波动光学教学PPT

波动光学,迈克耳孙干涉仪是,根据光的干涉原理制成的精密测量仪器，它可以精密地测量长度及长度的微小变化等,。,15.1,光是电磁波,主要内容：,1. 光是一种电磁波,2. 平面简谐电磁波的性质,3. 光源和发光机理,15.1.1 光是一种电磁波,1. 电磁波,电磁波的产生及传播,凡作加速运动的电荷或电荷系都是发射电磁波的波源。,变化磁场可以激发涡旋电场,传导电流和变化电场可以激发涡旋磁场,电磁波谱,2,.光是电磁波,光色,波长,(nm),频率,(Hz),中心波长,(nm),红,760622,660,橙,622597,610,黄,597577,570,绿,577492,540,青,492470,480,兰,470455,460,紫,455400,430,可见光七彩颜色的波长和频率范围,诸多的现象和理论研究表明：光是电磁波。,(1)光与电磁波的传播速度相等；都有反射，折射，干涉，,衍射，偏振性质。,(2)用电磁波理论研究光学现象的结果都说明光是电磁波。,人眼视见函数,反映人眼对不同波长光相对灵敏度的差别.,波长(nm),相对灵敏度,15.1.2 平面简,谐电磁波的性质,波函数表示的,平面电磁波,电磁波是横波,和 同相位，幅值成比例,电磁波的传播速度,电磁波在真空中的传播速度,介质折射率,电磁波的能量,电磁波能量密度,电磁波能流密度,坡印亭矢量,电磁波平均能流密度,(波的强度),有时，电磁波的强度也可表示为,15.1.3 光源和发光机理,1. 光源,光源：,光源的分类,任何发光的物体都可以称为光源。,光谱：,使光波中不同频率的光分开，形成光谱.,按光谱分为,线谱光源,连续谱光源,(1),线谱光源,氢原子的巴耳末线系照片,(2),连续谱光源,按激发,方式分,热辐射,电致发光,光致发光,化学发光,例如：太阳，白炽灯。,例如：闪电，霓虹灯，发光二极管等。,例如：日光灯，鳞光物质。,例如：,燃烧，,鳞自燃，,萤火虫,。,自发辐射,2. 光源发光机理,波列,E,2,E,1,(1) 光,波列长度,(2),光,波列长度与其,单色性关系,由傅立叶分析可知,c,光波单色性,(3),光源中各光,波列之间关系,非相干,(不同原子发的光),非相干,(同一原子先后发的光),激光的特点：高定向性；高单色性；高亮度；高相干性。,新型光源,(1),激光：,基于特定能级间粒子数反转体系的受激辐射。,(2),同步辐射光：同步加速器产生的辐射光。,强度高；方向性好；偏振性好； 稳定性好；波谱宽等。,同步辐射光的特点：,15.2,光波的叠加,主要内容：,1. 光波的叠加,2. 光波的相干条件,15.2.1 光波的叠加,干涉项,P,S,1,S,2,r,1,r,2,P,点合光强为,非相干叠加,不恒定,两叠加光波的光矢量相互垂直或频率不相等或相位差不恒定，光波为非相干叠加，,P,点合光强为,(1),(2),(3),结论,相干叠加,如果两光波,频率相同; 相位差恒定; 光矢量振动方向平行, 则,其中,两光波叠加区域,P,点的光强为,(1),相长干涉,(,明纹,),(2),相消干涉,(,暗纹,),如果,如果,讨论,(1) 光波的,频率相同,；,(2) 光矢量振动方向平行，且振幅相差不大,；,(3) 光波之间的相位差恒定,。,光的相干的条件,15.2.2 光波的相干条件,说明,(1) 各光波的,频率相同是任何波动叠加产生干涉的必要条件。,(2) 对光矢量振动方向平行条件，一般只要叠加光波的振动,方向存在平行分量即可。,(3) 光波之间的相位差恒定是保证干涉图样稳定所必须的。,加强条件,两同相相干点光源,S,1,、,S,2,相距,d,，,发射功率相等,、,波长为,(1),OX,轴上光信号最强,的位置,；,(1),光程差,信号加强的位置,(2),OX,轴上光信号最弱,的位置,。