现代光学基础-光学教程(东南大学)总复习..pptx
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现代光学基础-光学教程(东南大学)总复习..pptx
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现代光学基础总复习,顾兵2012年12月31日东南大学先进光子学中心http:
/,1,2,第1章光的干涉,波动的独立性、叠加性和相干性由单色波叠加所形成的干涉图样分波面双光束干涉干涉条纹的可见度分振幅薄膜干涉
(一)-等倾干涉分振幅薄膜干涉
(二)-等厚干涉迈克耳孙干涉仪法布里-珀罗干涉仪多光束干涉光的干涉应用举例牛顿环,3,知识点:
光程差、相位差条纹可见度光源线度对干涉条纹的影响杨氏双缝干涉薄膜干涉半波损失劈尖干涉、牛顿环增透膜和高反膜迈克耳孙干涉仪法布里-珀罗干涉仪典型例题:
P25例1.1;P41例1.2;P41例1.3典型习题:
作业题,4,补充例题,1.1【杨氏双缝干涉】在杨氏双缝实验中,用单色光垂直照射在两个相距为0.5mm的双缝上,在与缝相距为1.00m的屏幕上测得中央明纹两侧第五级明条纹之间的距离为11.78mm,求此单色光的波长解:
杨氏双缝干涉中产生明纹的条件:
第五级明条纹到中央明纹的距离为:
两侧第五级明条纹之间距离就应该为2x,所以单色光的波长为,1.2【杨氏双缝干涉】一宽度为a,发光波长为=0.6um的狭缝光源S1,在距其10cm处放置杨氏双缝屏(缝S2和缝S3),缝间距为d,每条缝宽很窄。
双缝S2和S3平行于光源S1,于双缝屏后Z=120cm处放置观察屏。
试解下列问题:
(A).当光源缝宽很小,双缝间距d=0.5mm时,干涉条纹间距为多大?
(B).如紧贴S2缝后放一块透明薄膜,膜厚h=1.2um,膜的折射率n=1.5,这时干涉条纹间距又为多大?
干涉条纹移动了几个条纹间距?
(C).当双缝间距d=0.5mm,使光源缝宽a逐渐变大,当a为何值时观察屏中央附近的条纹会消失?
解:
(A).干涉条纹间距(B)所以条纹移动了一个条纹间距,(C).aMAX=会消失,5,mmdmm时观察屏中央附近的条纹P29(1-29),6,1.3【等厚干涉的应用】光盘的表面非常平整,工厂要生产出合格的光盘必须对其平面度进行严格的测量。
试用所学的光学知识设计一种能够精确测量光盘平面度的方法(请画出光路原理图,并说明)。
答:
利用等厚干涉来精确测量光盘平面度具体的光路图可用尖劈结构产生的等厚条纹,也可用迈克耳逊结构产生的等厚条纹光源:
单色点光源加准直透镜产生的平行光或激光扩束产生的平行光干涉条纹的弯曲程度反映了光盘表面的平面度情况,7,1.4【法布里-珀罗干涉仪】单色面光源经透镜后入射到一个法布里-泊罗(FP)干涉仪上,FP后再放一块正透镜,其后焦面出现环状干涉条纹。
(A).干涉场中央条纹的干涉级次大还是边缘区域条纹的干涉级次大?
(B).当FP间距d逐渐变大时,干涉场中央是涌出条纹还是吞没原有条纹?
(C)若光源为一定光谱宽度的准单色光,FP的间距d为某值时看不到干涉条纹,d应是变大还是变小才有可能观察到干涉条纹?
答:
相邻光束的光程差干涉场中央条纹的干涉级次大当FP间距d逐渐变大时,干涉场中央涌出条纹,(C).d应变小才有可能观察到干涉条纹,P47,光束相干长度,P27(1-25),1.5【光程差】在杨氏双缝干涉实验中,S2上盖上一厚度为h,折射率为n的透明介质,问原来的零级明条纹移向何处?
若观察到零级明条纹移到原来第k级明条纹处,求该透明介质的厚度。
设入射光波长为。
解:
(1)在真空中S2上盖一介质零级明条纹:
光路中有介质时n1,r2r1,零级明条纹向下移动。
(2)无介质时介质时介质厚度为,8,1.6【薄膜干涉半波损失增透膜和高反膜】氦氖激光器中的谐振腔反射镜,要求对波长的单色光反射率达以上,为此在反射镜的玻璃表面上交替镀上ZnSn和低折射率的材料MgFn共十三层,求每层膜的实际厚度?
