大学物理D13波动光学(一)
大学物理波动光学一PPT课件
超快光谱技术
介绍超快光谱技术的原理、方法及应 用，如泵浦-探测技术、时间分辨光谱 技术等。
超短脉冲激光技术
详细介绍超短脉冲激光技术的原理、 实现方法及应用领域，如飞秒激光技 术、阿秒激光技术等。
未来光学技术挑战和机遇
光学技术的挑战
阐述当前光学技术面临 的挑战，如光学器件的 微型化、集成化、高性 能化等。
大学物理波动光学一 PPT课件
目录
• 波动光学基本概念与原理 • 干涉原理及应用 • 衍射原理及应用 • 偏振现象与物质性质研究 • 现代光学技术进展与挑战
01
波动光学基本概念与原理
光波性质及描述方法
光波是一种电磁波，具有波动性 质，可以用振幅、频率、波长等
物理量来描述。
光波在真空中的传播速度最快， 且在不同介质中传播速度不同。
01
02
03
04
摄影
利用偏振滤镜消除反射光和散 射光，提高照片清晰度和色彩
饱和度。
液晶显示
利用液晶分子的旋光性控制偏 振光的透射和反射，实现图像
显示。
光学仪器
如偏振光显微镜、偏振光谱仪 等，利用偏振光的特性进行物
质分析和检测。
其他领域
如生物医学、材料科学、环境 科学等，利用偏振光的特性进
行研究和应用。
01
牛顿环实验装置与步骤
介绍牛顿环实验的基本装置和操作步骤，包括凸透镜、平面镜、光源等
。
02
牛顿环测量光学表面反射相移
阐述如何通过牛顿环实验测量光学表面反射相移的原理和方法。
03
等厚干涉原理及应用
探讨等厚干涉的基本原理，以及其在光学测量和光学器件设计中的应用
。
多光束干涉及其应用
北方民族大学大物题库—波动光学计算题(1)
1. 在杨氏双缝干涉实验中，用波长550nm 的单色光垂直照射在双缝上.若用一厚度为e=6.6×10-6m 、折射率为n=1.58的云母片覆盖在狭缝上方，问：(1)屏上干涉条纹有什么变化？ (2)屏上中央O 点现在是明纹还是暗纹？2. 薄钢片上有两条紧靠的平行细缝，用波长为nm 480=λ的平面光波正入射到钢片上，屏幕距双缝的距离为D = 2.00 m ．现测得中央明条纹两侧的第五级明条纹间的距离为mm 0.12=∆x ，(1) 求两缝间的距离；(2) 从任一明条纹(计作0)向一边数到第20条明条纹，共经过多少距离?解：(1) 设两缝间距离为d ，则明纹坐标 λdD kx k = 由题意 k ＝5，λdD x x k 102==∆ 所以有m 100.8m 1012108.421010437---⨯=⨯⨯⨯⨯=∆=x D d λ (2) 共经过20个条纹间距，即m 104.2m 100.8108.422020247---⨯=⨯⨯⨯⨯==λd D l3. 以单色光照射到相距为0.2 mm 的双缝上，双缝与屏幕的垂直距离为1 m ，从第一级明纹到同侧的第四级明纹间的距离为7.5 mm ，求单色光的波长；4. 一油轮漏出的油(折射率n 1=1.20)污染了某海域, 在海水(n 2=1.30)表面形成一层薄薄的油污.(1) 如果太阳正位于海域上空，一直升飞机的驾驶员从机上向正下方观察，他所正对的油层厚度为460 nm,则他将观察到油层呈什么颜色?(2)如果一潜水员潜入该区域水下，并向正上方观察，又将看到油层呈什么颜色？5. 波长λ= 650 nm 的红光垂直照射到劈形液膜上，膜的折射率n = 1.33，液面两侧是同一种介质．观察反射光的干涉条纹．(1) 离开劈形膜棱边的第一条明条纹中心所对应的膜厚度是多少?(2) 若相邻的明条纹间距mm 6=l , 上述第一条明纹中心到劈形膜棱边的距离x 是多少?解：(1) λλk ne k =+22 (明纹中心)现 k = 1， 1e e k = 膜厚度mm 1022.1441-⨯==ne λ(2) mm 00.32==lx 6. 波长为680 nm 的平行光照射到L=12 cm 长的两块玻璃片上，两玻璃片的一边相互接触 ，另一边被厚度Ｄ=0.048 mm 的纸片隔开. 试问在这12 cm 长度内会呈现多少条暗条纹 ?7.如图所示，利用空气劈尖测细丝直径，已知 λ=589.3 nm ，L=2.888×10-2 m,测得30条条纹的总宽度为4.295×10-3 m ,求细丝直径d.解：相邻条纹间距1=-N xb ∆，则细丝的直径为 m .)