,减弱条件,信号减弱的位置,的光信号,，,如图所示,。,不考虑衰减,解,例,求,(2),15.3,分波前干涉 空间相干性,主要内容：,1. 杨氏干涉实验,2. 菲涅耳双面镜实验,3. 劳埃德镜实验,*,4. 光波的空间相干性,15.3.1 杨氏干涉实验,通过一些技术方法( 例如:通过并排的两个小孔)从一个光源发出的同一光波列的波前上取出两个子波源,，,该获得相干光的方法为分波前法。,1. 杨氏干涉实验装置及实验现象,A,B,光源,2. 干涉图样,极值位置,光强极小位置,光强极大位置,只在,z,轴附近观察,由上式得,在实际的干涉实验中,d,n,1,),解,将一块介质板放在水中，板面与水平面之间的夹角为,，,欲使从水面和介质板表面反射的光均为线偏振光，介质板板面与水平面之间的夹角,。,i,1,和,i,2,都为布儒斯特角时,，,两反射光均为线偏振光,。,由布儒斯特定律，有,a,b,求,解,例,c,水的折射率,1.33,，,空气折射率,1.00,，,介质板折射率,1.68,a,b,c,在三角形,abc,中,15.14,光的双折射,主要内容：,1. 双折射现象,2. 惠更斯对双折射现象的解释,15.14.1,双折射现象,方解石,一束光入射到各向异性的介质后出现两束折射光的现象。,食盐晶体,1. 双折射现象,2. 晶体传播光的特性,(1),寻常光和非常光,o,光,e,光,一束折射光始终在入射面内,，,并,遵循折射定律，称为寻常光，简,称,o,光。,称为非常光，简称,e,光。,另一束折射光一般不在折射面,内,，,不遵循折射定律,，,即,o,光,e,光,(2),晶体的光轴,当光在晶体内沿一个特殊,方向传播时,不发生双折射,，,这个方向称为晶体的,光轴,。,光轴,78,o,102,o,78,o,102,o,102,o,102,o,(3),主平面,e,光,光轴,o,光,光轴,o,光的主平面,e,光的主平面,晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面。,(4),o,光和,e,光是光矢量振动方向不同的线偏振光,o,光的光矢量振动方向 与,o,光主平面垂直,，,总是与光轴垂直。,光轴,e,光的光矢量在,e,光主平面内,，,其与光轴的夹角随传播方向而改变。,说明,光轴在入射面时,，,o,光主平面和,e,光主平面重合，,此时,o,光振动和,e,光振动相互垂直。,一般情况下，两个主平面并不重合，所以,o,光和,e,光的,光矢量方向也不相互垂直。,15.14.2,惠更斯对双折射现象的解释,1. 单轴晶体中的波面,光的双折射实质上是由于光在晶体中的传播速率与光的,传播方向和光的偏振状态有关。,o,光,沿不同方向的传播速率相同，其波面是球面,光轴,e,光,沿不同方向的传播速率不相同，其波面是以光轴,为轴的旋转椭球面,光轴,(,e,光,主折射率,),由于在光轴方向上不发生双折射现象，在光轴方向,o,光,和,e,光,的速率相等。,2. 正晶体、负晶体,光轴,(,平行光轴截面,),(,垂直光轴截面,),光轴,(,平行光轴截面,),(,垂直光轴截面,),正晶体,负晶体,3. 双折射的惠更斯几何描述方法(负晶体),光轴平行入射面，自然光斜入射晶体,o,光轴,e,光轴平行入射面，自然光垂直入射晶体,o,e,光轴,光轴平行晶体表面，自然光垂直入射晶体,此时,，,o, e,光在晶体内的,传播方向相同，但传播速度不,同,。,从晶体出射后，二者产生相位差。,这种情况仍然属于有双折射,。,。