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光学

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光学

电磁波理论

惠更斯原理

波面上的各点都可以看成产生子波 (球面波) 的波源, 这些子波的包络面可以看成新的波面

波的折射

  • 波在入射两种介质的界面时, 将会产生折射
  • 这是由于波在两种介质的速率不同导致的
  • 如图, 平面波在界面上产生的子波在新介质中传播速率减慢, 导致最先产生的子波波面与最后到达的子波源切线改变, 导致波面的法向改变
  • 对于入射角 ii, 折射角 γ\gamma, 有折射定律

nisini=nγsinγ n_i\sin i=n_\gamma\sin\gamma

光波性质

  1. 光是电磁波, 其在真空中的传播速度最快, 且为常量 cc, 因此有

c=λν c=\lambda\nu

  1. 将光速与光波在透明介质传播速率的比值定义为折射率

n=cv>1 n=\frac{c}{v}>1

  1. 光波中 E\vec{E}H\vec{H} 垂直, 使用 E\vec{E} 表征光波, 将 E\vec{E} 的振动称为光振动
  2. 沿 xx 方向的平面光波可表示为

E(x,t)=E0cos(ωt2πλx+φ0) \vec{E}(x,t)=\vec{E_0}cos(\omega t-\frac{2\pi}{\lambda}x+\varphi_0)

  1. 人眼直接观察到的为光强, 即光波的平均能流密度满足 IE02I\propto E_0^2
  2. 由于原子辐射具有随机性与间歇性, 因此一般光源的 ω,φ0\omega,\varphi_0 仅持续极短的 Δt109s\Delta t\approx 10^{-9}s, 并且随时间在一个区间内快速变化
  3. 根据傅里叶分析可得

ΔνΔt=1 \Delta\nu\cdot\Delta t=1

光源的持续时间越短, 频率的变化范围越大

  1. 定义波列 L=cΔtL=c\Delta t, 表现出光源发出的一列稳定光波的长度

光波叠加

同频率光波叠加类似同频率简谐波的叠加, 满足旋转矢量的平行四边形叠加的余弦定律

E122=E102+E202+2E10E20cosΔφ E_{12}^2=E_{10}^2+E_{20}^2+2E_{10}E_{20}\cos\Delta\varphi

其中

Δφ=2πλx1+φ10+2πλx2φ20 \Delta\varphi=-\frac{2\pi}{\lambda}x_{1}+\varphi_{10}+\frac{2\pi}{\lambda}x_{2}-\varphi_{20}

为两列波的相位差(包括路程与初相位)

在人眼观测中, 光波叠加为一段时间内的平均光强, 积分计算可得

IE2=I1+I2+2I1I2cosΔφ I\propto \overline{E^2}=I_1+I_2+2\sqrt{I_1I_2}\cdot\overline{\cos\Delta\varphi}

非相干叠加

对于两个普通光源, 其 φ0\varphi_0 无关系, 并且不断变化, 因此认为 cosΔφ=0\overline{\cos\Delta\varphi}=0, 两个普通光源的光波叠加后 I=I1+I2I=I_1+I_2

相干叠加

当叠加光波相干(如来自同一个光源), 此时两列波 φ0\varphi_0 相同, 波程差来自光程 xx, 因此对于一个点, cosΔφ=C\overline{\cos\Delta\varphi}=C, 并在平面上显现出明暗相间的干涉条纹

可得明暗条纹的条件为

Δφ={±2kπ,明条纹±(2k+1)π,暗条纹(k=±0,1,2,) \Delta\varphi=\begin{cases}\pm 2k\pi,&\text{明条纹}\\\pm (2k+1)\pi,&\text{暗条纹}\end{cases}(k=\pm 0,1,2,\dots)

相干条件

  1. 各光波频率相同
  2. 各光波有平行分量(能够投影到一个平面上)
    • 由于光为横波, 两列光波的光矢量在空间中不一定平行, 需要将其中一个光矢量投影到另一个上计算
    • 垂直分量的光矢量构成背景光
    • 当光矢量垂直, 则不构成相干光
  3. 光振动的相位差保持稳定(从同一光源分光或使用激光源)