-(-510×755=21=2=L xn N L nb d ∆λλ8. 图所示为一牛顿环装置，设平凸透镜中心恰好与平玻璃接触，透镜凸表面的曲率半径是R ＝400 cm ．用单色平行光垂直入射，观察反射光形成的牛顿环，测得第5个明环的半径是0.30 cm ．(1) 求入射光的波长； (2) 设图中OA =1.00 cm ，求在半径为OA 的范围内可观察到的明环数目．解：(1)明环半径为 ,3,2,1,212=-=k R k r λ 所以入射光波长()()()m 105m 41521030.021227222--⨯=⨯-⨯⨯⨯=-=R k r λ (2)由明环半径公式()λR k r 1222-=得 5.50211054)10(217222=+⨯⨯=+=--λR r k 所以, 在OA 范围内可观察到50个明纹．9.如图所示为测量油膜折射率的实验装置，在平面玻璃片G 上放一油滴，并展开成圆形油膜，在波长 λ=600nm 的单色光垂直入射下，从反射光中可观察到油膜所形成的干涉条纹．已知玻璃的折射率为 n 1=1.50，油膜的折射率 n 2=1.20，问：当油膜中心最高点与玻璃片的上表面相距800nm 时，可看到几条明纹？明纹所在处的油膜厚度为多少 ?10.如图如示，折射率n 2=1.2的油滴落在n 3=1.5的平板玻璃上，.OA.形成一个上表面近似于球面的油膜，测得油膜中心最高处的高度d m =1.1μm ，用 λ=600 nm 的单色光垂直照射油膜。
大学物理波动光学课件
麦克斯韦电磁理论：19 世纪中叶，英国物理学 家麦克斯韦建立了电磁 理论，揭示了光是一种 电磁波，为波动光学提 供了更加深入的理论根 据。
在这些重要人物和理论 的推动下，波动光学逐 渐发展成为物理学的一 个重要分支，并在现代 光学、光电子学等领域 中发挥了重要作用。
02 光的干涉
干涉的定义与分类
定义 分类 分波前干涉 分振幅干涉
干涉是指两个或多个相干光波在空间某一点叠加产生加强或减 弱的现象。
根据光源的性质，干涉可分为两类，分别是ห้องสมุดไป่ตู้波前干涉和分振 幅干涉。
波前上不同部位发出的子波在空间某点相遇叠加产生的干涉。 如杨氏双缝干涉、洛埃镜、菲涅尔双面镜以及菲涅尔双棱镜等
。
一束光的振幅分成两部分（或以上）在空间某点相遇时产生的 干涉。例如薄膜干涉、等倾干涉、等厚干涉以及迈克耳孙干涉
波动光学与几何光学的比较
几何光学
几何光学是研究光线在介质中传播的光学分支，它主要关注 光线的方向、成像等，基于光的直线传播和反射、折射定律 。
波动光学与几何光学的区分
波动光学更加关注光的波动性质，如光的干涉、衍射等现象 ，而几何光学则更加关注光线传播的几何特性。两者在研究 对象和方法上存在差异，但彼此相互补充，构成了光学的完 整体系。
VS
马吕斯定律
当一束光线通过两个偏振片时，只有当两 个偏振片的透振方向夹角为特定值时，光 线才能通过。这就是马吕斯定律，它描述 了光线通过偏振片时的透射情况。这两个 定律在光学和物理学中都有着广泛的应用 。
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分类
根据障碍物的大小和光波波长的相对 关系，衍射可分为菲涅尔衍射和夫琅 禾费衍射。
单缝衍射与双缝衍射
单缝衍射
2024年大学物理波动光学-(带目录)
大学物理波动光学-(带目录)大学物理波动光学摘要：波动光学是大学物理课程中重要的组成部分，主要研究光的波动性质及其在介质中的传播规律。
本文主要介绍了波动光学的基本概念、波动方程、干涉现象、衍射现象、偏振现象以及光学仪器等，旨在为读者提供系统的波动光学知识，为进一步学习和研究打下基础。
一、引言波动光学是研究光波在传播过程中所表现出的波动性质的科学。
光波是一种电磁波，具有波动性、粒子性和量子性。
波动光学主要关注光的波动性质，研究光波在介质中的传播、反射、折射、干涉、衍射、偏振等现象。
波动光学在科学技术、工程应用、日常生活等领域具有广泛的应用，如光纤通信、激光技术、光学仪器等。
二、波动方程波动方程是描述波动现象的基本方程。
光波在真空中的传播速度为c，介质中的传播速度为v。
