1、1 1 光源的發光特性光源的發光特性一一. . 光源光源light sourcelight source 光源的最根本發光單元是分子、原子光源的最根本發光單元是分子、原子 = (E2-E1)/hE1E2能級躍遷輻射能級躍遷輻射波列波列波列長波列長L = c光源光源冷光源：利用化學能、電能、光能發光。冷光源：利用化學能、電能、光能發光。熱光源：利用熱能發光；熱光源：利用熱能發光；1. 1. 普通光源：自發輻射普通光源：自發輻射獨立獨立(不同原子發的光不同原子發的光)獨立獨立(同一原子先后發的光同一原子先后發的光)2. 2. 激光光源：受激輻射激光光源：受激輻射 = (E2-E1)/hE1E2 完

2、全一樣完全一樣(頻率頻率,位相位相,振動方向振動方向,傳播方向傳播方向)獨立指：獨立指：前后發光間隔前后發光間隔 頻率對非單色光源頻率對非單色光源 相位關系相位關系 振動方向振動方向 傳播方向傳播方向 當復色光經過三棱鏡時，由于不同頻率的光當復色光經過三棱鏡時，由于不同頻率的光在玻璃中的傳播速度各不一樣，折射率也不同，在玻璃中的傳播速度各不一樣，折射率也不同，因此復色光中不同頻率的光將按不同的折射角因此復色光中不同頻率的光將按不同的折射角分開，構成光譜。這種景象稱為色散。分開，構成光譜。這種景象稱為色散。單色光的獲得：單色光的獲得：復色光狹縫分析復色光狹縫分析復色光濾光復色光濾光鈉光光源鈉光光

3、源二二. . 光的單色性光的單色性 具有單一頻率的光稱為單色光。具有單一頻率的光稱為單色光。 由各種不同頻率復合的光稱為復色光。由各種不同頻率復合的光稱為復色光。三三. . 光的相關性光的相關性 1. 兩列光波的疊加p12r1r2(1)頻率一樣頻率一樣(2)有恒定的相位差有恒定的相位差(3)振動方向一樣振動方向一樣相關條件相關條件(1)加強條件加強條件 p點兩振動同相時加強點兩振動同相時加強-相長干涉相長干涉 = 2m (m = 0，1，2，) (2)減弱條件減弱條件 p點兩振動反相時減弱點兩振動反相時減弱-相消干涉相消干涉 = (2m +1) (m = 0，1，2，) 2.2.普通光源獲得相

4、關光的途徑普通光源獲得相關光的途徑pS *分波面法分波面法分振幅法分振幅法p薄膜薄膜S S * * r 2楊氏雙縫實驗楊氏雙縫實驗菲涅耳雙鏡實驗菲涅耳雙鏡實驗洛埃鏡實驗洛埃鏡實驗薄膜的干涉薄膜的干涉劈尖的干涉劈尖的干涉牛頓環牛頓環2 2 雙縫干涉雙縫干涉 一一. .楊氏雙縫干涉楊氏雙縫干涉pr1 r2xx0 xI xxDdo紫紫黃黃紅紅白白d ，D d (d 10 -4m, D m)Dxdrr 12 2221)2(dxDr 2222)2(dxDr xdrrrrrr2)(12122122 Pr1 r2xxDdoDrrdD2,12 波程差：波程差：1. 1. 波程差波程差相位差：相位差： 2 2.

5、 2. 明紋明紋2 , 1 , 0 , kk 3. 3. 暗紋暗紋 2 , 1 , 0,2) 1 2( kk Dxdrr 12 波程差：波程差：4. 4. 條紋間距條紋間距 dDx 2 , 1 , 0 , kdDkxk k2 0,1,2k, 2) 1 2( )12( dDkxk ) 12( k(1) (1) 一系列平行的明暗相間的條紋；一系列平行的明暗相間的條紋； (3) (3) 中間級次低；中間級次低；明紋明紋: : k k ，k =0,1,2,3(k =0,1,2,3(整數級整數級) )暗紋暗紋: : (2k+1)/2, k =0,1,2,3(2k+1)/2, k =0,1,2,3(整數級