光程

  1. 无论在何种介质中, 光波的频率 ν\nu 始终不变, 但波长 λ\lambda 与波速 vv 改变, 因此, 介质中的波长为

λn=λn \lambda_n=\frac{\lambda}{n}

  1. 因此当一列光波经过了不同介质后, 与光源的相位差为

Δφ=(2πλ1r1+2πλ2r2)=2πλ(n1r1+n2r2) \Delta\varphi=-(\frac{2\pi}{\lambda_1}r_1+\frac{2\pi}{\lambda_2}r_2)=-\frac{2\pi}{\lambda}(n_1r_1+n_2r_2)

  1. 定义光程 dd

dk=niri d_k=\sum n_ir_i

  1. 因此初相位相同的相干光源的相位差为

Δφ=2πλ(d2d1)=2πλδ \Delta\varphi=\frac{2\pi}{\lambda}(d_2-d_1)=\frac{2\pi}{\lambda}\delta

带入 2πλδ=Δφ\frac{2\pi}{\lambda}\delta=\Delta\varphi

δ={λk,明条纹λ(k+12),暗条纹(k=±0,1,2,) \delta=\begin{cases}\lambda k,& \text{明条纹}\\\lambda(k+\frac{1}{2}),& \text{暗条纹}\end{cases}(k=\pm 0,1,2,\dots)

物象间等光程性

  1. 光学仪器 (透镜, 球镜) 的物点 (光源) 和像点 (焦点) 之间的各个光线光程相同
  2. 对于平行光源, 在垂直于光线的平面内相位相同, 来自无穷远处的光源
  3. 认为平行光聚焦于无穷远处, 来自无穷远处的光源

半波损失

  1. 光从波疏介质到波密介质时
  2. 当入射角 i90i\approx 90^{\circ}i0i\approx 0^{\circ}
  3. 反射光与入射光的相位将相差 π2\frac{\pi}{2}

光介质

  1. 将折射率 nn 大的物质称为波疏介质 (如平面镜, 玻璃)
  2. 将折射率 nn 小的物质称为波密介质 (如真空, 空气)
  3. 当出现平面镜时, 很有可能发生半波损失

分波阵面干涉

杨氏干涉

子光源 S1,S2S_1,S_2 来自同一个光源(波阵面), 因此为相干光, 当SS1=SS2SS_1=SS_2 时, 两个子光源在 PP 点的光程差为

δ=r2r1S2Ndsinθdtanθ=dxD \delta=r_2-r_1\approx S_2N\approx d\sin\theta\approx d\tan\theta=d\frac{x}{D}

其中 Dd,x;θ0D\gg d,x;\theta\approx 0

xx 体现了屏幕上 pp 点的明暗情况, 因此有

x={λDdk,明条纹λDd(k+12),暗条纹(k=0,±1,2,) x=\begin{cases}\lambda\frac{D}{d}k,& \text{明条纹}\\\lambda\frac{D}{d}(k+\frac{1}{2}),& \text{暗条纹}\end{cases}(k= 0,\pm 1,2,\dots)

kk 为条纹级数, k=0k=0 为零级明条纹

其中屏幕上两明条纹 / 暗条纹间距相同

Δx=λDd \Delta x=\lambda\frac{D}{d}

因此条纹间距与光路中是否有介质无关
但光路中的介质将改变 δ\delta, 导致条纹移动

光强分析

(推导见双缝衍射)

  • 根据相干叠加, 条纹光强满足

IP=4I1cos2(Δφ2) I_P=4I_1\cos^2(\frac{\Delta\varphi}{2})

  • 其中光程差

2β=Δφ=2πλdsinθ 2\beta=\Delta\varphi=\frac{2\pi}{\lambda}d\sin\theta

劳埃德镜

  1. 可将 S1S_1 在平面镜中的的虚像视为相干光源光源 S2S_2, 即杨氏干涉中的第二条狭缝
  2. 由于光线从空气入射平面镜将产生半波损失, 因此干涉条纹的明暗与杨氏干涉相反
  3. 由于光源为虚光源, 因此条纹只有上半部分, 级数 k0k\ge 0