波动方程可以表示为：∇^2E(1/c^2)∂^2E/∂t^2=0其中，E表示电场强度，∇^2表示拉普拉斯算子，t表示时间。
该方程描述了光波在空间和时间上的传播规律。
三、干涉现象1.极化干涉：当两束相干光波在空间某点相遇时，它们的电场矢量方向相同，相互加强，形成明条纹；当电场矢量方向相反，相互抵消，形成暗条纹。
2.非极化干涉：当两束相干光波在空间某点相遇时，它们的电场矢量方向垂直，相互叠加，形成干涉条纹。
四、衍射现象衍射现象是光波传播过程中遇到障碍物或通过狭缝时产生的现象。
衍射现象的本质是光波的传播方向发生改变，使得光波在空间中形成干涉图样。
衍射现象可以分为菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射两种：1.菲涅耳衍射：当光波通过狭缝或障碍物时，光波在衍射角较小的情况下发生的衍射现象。
菲涅耳衍射的衍射图样与狭缝或障碍物的形状、大小以及光波的波长有关。
2.夫琅禾费衍射：当光波通过狭缝或障碍物时，光波在衍射角较大的情况下发生的衍射现象。
夫琅禾费衍射的衍射图样与狭缝或障碍物的形状、大小以及光波的波长有关。
五、偏振现象偏振现象是光波在传播过程中，电场矢量在空间某一方向上振动的现象。
波动光学1-3
E E1 E2 2a cos(km z mt ) cos(k z t )
令 则
A 2a cos(km z mt )
E A cos(k z t )
合成波是一个频率为 而振幅受到调
制的行波，即振幅随时间和位臵在-2a与2a
间变化
当 1 2 , m 振幅变化缓慢，而光波的频率很高，E变化极快，不可 能直接探测，但却可以探测出调制波的光强。 合成波的光强为
s1 n1 n2 s2 r1 p r2 s1 s2
p
S1p= r1 S2p= r2
D = n1r1 n2 r2
D = r1 r2 e2 n2 e2 r1 r2 + 1 n2 e2
3).两束光干涉的强弱取决于光程差，而不是几何路程之差
光程差与相位差的关系
光程差每变化一个波长λ，相位差变化 2 光程差为 D ，相位差为 ； 光程差与相位差的关系为：
r1
n1
r2
n2
ri
ni
rn
nn
n
L n1r1 n2r2 nnrn niri
i 1
引入光程概念后，就能将光在媒质中通过的 几何路程折算为真空中的路程来研究。这就避免 了波长随媒质变化而带来的困难。
2).光程差 D
光程差为两束光的光程之差。 D L2 L1
二、光的相速度和群速度 单色光波的传播速度指它的等相面的传播速度， 即相速度。 合成波应包含等相面传播速度和等幅面传播速度 两部分。
相速度：由相位不变条件 k z t 常数
得
v
k
不同频率的波在无色散的真空中传播时，它们的速 度相同，因而合成波是一个波形稳定的拍。
大学物理波动光学 PPT
n2 n1
i
例 13.10.波长550nm黄绿光对人眼和照像底片最敏感。要使照 像机对此波长反射小，可在照像机镜头上镀一层氟化镁 MgF2薄膜，已知氟化镁的折射率 n=1.38 ，玻璃的折射率 n=1.55. 求 氟化镁薄膜的最小厚度
解 两条反射光干涉减弱条件
2nd (2k 1) k 0,1,2,
d
10
(2) 双缝间距 d 为
d D 600 5.893104 5.4mm
x
0.065
例 13.3.用白光作光源观察杨氏双缝干涉。设缝间距为d，缝面 与屏距离为 D
求 能观察到的清晰可见光谱的级次 解 在400 ~ 760 nm 范围内，明纹条件为
xd k
D
最先发生重叠的是某一级次的红光和高一级次的紫光
2
增透膜的最小厚度
d 550 100nm
d
4n 4 1.38
r1 r 2
n 1.00 n 1.38 n 1.55
说明 增反膜
薄膜光学厚度（nd）仍可以为 / 4 但膜层折射率 n 比玻璃的折射率大
§13.6 迈克耳逊干涉仪
一. 干涉仪结构
二. 工作原理
d
光束 1 和 2 发生干涉
光程 x 0r nr
u c 0 n n
真空中 光波长
光程是一个折合量，在相位改变相同的条件下，把光在 介质中传播的路程折合为光在真空中传播的相应路程
多种介质
光程 niri
i
n1 n2
… …
ni
由光程差计算 相位差
r1 r2
ri
[n(r2 d) nd] nr1
大学物理讲义(第13章波动光学)第一节