6、整數級) ) (4)(4) x5. 5. 條紋特點：條紋特點：(2) x(2) x不太大時條紋等間距；不太大時條紋等間距；某條紋級次某條紋級次 = = 該條紋相應的該條紋相應的 (r2-r1)/ (r2-r1)/ 例例1：在楊氏雙縫干涉實驗中，設兩縫間間隔：在楊氏雙縫干涉實驗中，設兩縫間間隔d=0.02cm,屏與縫之間間隔屏與縫之間間隔D=100cm，試求：，試求：1以波長為以波長為589010-10 m的單色光照射，第的單色光照射，第10級明級明條紋分開中央明條紋的間隔；條紋分開中央明條紋的間隔；2第第10級干涉明條紋的寬度；級干涉明條紋的寬度；3以白色光照射時，屏幕上出現彩色干涉條紋，求以

7、白色光照射時，屏幕上出現彩色干涉條紋，求第第2級光譜的寬度。級光譜的寬度。Pr1 r2xxDdo解：如圖，兩相關光的光程差：解：如圖，兩相關光的光程差：Dxd kDxd 那么任一級明條紋分開中央明紋的間隔那么任一級明條紋分開中央明紋的間隔 dDkx mdDkx21022101010945. 21058901002. 01010010 1明條紋的光程差滿足：明條紋的光程差滿足：取取k=10，Pr1 r2xxDdo2第第10級明條紋的寬度，那么為第級明條紋的寬度，那么為第9級和第級和第10級暗條級暗條紋之間的間隔，由暗條紋公式可知：紋之間的間隔，由暗條紋公式可知：2)12( kDxd2)12( d

8、Dkx 暗暗mdDdDkdDkxxx31029109101010945. 21058901002. 012)12(2)12( 暗暗暗暗任一級暗條紋分開中央明條紋的間隔：任一級暗條紋分開中央明條紋的間隔：3由于白色光是由許多波長不同的單色光組成的復由于白色光是由許多波長不同的單色光組成的復色光，各單色光干涉條紋分開中央明條紋的間隔各不一色光，各單色光干涉條紋分開中央明條紋的間隔各不一樣，樣，x與波長成正比，那么與波長成正比，那么紫紫紫紫 dDkx2 紅紅紅紅 dDkx2 紅紅紫紫xx 所以在同一級干涉光譜中，紫色光比紅色光接近中央所以在同一級干涉光譜中，紫色光比紅色光接近中央明條紋，分開中央明條

9、紋的陳列次序為紫、藍、青、明條紋，分開中央明條紋的陳列次序為紫、藍、青、綠、黃、橙、紅。第綠、黃、橙、紅。第2級譜線寬度取級譜線寬度取k=2，有：，有： ， mdDkxxx31022106 . 310400076001002. 012 ）（）（紫紫紅紅紫紫紅紅 第第2級譜線寬度級譜線寬度7. 7. 洛埃鏡實驗洛埃鏡實驗6. 6. 菲涅耳雙鏡實驗菲涅耳雙鏡實驗ES1M2MESPPM3 3 光程和光程差光程和光程差一一. . 光程、光程差光程、光程差dab 2dab abndnn媒質媒質 2nabd n n媒質中波長媒質中波長nncncun / 2nd 光程光程 : L = nd: L = nd

10、真空中波長真空中波長媒質中媒質中真空中真空中n1n2nmd1d2dm 光程差光程差 ： = L2 - L1 = L2 - L1 2 例例2 2：求：求P P點處兩列光點處兩列光波的相位差。波的相位差。S1S2r1r2dnp解解: : 122LL 122rnddr dnrr1212 相位差和光程差的關系：相位差和光程差的關系：光程光程 L = L = ( ni ( ni di )di )Pr1 r2xxDdo例例3：例：例1中，中，(1) 假設把此雙縫實假設把此雙縫實驗安裝放到水中進展，那么屏幕驗安裝放到水中進展，那么屏幕上干涉條紋如何變化？上干涉條紋如何變化？解：在水中光陰程差為：解：在水中光

11、陰程差為： 3 , 2 , 1 , 0,2) 12(3 , 2 , 1 , 0)(12kkkkDxndrrn暗暗，明明， 所以明條紋位置和寬度分別為：所以明條紋位置和寬度分別為： ndDkx ndDx 1 nx，所以，所以x， 變小，干涉條紋將變密。變小，干涉條紋將變密。 解解:設空氣折射率為設空氣折射率為n1,由由r1，r2發出的光到達發出的光到達P點光陰程差為：點光陰程差為：光程差的改動量：光程差的改動量： )(2111rrn 21112)(rnnllrn lnn)(112 每挪動一個條紋，光程差改動一個波長，有：每挪動一個條紋，光程差改動一個波長，有： 20)(1 Nlnn000859.