时间相干性

杨氏干涉中, 当两列光的光程差 δ>L=cΔt\delta >L=c\Delta t 时, 即两列光虽然分自同一个光源, 但两列光相差时间过长, 光源的 ω\omegaφ0\varphi_0 以发生变化, 不再相干, 称为时间相干性

普通光源中, 由于波列长度(相干长度) LL 极小, 因此产生相干的 δ\delta 较小, 相干性较差

空间相干性

杨氏干涉中, 缝光源 SS 也具有宽度 bb, 在缝宽边缘也可视为另一个光源 SS', 也会通过双缝产生干涉条纹

由于 SS' 到双缝距离 RiR_i 不同, 会产生附加光程差

δb=R2R1bd2R \delta_b=R_2-R_1\approx\frac{bd}{2R}

其中 RR 为单缝与双缝的垂直距离

如果 δb=λ2\delta_b=\frac{\lambda}{2}, 缝边缘产生的干涉条纹与中心产生的条纹恰好相反, 将导致干涉条纹消失, 因此定义

b0d2R=λ2 \frac{b_0d}{2R}=\frac{\lambda}{2}

仅当光源的 b<b0b<b_0 才能产生可观察到的干涉条纹, 可以此筛选特定的 λ\lambdabb

分振幅干涉

  • 即利用光的反射与折射获取相干光源的干涉
  • 由于利用了反射与折射, 需要注意半波损失

等倾干涉

  1. 将分解光源的两层薄膜平行的干涉称为等倾干涉
  2. 由于两列相干光平行, 因此认为相遇于无穷远处, 或需要透镜聚焦
  3. 注意薄膜介质与薄膜两侧介质的折射率 nn, 可能会在 A,BA,B 处产生半波损失

等倾干涉分析

根据折射定律

n1sini=nsinγ n_1\sin i=n\sin\gamma

在不考虑半波损失的条件下 (n1<n<n2n_1<n<n_2, 两光路均有半波损失), 如图可得 (完整公式不要求)

δ=n(AB+BC)n1AN=2ndcosγ=2dn2n12sin2i \delta=n(AB+BC)-n_1AN=2nd\cos\gamma=2d\sqrt{n^2-n_1^2\sin^2i}

kk 级亮条纹满足

δ=2dn2n12sin2i=kλ(k=1,2,) \delta=2d\sqrt{n^2-n_1^2\sin^2i}=k\lambda(k=1,2,\dots)

对于点光源 SS, 可得到以下规律

  1. 干涉条纹仅与入射角 ii 有关, 因此称为等倾干涉, SS 为点光源时, 入射角为 ii 的点可构成一个圆, 从而产生明暗相间的圆形干涉条纹
  2. 越靠近中心, ii 越小, 条纹级数越高 (sini\sin i 项为负), 相应的, 边缘级数小
  3. 增大 dd 时, δ\delta 增大, 中心圆环的级数增大, 表现为圆环从中心涌出
  4. 根据 δ=2ndcosγ=kλ\delta=2nd\cos\gamma=k\lambda, 边缘条纹的级数 kk 较小, 对应的 γ\gamma 较大, 根据 y=cosθy=\cos\theta 的图像可得, 边缘条纹的级数变化快, 间距窄, 中心条纹间距宽, 条纹稀疏

对于平行光源 SS

  1. SS 为平行光源时, 各个入射点 ii 相同, 只能得到一个条纹/点
  2. 对于垂直入射的自然光, δ=2dn\delta=2dn, 表现为部分 λ\lambda 干涉极大, 部分干涉极小 (肥皂泡原理)

对于不同的介质与观察方向

  1. 当仅有一个界面发生半波损失时, 需要在光程中考虑附加光程差 δ=π2\delta'=\frac{\pi}{2}, 如 n1,n2>nn_1,n_2>n, 此时将得到相反的图样
  2. 从反方向观察, BB 处折射光与 CC 处反射再折射光也将产生等倾干涉, 并且条纹与正面观察的相反 (由于半波损失情况与正面相反导致, 符合能量守恒)

等厚干涉

  1. 将分解光源的两层薄膜成一定角度的干涉称为等厚干涉
  2. 实际问题中, 只讨论 i=0i=0 即垂直入射的情况
  3. 由于厚度相同的位置干涉情况相同, 因此称为等厚干涉
  4. 等厚干涉中, 相干光的光程差为 δ=2nd\delta=2nd (经历了折射与反射, 需要记两倍的厚度 dd)