(按最小厚度要求),n,nn,nnn,解:
实际使用中,光线垂直入射;有半波损失。
ZnS的最小厚度d1,MgF的最小厚度d2,9,在开口端对应的厚度,10,1.7【劈尖干涉、半波损失】在半导体元件的生产中,为了测定硅(Si)片上的SiO2薄膜厚度,将SiO2薄膜磨成劈尖形状,如图所示用波长=546.1nm绿光照射,已知SiO2的折射率为1.46,Si的折射率为3.42若观察到劈尖上出现了7个条纹的间距,问SiO2薄膜的厚度是多少?
解:
由题意可知,n1=1.0,n2=1.46,n3=3.42,因为n1n2n3,所以光在劈尖上下表面反射时,均有半波损失明纹位置满足:
思考:
如是观察到7个明条纹,结果如何?
该处至劈棱的距离为L,则,1.8【劈尖干涉】用波长=500nm的单色光垂直照射在两块玻璃板(一端刚好接触为劈棱)构成的空气劈尖上,劈尖角210-4rad。
如果劈尖内充满折射率为n=1.40的液体,求从劈棱数起第五个明条纹在充入液体后移动的距离?
解:
设第五个明纹处膜厚为e,则
(1),
(2),由
(1)
(2),3,4,5,1,2,11,1.9【劈尖干涉】现有两块折射率不同的玻璃板,折射率为1.45的玻板平放在下面,折射率为1.62平板放在上方,且一端与其相接触,形成夹角为6的尖劈。
将波长为550nm的单色光垂直投射在劈上,并在上方观察劈的干涉条纹。
试求条纹间距,玻璃板接触处是暗纹还是亮纹;若将整个劈浸入折射率为1.52的杉木油中,则条纹的间距变成多少?
此时,玻璃板接触处是暗纹还是亮纹?
解,:
思考:
如果两玻璃板互换,结果会如何?
12,1.10【牛顿环】两平凸透镜按图示方式放置,上面一块是标准件,半径为R1500cm,另一块是待测样品。
在牛顿环实验中,入射光=632.8nm,测得第50级暗环的半径为1cm,求待测样品的曲率半径R2=?
解:
光程差,暗环条件几何关系,R1,R2,13,14,第2章光的衍射,惠更斯-菲涅耳原理菲涅尔半波带菲涅耳衍射夫琅禾费单缝衍射夫琅禾费圆孔衍射平面衍射光栅,15,知识点:
惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳半波带波带片菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射夫琅禾费单缝衍射夫琅禾费圆孔衍射衍射光栅(条纹特点、谱线半角宽度、缺级)典型例题:
P89例2.1;P102例2.3典型习题:
作业题,【单缝衍射】单缝:
缝宽a=0.5mm,缝距屏D=200cm,单色光垂直入射,测得在屏上离中央明纹中心3mm处(p点)为一亮纹,求:
1)入射光的波长?
2)p处条纹的级次及相应的衍射角?
3)狭缝处的波面可分成几个半波带?
4)中央明纹的宽度解:
单缝衍射明纹1)一级明纹衍射角半波带数4),补充例题,16,2.2【衍射光栅】波长为500nm和520nm两种单色光,同时垂直照射在每厘米有500条刻痕的平面透射光栅上,焦距为2m的透镜紧靠光栅的另一侧将透射光聚焦在屏幕上,求这两种单色光第一级谱线和第三级谱线间的距离?
解:
由光栅方程式中谱线位置,17,2)由题意:
2.3【衍射光栅】光栅:
600nm,垂直入射,第二级明条纹出现在sin=0.20处,第四级缺级,求:
1)光栅上相邻两缝间的距离?
光栅上狭缝的最小宽度?
此光栅最多能呈现的条纹数?
解:
由光栅方程,最多呈现0,1,2,3,5,6,7,9,共15条,18,2.4【光栅光谱】用白光垂直照射光栅常数为2.010-4cm的光栅,,求:
第一级光谱的张角及谱线间的最大距离?
(设透镜焦距为f)解:
由光栅方程第一级光谱的最小衍射角由紫光决定。
第一级光谱的最大衍射角由红光决定。
第一级光谱的张角,一级谱线间的最大距离,19,2.5【衍射光栅】平面透射光栅,每毫米有500缝。
观察589nm,的钠光衍射谱。
分别讨论当平行光1)垂直入射时,2)斜入射(=30)时,最多能看到第几级谱线,共看到多少条谱线?
