大，對應(yīng)是最亮的地方。光振動振幅為零，也就對應(yīng)是黑暗的地方。所以通常用振幅直接得出亮暗的干涉結(jié)果。

知識點二  光的干涉

光的相干條件：

頻率相同，振動方向相同，在相遇區(qū)域有恒定相位差。

滿足上述要求的光波稱為相干波。

典型的干涉有：雙縫干涉，劈尖干涉，牛頓環(huán)干涉，等傾干涉等。

1.楊氏雙縫干涉

s1 s2 為同相位相干波源

波程差決定p點干涉結(jié)果

 

 

干涉相長

干涉相消

 

 

兩相鄰明紋（或暗紋）間距

條紋特點：

(1) 一系列平行的明暗相間的條紋；

(2) q 不太大時條紋等間距；

(3)

若用白光照會有什么現(xiàn)象？

d,d (圖中d ¢) 一定時，若l變化，則dx將 怎樣變化？

l 、d (圖中d¢)一定時，條紋間距dx與d的關(guān)系如何？

2.光程與光程差

在研究干涉問題時，相位差是最關(guān)鍵的物理量。一般情況下，我們研究的干涉問題都是在空氣中，計算相位差時，只需用計算兩列光波行進(jìn)的距離差，除以真空中的波長乘以2π即可得相位差。

真空中距離d 的兩點的相位差

介質(zhì)中距離d 的兩點的相位差

計算中考慮波長的變化不太方便，為方便計算光經(jīng)過不同介質(zhì)時引起的相差，我們引入光程的概念。

定義 l=nr 為介質(zhì)中與路程 r 相應(yīng)的光程。n為介質(zhì)的折射率。

直接利用光程差δ=l₂-l₁以及真空中的波長就可以獲得光程差

光程差(δ)與相位差(△φ)的關(guān)系為

相干增強以及減弱的條件寫成光程差的形式為

 

例題：當(dāng)在空氣中進(jìn)行雙縫干涉實驗時，屏幕上p點呈現(xiàn)第三級條紋，若在某液體中完成相同的實驗，發(fā)現(xiàn)p點出現(xiàn)第四級明紋，則液體的折射率為多少？

 

分析：在不同的介質(zhì)中，波長發(fā)生變化，同樣的波程差會導(dǎo)致不同的相位差，因而本題用光程計算比較簡單

解：第n級明紋對應(yīng)兩路光光程差為 n （r₂-r₁） =nλ₀，n為折射率

n （r₂-r₁） =nλ₀，n為折射率

依據(jù)題意有

1× （r₂-r₁） =3λ₀   n× （r₂-r₁） =4λ₀

因而折射率n=4/3

3.劈尖干涉

劈尖：薄膜的兩個表面是平面，其間有很小夾角

 

發(fā)生干涉的是空氣膜上面反射的光波1，與下表面反射的光波2

二者是同一光線分出的，因而滿足相干條件。

光程差計算

 

干涉增強減弱的條件

當(dāng)d 等于波長的整數(shù)倍時，干涉加強——明條紋；當(dāng)d 等于半波長的奇數(shù)倍時，干涉減弱——暗條紋。

劈尖干涉條紋的特征

(1)劈尖干涉條紋，是一系列明暗相間的、等間距分布的、平行于棱邊的平直條紋

(2)相鄰明紋（暗紋）對應(yīng)的薄膜厚度差：de = e_k+1－e_k= l / 2n.

兩相鄰明紋（或暗紋）的間距

夾角q越小，條紋越疏；反之則密。如q過大，條紋將密集到難以分辨

4.牛頓環(huán)

在曲率半徑很大的平凸透鏡和平板玻璃（折射率為n₁）之間形成一厚度不均勻的空氣層（n₂=1,n₂<n₁）

單色光垂直照射時，在空氣層上下表面反射的光1、2，滿足同相位，同振動方向，相位差恒定的干涉條件，可以得到一系列明暗相間的同心環(huán)狀干涉條紋，稱為牛頓環(huán)。

形成明環(huán)還是暗環(huán)，取決于兩束光相遇時的光程差，只研究垂直入射這一最簡單的情況。

若入射光波長為λ，垂直入射，當(dāng)空氣層上下表面的反射光在上表面相遇時的光程差表達(dá)式為：d = 2e + l /2

明暗紋條件

 

明暗紋位置

由幾何關(guān)系可知  (r - e)² + r² = r²   r² - 2re + e² + r² = r²   e = r ²/2r

代入明暗紋條件，可得

 

圖案描述：牛頓環(huán)干涉得到一系列明暗相間的、內(nèi)疏外密的同心圓環(huán)，中心接觸點是暗斑（k=0級暗紋，對應(yīng)厚度e=0）

5.等傾干涉

厚度均勻的薄膜在無窮遠(yuǎn)處，形成等傾干涉條紋。

光程差計算

計算得表達(dá)式：

光程差 d = d ( i ) 是入射角i 的函數(shù)，意味著對于同一級條紋具有相同的傾角——等傾干涉

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在n₁=n₃的情況下

據(jù)此可以計算明暗紋條件，計算出明暗紋對應(yīng)的角度。

傾角 i 相同的光線對應(yīng)同一條干涉條紋。

干涉圖樣：

相同傾角的光在屏上形成一圓環(huán)條紋。不同半徑對應(yīng)不同傾角。形成內(nèi)疏外密的一系列同心圓環(huán)。

6.邁克爾遜干涉儀

工作原理：來自s的光，被g1分成兩束，一束入射至m1，被反射回來再經(jīng)由g1反射進(jìn)入觀察者的眼睛，另一束入射至m2，被反射回穿過g1進(jìn)入觀察者的眼睛里，進(jìn)而產(chǎn)生干涉。

一般為了形象簡單的處理問題，常把m1那條光路等效的畫在m2附近，如圖中的m1`,等效的依據(jù)是光程相同。這樣兩束光就相當(dāng)于分別從m2以及m1`上出射，邁克爾遜干涉問題就可以當(dāng)成薄膜干涉問題處理。

 

當(dāng)m2前后移動時，會引起光程差的變化，反應(yīng)在圖中，是m2與m1`之間的空氣薄膜厚度變化。這一操作會引起條紋的移動。當(dāng)m2平移半個波長的距離，則視場中就有一條明紋移動過。

邁克耳遜干涉儀的視場中有n條明紋移過，則可以反推出平面鏡移動的距離為：

 

例題：在邁克爾遜干涉儀的一條光路中，放入一片折射率為n,厚度為d的透明介質(zhì)薄膜后，該光路的光程變化是：

a  (n-1)d       b  2(n-1)d

c  2nd         d  nd

答案b