劈尖干涉

θ0\theta\approx 0, 沿斜边距离棱角 ll的光程差为

δ=2nltanθ2nlθ=kλ(亮条纹) \delta=2nl\tan\theta\approx 2nl\theta=k\lambda(\text{亮条纹})

干涉中相邻的条纹距离为

Δl=λ2nθ \Delta l=\frac{\lambda}{2n\theta}

一般劈尖中心为空气, n=1n=1

根据等候干涉的特点, 一条连续条纹对应的厚度相同, 因此可以此判断薄膜表面的凹陷

当上下表面为玻璃, 中间为空气时, 存在半波损失, 需要注意半波损失

增透膜

确定薄膜厚度, 使反射光为干涉极小, 增大透射光光强

牛顿环

  • 环的半径与厚度关系

r2=2Rdd22Rd r^2=2Rd-d^2\approx 2Rd

  • 由于牛顿环中透镜与平板为玻璃, 因此存在半波损失
  • 因此可得暗环半径满足 (空气 n=1n=1) $$r=\sqrt{kR\lambda}(k=0,1,2,\dots)$$
  • 与等倾干涉不同, 越接近外层, 条纹级数越大
  • 与等倾干涉类似, 越接近外层, 条纹越密
  • 由于 k=0,r=0k=0,r=0, 因此中心条纹为暗纹 (仅当中心紧贴着下表面时成立)

迈克尔逊干涉仪

  1. 引入补偿板 P2P_2, 使两束光均经过两次透光板, 保证两束光除空气外光程相同
  2. 干涉仪将光源分为折射 11 与反射 22 两束, 一束来自可动镜 M2M_2, 另一束来自固定镜 M1M_1, 其虚像 M1M_1'M2M_2 平行
  3. 假设 M1M_1'M2M_2 距离相同, 由于光束在反射镜来回一次, 因此两束光的光程差为 δ=2dn\delta=2dn, 通过移动 M2M_2, 改变光程差与成像
    • 可通过此方法, 已知 λ\lambda, 计算 Δd\Delta d
    • 已知 Δd\Delta d, 计算 λ\lambda
  4. 当光源为点光源 (散射面光源), 得到等倾干涉的圆形图样
  5. M1M2M_1'\nparallel M_2, 光源为平行光, 得到等厚干涉图样

夫琅禾费衍射

  • 根据惠更斯原理, 光波在狭缝处可分解为无数个子光源, 光屏上的点 PP 为子光源共同聚焦的结果
  • 当入射狭缝的光源为平行光时, 称为单缝夫琅禾费衍射
  • 无论单缝位置在哪, 衍射图像主要与透镜的位置有关, 其中 θ\theta 为光屏上 PP 点与透镜中心及中心线所成的角

叠加法推导单缝夫琅禾费衍射

  • 将子光源在 pp 点的光振动以相量形式表示为 dB=dEdφ0d\vec{B}=dE\angle d\varphi_0
  • 由相邻光振动的光程差 dδdxsinθd\delta\approx dx\sin\theta 可得

dφ0=2πdδλ=2πdxsinθλ d\varphi_0=\frac{2\pi d\delta}{\lambda}=\frac{2\pi dx\sin\theta}{\lambda}

  • 将子光源的振动相量积分有

E0=dEφ=dφ0=2πasinθλ E_0=\int dE\\\varphi'=\int d\varphi_0=\frac{2\pi a\sin\theta}{\lambda}

  • 因此振动相量叠加后为一圆弧, 弧长为 E0E_0, 圆心角为 φ0\varphi_0', 在 pp 点的振动相量 B\vec{B} 为弧的弦, 定义 α=φ/2=πasinθλ\alpha=\varphi'/2=\frac{\pi a\sin\theta}{\lambda} , 因此叠加振幅

E=2E0φsinφ2=E0sinαα E=2\frac{E_0}{\varphi'}\cdot\sin\frac{\varphi'}{2}=\frac{E_0\sin\alpha}{\alpha}