解1):
由光栅方程,正入射时最多能看到7条谱线,级次为0,1,2,3.,20,2)平行光斜入射(=30)时,A,CBD,斜入射时光栅方程,21,最多可见-5,-4,-3,-2,-1,0,1级条纹,共7条。
斜射时可提高级次,但总条纹数不变。
22,第3章几何光学的基本原理,几个基本概念和定律费马原理光在平面界面上的反射和折射光导纤维光在球面上的反射和折射光连续在几个球面界面上的折射虚物的概念薄透镜近轴物近轴光线成像条件,23,知识点:
像似深度全反射棱镜最小偏向角测材料折射率近轴光线条件下球面反射和折射的物像公式薄透镜成像公式、横向放大率薄透镜的作图求像法近轴物近轴光线条件下球面反射(折射)的成像(物像)公式典型例题:
P120例3.1(知道结论);P129例3.3;P133例3.4;P139例3.5;P150例3.6(逐次求像法)典型习题:
作业题,补充例题3.1【全反射】如图所示的一根圆柱形光纤,纤芯折射率为n1,包层折射率n2,且n1n2,证明入射光的最大孔径角2u(保证光在纤芯和包层界面发生全反射)满足关系式:
答:
根据折射定律光线在玻璃芯和外套的界面处发生全反射的条件为所以,光线在光纤内发生全反射时,数值孔径为,24,3.2【薄透镜成像公式、横向放大率薄、透镜的作图求像法】设物体经一焦距为f的正透镜成像,所成像垂轴放大率等于-1倍,试求物平面与像平面的位置,并用作图法验证。
答,:
薄透镜的高斯公式P137(3-27),25,3.3【作图求像法】用理想光具组的任意光线做图法画出轴上P,点的像,P,26,类似于P150图3-32,3.4【作图求像法】图中L为薄透镜,水平横线MM为主轴。
ABC为已知的一条穿过这个透镜的光线路径,用作图法求出任,一条光线DE穿过透镜后的路径。
LB,M,M,A,C,D,E,M,M,L,A,B,C,D,E,M,M,L,A,B,C,D,E,M,M,L,A,B,C,D,E,27,28,第4章光学仪器的基本原理,4.1助视仪器的放大本领显微镜的放大本领望远镜的放大本领4.8物镜的聚光本领助视仪器的像分辨本领分光仪器的色分辨本领,29,知识点:
助视仪器的放大本领放大镜的放大本领显微镜的放大本领望远镜的放大本领助视仪器(人眼、望远镜、显微镜)的色分辨本领光栅光谱仪的色分辨本领典型例题:
P202例4.3;P206例4.5典型习题:
作业题,4.1【望远镜的放大本领】一反射式天文望远镜物镜的通光孔径为2.5米,试求能被分辨的双星的最小夹角,光在空气中的波长为5500,求与人眼(瞳孔直径为2毫米)相比,在分辨本领方面提高的倍数。
解,:
补充例题,30,4.2【光栅分辨本领】波长为600纳米的单色平行光垂直入射到光栅上,第2级谱线出现在衍射角的正弦值为0.2处,第四级缺级。
(1)求光栅常数d;
(2)求每一条缝的宽度b;(3)求可能在屏上出现的谱线的条数;(4)若光栅的有效宽度为6毫米,求第二级谱线的分辨本领?
解,:
31,4.3【光栅光谱仪的色分辨本领】光栅A的dA=2微米,光栅宽度WA=NAdA=4厘米,另一光栅B的dB=4微米,光栅宽度WB=10厘米,现有波长为500nm和500.01nm的平面波垂直照射这两块光栅,选定在第二级工作。
试问:
这两块光栅分别将这两条谱线分开多大的角度?
能否分辨这两条谱线?
解:
由光栅公式求第二级对应的衍射角用角色散的定义式求D再求将500.01nm和500nm双线分开的角度。
光栅A光栅B光栅的分辨本领光栅B能够分辨这2条谱线!
32,4.4【显微镜的放大本领】一显微镜的物镜和目镜相距为20cm。
物镜焦距为7mm,目镜焦距为5mm,把物镜和目镜都看成薄透镜。
观察者看到的像在无穷远处,试求:
(1)物体到物镜的距离
(2)物镜的横向放大率(3)显微镜的放大本领。
(保留小数点后两位有效数字)解:
(1)最后观察到的象在无穷远处经由物镜成象必定在目镜的焦平面上。
即:
,故S1=200-5=195mm,(2(3)显微镜放大本领为物镜的横向放大率与目镜放大本领的乘积,),33,34,第5章光的偏振,自然光与偏振光线偏振光与部分偏振光光通过单轴晶体时的双折射现象光在晶体中的波面光在晶体中的传播方向偏振器件椭圆偏振光和圆偏振光偏振
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