,说明,15.15,尼科耳棱镜 渥拉斯顿棱镜 波晶片,主要内容：,1.,尼科耳棱镜,2.,渥拉斯顿棱镜,3.,波晶片,15.15.1 尼科耳棱镜,利用晶体制成一些棱镜或者器件可以从自然光中获得,高质量的线偏振光。这一点比偏振片和玻璃堆等偏振,器更优越。,o,光轴,加拿大树胶,e,出射的是一束振动方向在纸面内的线偏振光。,15.15.2 渥拉斯顿棱镜,o,e,e光,o光,o光,e光,出射的是两束相互分开的,、,振动方向相互垂直的线偏振光。,15.15.3 波晶片,1. 波晶片,一种由晶体制造的光学器件。由单轴晶体上切割下来的平行薄片，其表面与晶体的光轴平行。,2. 光在波晶片中的传播特性,x,y,z,o,光和,e,光光矢量振幅为,o,光和,e,光通过波晶片后,的光程差为,相位差为,3.,波晶片,分类,波片,半波片,全波片,说明,:,一定的波晶片是针对某一特定波长而言的,。,15.16,偏振光的干涉 人工双折射,主要内容：,1. 偏振光的干涉,2. 人工双折射及其应用,15.16.1 偏振光的干涉,1. 偏振光的干涉实验装置,2. 实验现象,单色光入射，波晶片厚度均匀，屏幕上光强均匀分布且,稳定不变,。,转动任何一个元件,，,屏幕上光强发生变化,，,但仍然光强,分布均匀,。,白光入射，,波晶片厚度均匀，,屏幕上出现单一颜色,。,转动任何一个元件，屏幕上颜色,变化,。,白光照射时，屏上由于某种颜色干涉相消, 而呈现它的,互补色，这叫,(,显,),色偏振,。,单色光入射,，,波晶片厚度不均匀，,白光入射,，,波晶片厚度不均匀，,屏幕上,出现彩色干涉图样,。,屏幕上,出现干涉图样,。,3. 偏振光的干涉原理,各个区域光矢量偏振状态,单色自然光,线偏振光,两束频率相同,，,振动方向相互垂直,，,具有恒定相位差的线偏振光。即椭圆偏振光。,两束频率相同,，,振动方向平行,，,具有恒定相位差的线偏振光。满足相干条件。,屏幕上光强分布,光轴,(1),单色自然光通过偏振片,P,1,后的光强为 ，振幅为,A,1,(2),晶体中,o,光,和,e,光的振幅,通过厚度为,d,的晶体,，,o,光和,e,光之间相位差,(3),通过偏振片,P,2,两分振动振幅,(4),考虑,A,2o,，,A,2e,附加相位差,说明,是否存在附加相位差要具体考虑。,光轴,该情况无需附加相位差,p,(5),屏幕上光强,经过偏振片,2,出射的两束光：,振动方向平行,，,频率相同,，,相位差恒定,，,满足干涉条件,。,屏幕上光强,干涉相长,干涉相消,例,求,两正交尼科尔棱镜之间放一块,1/4,波片，其光轴与第一块尼科尔棱镜的起偏方向成,30,0,角，光强为,I,0,的单色自然光通过该系统。,出射光的光强,解,自然光通过第一块尼科尔棱镜后的光强为,I,1,=,I,0,/2,，振,幅为,A,，,经过波片后,C,A,通过第二块尼科尔棱镜,出射光的光强为,15.16.2 人工双折射及其应用,双折射现象不仅仅是天然晶体所具有，许多各向同性透明介质,(,包括固体，液体和气体)在某些外加条件的影响下,，,也会变成对光的各向异性体,，,而出现双折射现象,。,1. 光弹效应,透镜,光轴,塑料,(,c,是与材料有关的常数,，,p,为样品材料中的应力,),o,光和,e,光透过厚度为,d,的受力介质后，产生的相位差,说明,(1),各处,p,不同,d,不同,出现干涉条纹,(2),若白光入射，屏幕上可以观察到由于显色偏振而得到,的彩色条纹。,(3),应力分布越复杂，干涉条纹或彩色,条纹就越复杂。,(4),应力分布越集中的地方条纹越细密。,(5),光弹效应广泛应用于介质的应力分,布研究。,2. 