  • 根据惠更斯原理, E0aE_0\propto a, 因此最大光强与缝宽成正比

夫琅禾费衍射光强分析

实际分析中通常分析光强分布

IE2=I0(sinαα)2 I\propto E^2=I_0(\frac{\sin\alpha}{\alpha})^2

其中, I0a2I_0\propto a^2, 最大光强与缝宽的平方成正比

  • 定义 α=0\alpha=0 为中央主极大, 亮度最高
  • 定义 kk 级次极大位置为(注意 kk 不可取 00)

α=(k+12)π  (k=±1,2,3,) \alpha=(k+\frac{1}{2})\pi\;(k=\pm 1,2,3,\dots)

  • 定义暗纹位置

α=kπ  (k=±0,1,2,) \alpha=k\pi\;(k=\pm 0,1,2,\dots)

  • 由于 θ0\theta\approx 0, 因此 α=πasinθλπaθλ\alpha=\frac{\pi a\sin\theta}{\lambda}\approx \frac{\pi a\theta}{\lambda} 定义中央主极大到一侧的暗纹宽度为中央主极大的半角宽

Δθ=λα \Delta\theta=\frac{\lambda}{\alpha}

  • 当透镜到屏幕距离为 ff 时, 屏幕上中央主极大的线宽为

Δx=2ftanΔθ2fλα \Delta x=2f\tan\Delta\theta\approx 2f\frac{\lambda}{\alpha}

  • 综上可得, 单缝缝宽 aa 越小, 主极大亮度 I0I_0 越低, 但宽度 Δx\Delta x 越大

半波带法

  • 将缝宽向光线方向的投影以宽度 λ/2\lambda/2 等分, 反过来将入射光源分为 nn 部分
  • 各部分子光源间的光程差为 λ/2\lambda/2, 因此每两部分的光线相干抵消, 最终叠加得到暗条纹
  • 因此假设 asinθ=λαπ=nλ/2a\sin\theta=\frac{\lambda\alpha}{\pi}=n\lambda/2
    1. n=0n=0, 所有子光源的光程差为 00, 为主极大
    2. nn 为偶数, 子光源相互抵消, 为暗纹
    3. nn 为奇数, 至少有一部分子光源没有被抵消, 为次极大

双缝衍射与干涉

  • 由于单缝衍射的图样与单缝位置无关, 因此两缝产生的条纹完全重合, 但光程差不同
  • 两图样的叠加可通过双缝干涉的方法计算
  • 设双缝中心距 dd, 双缝缝宽 aa

双缝衍射的光强分布推导

  • 由于两束光来自同一光源, 因此最大光强

4I1=4I2=I0E102=E202 4I_1=4I_2=I_0\propto E_{10}^2=E_{20}^2

  • 根据相干叠加理论, 可得

IP=I1+I2+2I1I2cosΔφ=2I1(1+cosΔφ)=4I1cos2(Δφ2) I_P=I_1+I_2+2\sqrt{I_1I_2}\cos\Delta\varphi\\=2I_1(1+\cos\Delta\varphi)=4I_1\cos^2(\frac{\Delta\varphi}{2})

  • 其中光程差通过做垂线的方法可得 (不带入双缝干涉的近似式)