12、 1 nPr1 r2xxDdo未放云母片：未放云母片：放入云母片：放入云母片：(2) 在在r1光路中放上厚為光路中放上厚為l=0.2cm，折射率為，折射率為n的很薄的的很薄的透明云母片，察看到屏幕上條紋移過透明云母片，察看到屏幕上條紋移過20條，那么云母條，那么云母片折射率為多少？片折射率為多少？000276. 11n(空氣折射率空氣折射率 )二二. .運用透鏡不會產生附加光程差運用透鏡不會產生附加光程差SacbS 物點到象點各光線之間的光程差為零物點到象點各光線之間的光程差為零4 4 劈尖的干涉劈尖的干涉 牛頓環牛頓環一一. . 劈尖劈形膜劈尖劈形膜夾角很小的兩個平面所構成的薄膜夾角很小的兩

13、個平面所構成的薄膜rad 101054 ： e nnn A反射光反射光2反射光反射光1單色平行光單色平行光(設設n n )S12 e nnnA反射光反射光2反射光反射光1入射光入射光(單色平單色平行光垂直入射行光垂直入射)(設設n n )A: 1A: 1、2 2的光程差的光程差)(22ene 光程差可簡化為圖示情況計算。光程差可簡化為圖示情況計算。實踐運用中實踐運用中,大都是平行光垂直入射到劈尖上。大都是平行光垂直入射到劈尖上。思索到劈尖夾角極小思索到劈尖夾角極小, 反射光反射光1、 2在膜面的在膜面的 光從光疏媒質射到光密媒質界面反射時，反光從光疏媒質射到光密媒質界面反射時，反射光有量值為射

14、光有量值為的相位突變，即在反射過程中的相位突變，即在反射過程中損失了半個波長。這種景象稱半波損失。損失了半個波長。這種景象稱半波損失。 L eekek+1明紋明紋暗紋暗紋條紋間距條紋間距 eeL sin明紋：明紋：1,2,= ,412,)(knkeke 暗紋：暗紋：0,1,2= ,2,2) 1 2()(knkeke 同一厚度同一厚度e e對應同一級條紋對應同一級條紋 等厚條紋等厚條紋)(22ene 光程差光程差 L eekek+1明紋明紋暗紋暗紋兩式相減兩式相減 nnL2sin2 求：求： knek 22 ) 1(221 knekneekk21 sineL nL2 ?e二二. . 牛頓環牛頓環

15、 .S分束鏡分束鏡M顯微鏡顯微鏡o erR平晶平晶平凸透鏡平凸透鏡 暗環暗環 o 牛頓環安裝簡圖平凸透鏡平凸透鏡平晶平晶光程差：光程差：22 e222)(eRRr Rre22 (1)(1) ke 22(k=1,2,)(2)明環：明環：eeRe 222R 2)12(22 ke(k=0,1,2,)暗環：暗環：第第k個明環半徑個明環半徑 Rkrk212 第第k k個暗環半徑個暗環半徑 kRrk (k=1,2,)(k=0,1,2,)明環：明環：Rre22 ke 222)12(22 ke暗環：暗環： erR平晶平晶平凸透鏡平凸透鏡 暗環暗環 o三三. . 等厚條紋的運用等厚條紋的運用1. 1. 劈尖的運

16、用劈尖的運用 nL2 測波長：知測波長：知、n n，測，測L L可得可得 測折射率：知測折射率：知、，測，測L L可得可得n n 測細小直徑、厚度、微小變化測細小直徑、厚度、微小變化h待測塊規待測塊規規范塊規規范塊規平晶平晶 測外表不平度測外表不平度等厚條紋等厚條紋待測工件待測工件平晶平晶2. 2. 牛頓環的運用牛頓環的運用 mRrrkmk 22測透鏡球面的半徑測透鏡球面的半徑R R： 知知 , , 測測 m m、rk+mrk+m、rkrk，可得，可得R R 。測波長測波長： 知知R R，測出，測出m m 、rk+mrk+m、rkrk， 可得可得。 檢驗透鏡球外表質量檢驗透鏡球外表質量規范驗規

17、規范驗規待測透鏡待測透鏡暗紋暗紋 kRrk Rmkrmk)(2 kRrk 2 暗環半徑暗環半徑( (明環亦有此式明環亦有此式5 5 薄膜的干涉薄膜的干涉 ennn ni rA21一、光束一、光束1 1、2 2的光程差：的光程差：2 )( ADnBCABnreBCABcos iACADsin iresintg2 2cossinsin 2cos2 rirenrneBS D CPrninsinsin 得得2cos2 rne二、明紋二、明紋, 3 , 2 , 1 ,2sin2)(222 kkinnei 三、暗紋三、暗紋 , 2 , 1 , 0,2122sin2222 kkinnei 2cos2 rne