电光效应,硝基苯液体,光轴,(,k,为液体的克尔常数,，,E,为外加电场的电场强度,),在外加电场作用下，也可以使某些各向同性的透明介质,变为各向异性介质，对光产生双折射，这种人工双折射,为电光效应。,o,光和,e,光透过厚度为,d,的液体后，产生的相位差,说明,(1),极板上的电压,U,改变,d,改变,屏幕上光强改变,(2),利用克尔效应可以对偏振光强度进行调制。,(3),利用克尔效应可以制作“光电开关”。,15.17,旋光效应简介,主要内容：,1. 旋光效应,2. 旋光色散,1. 实验装置,旋光物质,光轴,2. 实验现象,从石英晶片出射的是偏振,光，振动面旋转了一个角度。,石英晶片具有旋光性。,有两类旋光物质，即左旋光物质和右旋光物质。,1. 实验装置,旋光物质,光轴,2. 实验现象,从石英晶片出射的是偏振,光，振动面旋转了一个角度。,石英晶片具有旋光性。,有两类旋光物质，即左旋光物质和右旋光物质。,天然旋光物质中，光的振动面旋转的角度,与光经过,旋光物质的厚度,d,成正比,3. 实验结果,对于有旋光性的溶液,，,还与溶液的浓度,c,成正比,：,旋光率,(,与旋光物质的性质、温度及入射光波长有关,),石英的旋光率与波长关系,波长/nm,794.76,728.1,656.2,546.1,430.7,382.0,257.1,11.589,13.294,17.318,25.538,42.604,55.625,143.266,4. 旋光色散：,物质的旋光率与光波波长有关的性质。,制糖业测定糖液浓度；医院测定血糖。,5. 旋光效应应用,旋光色散在化学,、,药物学,、,生物学都有重要意义。,本章小结,1. 光是电磁波,(1),电磁波是横波,(2),电磁波的传播速度,(3),电磁波的能量,坡印亭矢量,电磁波的强度,2. 光波的叠加,(1) 两光波在空间一点,P,叠加的光强为,干涉项,(2) 相干叠加,两相干光在空间一点,P,相遇时,，,P,点的光强为,当 时，光强最大，为,(,若,，,),当 时，光强最小，为,(,若,，,),(3) 非相干叠加,两非相干光在空间一点,P,相遇时,，,P,点的光强为,3. 杨氏双缝干涉,利用分波前法获得相干光产生的干涉，其干涉条纹是,等间距的明暗相间的直条纹，相邻明,(,暗,),条纹的间距为,4. 两相干光波到达空间一点,P,的光程差与相位差,5. 薄膜干涉,利用分振幅法获得相干光产生干涉，两相干光的光程差为,或,或,当 时，干涉相长；当 时，干涉相消。,6.,惠更斯菲涅耳原理,波面上的各面元都可看作是相干的次波波源。它们发出的次波在空间各点相遇时，其各点的强度分布是所有次波相干叠加的结果,。,7. 单缝夫琅禾费衍射,(1),暗纹条件,(2) 明,纹条件,(3),单缝夫琅禾费衍射的光强公式,8. 光学仪器的最小分辨角和分辨本领,最小分辨角,; 分辨本领,9. 光栅衍射,(1) 光栅方程,(2),暗纹条件,(3) 缺级公式,其中,k,是缺级主极大的级次,k,是单缝衍射暗纹的级数。,m,kN,(4) 光栅衍射的光强公式,10.,X,射线的衍射,其中,，,j,为入射,X,射线与介质表面之间的夹角,(,掠射角,)。,11. 马吕斯定律,12.,布儒斯特定律,13.,波晶片,光轴平行于晶面的单轴晶片称作波晶片。当一束单色线偏振光垂直入射波晶片时，通过波晶片的,o,光和,e,光的光程差和相位差为,在我国，每年春分、秋分前后，太阳、地球和同步通信卫星将会成一线排列，而通信卫星处于太阳和地球之间时，由于地球站将天线指向卫星时，也正面直对太阳，因此太阳较强电磁波辐射也将被接收，即“噪声进入接收系统”，通信业务信号因噪声的增大而无法被接收解调系统顺利识别出来，严重时就会出现信号中断，发生所谓的“日凌”现象。,（,本章由刘萍编写制作,）,