2β=Δφ=2πλdsinθ 2\beta=\Delta\varphi=\frac{2\pi}{\lambda}d\sin\theta

  • 再考虑衍射的作用, 有 I0=I0(sinαα)2I_0'=I_0(\frac{\sin\alpha}{\alpha})^2
  • 得到双缝衍射的光强公式

I=I0(sinαα)2cos2β I=I_0(\frac{\sin\alpha}{\alpha})^2\cos^2\beta

其中

α=aπsinθλ \alpha=a\frac{\pi \sin\theta}{\lambda}

β=dπsinθλ \beta=d\frac{\pi\sin\theta}{\lambda}

双缝衍射的图样特点

  1. θ=0\theta=0, I=I0I=I_0 光强最大
  2. 衍射中央明文角宽度 Δθ=2λa\Delta\theta=\frac{2\lambda}{a}, 干涉中央明文角宽度 Δθ=λd\Delta\theta'=\frac{\lambda}{d}
  3. 由于 d>ad>a, 因此 Δθ>Δθ\Delta\theta>\Delta\theta', 条纹的明暗由干涉决定, 与干涉明暗纹的条件相同
  4. 当衍射极小时, asinθ=kλa\sin\theta=k'\lambda; 当干涉极大时, dsinθ=kλd\sin\theta=k\lambda, 当两者相等时有 k=kdak=k'\frac{d}{a}, 其中 kk 为明条纹的级数, kk' 为衍射因子第 kk 级极小, 当 kk 满足此条件时, 称 kk 为缺级, 可以根据缺级的位置, 判断 da\frac{d}{a} 大小
  5. 根据对称性, 左右两第 kk 缺级中, 共会有 2×(k1)+12\times(k-1)+1 条条纹

衍射光栅

  • 设光栅常量即两缝中心距 dd, 双缝缝宽 aa, 共有 NN 条狭缝

叠加法推导衍射光栅

  1. 每个狭缝产生的衍射图样重合, 且条纹之间的光程差均为 Δφ=2πdsinθλ\Delta\varphi=\frac{2\pi d\sin\theta}{\lambda}, 光矢量振幅均为 Ei=E0sinααE_i=E_0\frac{\sin\alpha}{\alpha}
  2. 因此也可以对各个狭缝在 PP 点的光振动相量叠加, 得到一个圆弧, 实际光振动相量即圆弧的弦 BN\vec{B_N}
  3. 将圆弧中的三角形 ΔCOB1\Delta COB_1 视为等腰三角形, COCO 为圆弧半径, 认为三角形顶角为 Δφ0\Delta\varphi\approx 0
  4. 因此圆弧半径 r=Ei/2sin(Δφ/2)r=\frac{E_i/2}{\sin(\Delta\varphi/2)}
  5. 圆弧圆心角为 NΔφN\Delta\varphi
  6. 对弦三角形 ΔCOBN\Delta COB_N, 可以解出

EN=2rsin(NΔφ2)=E0sinααsin(Nβ)sinβ E_N=2r\sin(\frac{N\Delta\varphi}{2})=E_0\frac{\sin\alpha}{\alpha}\cdot\frac{\sin(N\beta)}{\sin\beta}

衍射光栅的光强分布

  • 根据光矢量分布, 可得光强分布

I=I0(sinαα)2(sin(Nβ)sinβ)2 I=I_0(\frac{\sin\alpha}{\alpha})^2\cdot(\frac{\sin(N\beta)}{\sin\beta})^2

  • 定义主极大 β=kπ,(sin(Nβ)sinβ)2=N2\beta=k\pi,(\frac{\sin(N\beta)}{\sin\beta})^2=N^2, 此时分子分母均为 00, 但极限不为 00, 且取到最大值, 可得主极大的位置

dsinθ=kλ(k=±0,1,2,) d\sin\theta=k\lambda(k=\pm 0,1,2,\dots)

主极大位置与光栅缝数 NN 无关, 只与光栅常数 dd 有关

  • 由于成像角度 θ(π/2,π/2)\theta\in(-\pi/2,\pi/2), 因此主极大的级数有限
  • 定义极小 β=(k+mN)π  (m<N)\beta=(k+\frac{m}{N})\pi\;(m<N), 此时分子为 sin(Nβ)sinβ=0\frac{\sin(N\beta)}{\sin\beta}=0, 分母不为 00, 因此光强为 00, 可得极小位置为

dsinθ=(k+mN)λ  (m=1,2,,N1) d\sin\theta=(k+\frac{m}{N})\lambda\;(m=1,2,\dots,N-1)

  • 定义次极大为两个极小之间的峰值, 通常比主极大小得多
  • 根据极小定义, 当 m=0m=0, 即主极大, 因此主极大相当于对将 θ\thetaλ\lambda 划分, 极小相当于对 λ\lambda 再进行 NN 等分, 一个 λ\lambda 中有 N1N-1 条分界线, 次极大位于每小段之间, 共 N2N-2 个 (两侧主极大各占一小格)
  • 定义 kk 级主极大半角宽, 即一小格的角宽度 (注意 sinθ\sin\theta 并非线性变化)