18、2sin2222 inne傾角傾角i i 一樣的光線對應同一條干涉條紋一樣的光線對應同一條干涉條紋 等傾條紋。等傾條紋。L fPo r環環 ennn niSiii 四、等傾條紋四、等傾條紋1 1 外形外形: :一系列同心圓環一系列同心圓環3 3 條紋級次分布條紋級次分布: e: e一定，一定， krik 5 5 波長對條紋的影響波長對條紋的影響: : kriek , ,一定一定 kriek,一一定定4 4 膜厚變化時膜厚變化時, ,條紋的挪動：條紋的挪動：2sin2222 inne2 2 條紋間隔分布條紋間隔分布: : 內疏外密內疏外密例例4：用入射光：用入射光 =500nm的光照射在厚度均勻

19、的透明塑的光照射在厚度均勻的透明塑料薄膜上，假設在反射角為料薄膜上，假設在反射角為60的位置上看到明條紋，的位置上看到明條紋，此明條紋為第此明條紋為第10級明紋。知薄膜的折射率級明紋。知薄膜的折射率n=1.33。1試問這是等厚干涉還是等傾干涉，有哪兩條光線試問這是等厚干涉還是等傾干涉，有哪兩條光線產生干涉？產生干涉？2求此薄膜的厚度求此薄膜的厚度e。3此厚度能看到的最高級次？此厚度能看到的最高級次？解：解：1由于厚度均勻，而對應不同入射角由于厚度均勻，而對應不同入射角i，得到不，得到不同干涉條紋，同一傾角有同一條干涉條紋，所以是等同干涉條紋，同一傾角有同一條干涉條紋，所以是等傾干涉。當光線照射

20、到薄膜上時，在膜的上外表有反傾干涉。當光線照射到薄膜上時，在膜的上外表有反射光線，在膜的下外表有反射光線，此兩條光線射光線，在膜的下外表有反射光線，此兩條光線為相關光而產生干涉，構成等傾干涉條紋，即為明暗為相關光而產生干涉，構成等傾干涉條紋，即為明暗相間的同心圓。相間的同心圓。 由于其中光線在反射時有半波損失，而光線無半由于其中光線在反射時有半波損失，而光線無半波損失，所以有附加光程差；波損失，所以有附加光程差；n2為膜的折射率，為膜的折射率，n1為為空氣的折射率取為空氣的折射率取為1。 2sin222122 inne2此兩束光線的光程差：此兩束光線的光程差：對明條紋：對明條紋： kne 26

21、0sin2222當當i=60時，看到第時，看到第10級明條紋取級明條紋取k=10， 10260sin)33. 1(222 e)(1035. 260sin33. 1225005001060sin33. 1221062222me 3看到明條紋的最高級次看到明條紋的最高級次 maxkk max221222sin2kinne 由上式可知在等傾干涉中由上式可知在等傾干涉中i減少減少k 增大增大 ，當，當i=0時，時，k為最大值為最大值 。 max222ken 132110500033. 11035. 222121062max enk即能看到最高級次為第即能看到最高級次為第13級明紋。級明紋。例例5：在某

22、些光學玻璃上，鍍上一層薄膜后可以加強反：在某些光學玻璃上，鍍上一層薄膜后可以加強反射，稱為增反膜。在折射率為射，稱為增反膜。在折射率為1.50的玻璃上，鍍上一層的玻璃上，鍍上一層折射率為折射率為2.50的透明介質膜。在鍍膜的過程中用波長的透明介質膜。在鍍膜的過程中用波長=600nm 的單色光，從上方垂直照射到介質膜上。當的單色光，從上方垂直照射到介質膜上。當介質膜的厚度逐漸添加時，透射光的強度發生時強時弱介質膜的厚度逐漸添加時，透射光的強度發生時強時弱的變化。試問，當察看到透射光強度第三次出現最弱時，的變化。試問，當察看到透射光強度第三次出現最弱時，介質膜已鍍了多厚？介質膜已鍍了多厚？ 解：在薄膜上、下外表的解：在薄膜上、下外表的 兩束反射光束兩束反射光束 、 222 en所示的光程差：所示的光程差：由于透射光第三次出現最弱，相應于反射光第三次出