ΔθkλNcosθk \Delta\theta_k\approx\frac{\lambda}{N\cos\theta_k}

因此随着缝数增多, 主极大 (亮条纹) 变窄

  • 与双缝类似, 光栅衍射也存在缺级, 条件依然为 k=kdak=k'\frac{d}{a} 可以此判断 da\frac{d}{a} 大小

非水平入射情况

当平行光不是水平入射, 而是存在入射角 i0i\neq 0, 则相当于入射前的光还存在一个额外的光程差, 此时光程差为

δ=d(sinθ+sini) \delta=d(\sin\theta+\sin i)

因此公式中

β=πd(sinθ+sini)λ \beta=\frac{\pi d(\sin\theta+\sin i)}{\lambda}

光栅色散

使用复色光照射光栅, 除了中央主极大, 每个波长的主极大不重合, 且与中央主极大距离为 kλk\lambda, 可以此法计算复色光的光谱

角色散

为了确定光栅的辨色能力, 对于波长在 λ(λ,λ+dλ)\lambda\in(\lambda,\lambda+d\lambda) 内, 相应主极大的距离 dθd\theta, 定义角色散 (为了提高辨别度, 角色散越大越好)

D=dθdλ D=\frac{d\theta}{d\lambda}

为了求得 DD, 对光栅主极大条件做微分可得

dcosθdθ=kdλ d\cos\theta d\theta=k d\lambda

因此, 对于 kk 级主极大的角色散可表示为 (通常取 k=1,2k=1,2, 否则光强过小)

Dk=kdcosθk D_k=\frac{k}{d\cos\theta_k}

考虑成像与透镜的距离 ff 后有

D=dxdλ=fDk=fkdcosθk D^*=\frac{dx}{d\lambda}=fD_k=\frac{fk}{d\cos\theta_k}

光栅的辩色能力

定义光栅的辩色能力为

R=kN R=kN

其中 kk 为主极大的级数, NN 为光栅缝数

特殊衍射

X射线衍射

θ\theta 处观察 (与水平晶面夹角), 当 X 射线的波长满足以下条件时, 干涉极大

λ=2dsinφk(k=1,2,) \lambda=\frac{2d\sin\varphi}{k}(k=1,2,\dots)

圆孔衍射

当物体通过值径为 DD 的圆孔成像时, 将产生衍射, 导致图像无法分辨, 定义

δφ=1.22λD \delta\varphi=1.22\frac{\lambda}{D}

当两点与圆孔的夹角 θ>δφ\theta>\delta\varphi, 认为两点可以分辨, 称 δφ\delta\varphi 为仪器的分辨率

光的偏振

  1. 光波属于横波, 其电矢量 E\vec{E} 具有方向性
  2. 此处 E\vec{E} 不是相量, 而是电矢量, 垂直于光的传播方向
  3. 可以向正交方向分解电矢量为两列光波 Ex,EyE_x,E_y , 两列光波的电矢量垂直, 初相位不同, 振幅也不同, 但频率相同

偏振状态

线偏振光

Ex,EyE_x,E_y 的相位差 Δφ=0,π\Delta\varphi=0,\pi 两个分量的变化趋势完全相同, E\vec{E} 保持在固定的方向内, 矢量端点轨迹为直线

圆偏振光

Ex,EyE_x,E_y 的相位差 Δφ=±π/2\Delta\varphi=\pm\pi/2, 振幅相同 E\vec{E} 以固定的角速度 ω\omega 变换方向, 矢量端点轨迹为一个圆

椭圆偏振光

Ex,EyE_x,E_y 不满足以上两种条件 E\vec{E} 矢量端点轨迹为椭圆

自然光

Ex,EyE_x,E_y 的相位差无关联, 可能有任何取值, 且平均振幅相同, 则称为自然光

部分偏振光

Ex,EyE_x,E_y 的相位差无关联, 可能有任何取值, 但平均振幅不同, 且均大于零, 则称为部分偏振光

马吕斯定律

偏振片

  • 能够吸收特定方向偏振光的薄片, 与之垂直的方向则能够完全通过, 称为偏振化方向
  • 光线通过偏振偏后, 吸收方向的分量被吸收, 垂直方向的分量通过
  • 无论何种状态的光, 透射后的光线必定为线偏振光

马吕斯定律

当强度为 I0I_0线偏振光通过偏振片 (称为检偏器) 后, 假设偏振方向与偏振化方向的夹角为 α\alpha, 投射后的光强为

I=I0cos2α I=I_0\cos^2\alpha

布鲁斯特定律

  • 当自然光入射到介质界面后, 反射光与折射光均为部分偏振光, 其中反射光的垂直于入射平面的光振动分量更强, 折射光相反
  • 当入射角为 iBi_B 时, 反射光与折射光垂直, 此时反射光为线偏振光, 但折射光仍为部分偏振光
  • 根据折射定律, 假设入射光所在介质 n1n_1, 可得

n1siniB=n2sin(π/2iB) n_1\sin i_B=n_2\sin(\pi/2-i_B)

因此

taniB=n2n1 \tan i_B=\frac{n_2}{n_1}

  • iBi_B 为起偏振角

双折射

晶体双折射现象

  1. 各向异性介质 (晶体) 中, 一束入射光将产生两束折射光, 将符合折射定律的折射光称为 oo 光, 另一束则称为 ee
  2. 晶体中存在一个方向, 沿此方向不发生双折射, 称为光轴 (存在无数条, 相互平行)
  3. 对于晶体中的点光源, 经过一段时间后, oo 光产生普通的球面光, ee 光则产生椭球面光, 且在光轴上于 oo 光产生的球面相切 这是由于 ee 光中, 光沿垂直于光轴的方向传播速度 vevov_e\neq v_o
    1. vo>vev_o>v_e 称为正晶体, 球面在椭球面外 (此时 no<ne=cven_o<n_e=\frac{c}{v_e})
    2. vo<vev_o<v_e 称为负晶体, 球面在椭球面内 (此时 no>nen_o>n_e) 当入射面与光轴平行时, 产生的 oo 光与 ee 光的光振动垂直

波片

  • 当入射光垂直于光轴, 产生的 oo 光与 ee 光的光振动垂直, 并且由于垂直波速不同, 当光线出射后重新叠加, 出射光的光振动关于 e,oe,o 方向的分量相位被改变, 根据此原理制成波片
  • 波片厚度 dd 满足 Δφ=2πλ(neno)d\Delta\varphi=\frac{2\pi}{\lambda}(n_e-n_o)d, 只对特定的 λ\lambda 有效
  • 对于自然光, 波片无法改变其状态
四分之一波片
  1. 能够产生 π/2\pi/2 的相位差
  2. 当入射光为线偏振光
    1. 当与 oo 光或 ee 光的光振动方向相同, 则出射仍为线偏振光
    2. 当与 oo 光或 ee 光的光振动夹角为 4545^{\circ}, 则初射后, 正交分量振幅相同, 相位差 π/2\pi/2, 为圆偏振光
    3. 其他情况下, 由于正交分量振幅不同, 为椭圆偏振光
  3. 当入射光为圆偏振光, 圆偏振光向任意方向分解, 相位差均为 π/2\pi/2, 再次改变后, 变为 π\pi, 因此变为线偏振光
  4. 当入射光为椭圆偏振光, 如果其 oo 光与 ee 光的分量为 π/2\pi/2 (主轴), 则出射线偏振光, 否则仍为椭圆偏振光
半波片
  1. 能够产生 π\pi 的相位差
  2. 入射光为线偏振光时, 能够改变其偏振方向
  3. 入射光为圆偏振光时, 能够改变其旋转方向

偏振光的干涉

  • 线偏振光通过波片, 改变其 oo 光与 ee 光方向分量的相位差
  • 再通过偏振片, 获得其 oo 光与 ee 光方向分量在偏振片方向的投影
  • 此时可将 oo 光与 ee 光方向分量视为两束叠加的相干光
  • 两束光有相位差, 只与入射光波长与波片厚度有关 (只考虑相位差, 不考虑振幅大小)

Δφ=2πλ(nene)d \Delta\varphi=\frac{2\pi}{\lambda}(n_e-n_e)d

  • 如果投影后, oo 光与 ee 光方向相反, 则要附加光程差 π/2\pi/2, 此时转动偏振片, 可能使其投影后方向相同, 导致干涉结果变化