第13章波动光学光是能激起视觉的一类电磁波.人们主要通过光来接受自然界的信息.研究光现象、光的本性和光与物质相互作用等规律的学科称为光学.它是物理学的又一个重要分支.光学通常分为几何光学、波动光学和量子光学三部分.当光的波长可以忽略,其波动效应不明显时,把光的能量看成是沿着一根根光线传播的,光遵从直进、反射、折射等定律,这便是几何光学.波动光学研究的是光在传播过程中显示出的干涉、衍射和偏振等波动现象和特点.通常人们把建立在光的量子性基础上,深入到微观领域研究光与物质相互作用规律的分支学科,称为量子光学.从20世纪60年代以来,由于激光和光信息技术的出现,光学又有了新的发展,并且派生出许多属于现代光学范畴的一些新分支.本章讨论光的波动理论.§13.1 光干涉的一般理论光是一定波长范围内的电磁波.可见光是能够被人的眼睛直接看到的电磁波,它的波长范围在400~760nm之间.一、光的叠加原理在通常的情况下,光和其他波动一样,在空间传播时,遵从波的叠加原理.当几列光波在空间传播时,它们都将保持原有的特性,此即光波的独立传播原理.由此,在它们交叠的区域内各点的光振动是各列光波单独存在时在该点所引起的光振动的矢量和,这就是光的叠加原理.但应指出,光并不是在任何情况下都遵从这一原理的.当光通过非线性介质(例如变色玻璃),或者光强很强(如激光,同步辐射)时,该原理不成立.通常当强光通过介质时将出现许多非线性效应,研究这类光现象的理论称为非线性光学.这是现代光学中很活跃的研究领域之一.不过,在本章所涉及的范围内,光波叠加原理仍然是一个基本的原理.二、光的相干叠加1. 光波的相干条件在讨论机械波时,我们已给出了波干涉的定义,即当两列波同时在空间传播时,在两波交叠的区域内某些地方振动始终加强,而另一些地方振动始终减弱的现象.光的干涉定义与之完全相同.能产生干涉现象的光叫相干光.干涉并不违背叠加原理,且正是后者的结果.但并不是任何两列波在空间相遇时都能发生干涉,产生干涉是有条件的,即干涉是特殊条件下的叠加.波的相干条件是：1) 频率相同；2) 振动方向相同(或存在相互平行的振动分量)；3) 具有恒定的相位差.这三个条件,对机械波来说比较容易实现,因此观察机械波的干涉现象比较方便.但对光波来说就不那么容易做到了.这与普通光源的发光机制有关.光是光源中大量分子或原子等微观粒子的能量状态发生变化而引起的电磁辐射.近代物理学已完全肯定分子或原子的能量是量子化的,即能量具有分立值,当分子或原子由较高能态跃迁到较低能态时就发出一个波列,一个波列的长度是有限的,持续的时间约为10-8s.发出一个波列后,它还可以从外界吸收能量,由低能态跃迁到高能态,当它再次由高能态向低能态跃迁时它就再发出一个波列.这是一个随机的过程,每一个原子或分子先后发射的不同波列以及不同原子或分子同时发射的各个波列,彼此之间在初相上没有联系,振动方向也各不相同,频率也可以不同.我们所观察到的光看起来是连续的光波,实际上是由大量原子或分子发射的许许多多彼此完全独立的有限长波列组成的,如图13.1所示.2. 相干光的获得由前面的讨论可知,普通光源发出的光是由光源中各个分子或原子发出的波列组成的,而这些波列之间没有固定的相位关系.因此,来自两个独立光源的光波,即使频率相同,振动方向相同,它们的相位差也不可能保持恒定,因而不是相干光；同一光源的两个不同部分发出的光,也不满足相干条件.因此也不是相干光.只有从同一光源的同一部分发出的光通过某些装置进行分束后,才能获得符合相干条件的相干光.因此获得相干光的方法的基本原理是把由光源上同一点发出的光设法“一分为二”,然后再使这两部分叠加起来,由于这两部分光的相应部分实际上都来自同一发光原子的同一次发光,即每一个光波列都分成两个频率相同、振动方向相同、相位差恒定的波列,因而这两部分是满足相干条件的相干光.把同一光源发出的光分成两部分的方法有两种：一种叫分波振面法,由于同一波振面上各点的振动具有相同相位,所以从同一波振面上取出的两部分可以作为相干光源.如杨氏双缝实验等就用了这种方法；另一种叫分振幅法,其原理是利用反射、折射把波面上某处的振幅分成两部分,再使它们相遇从而产生干涉现象.例如薄膜干涉和迈克耳孙干涉仪等就采用了这种方法.上面讨论的是普通光源,对激光光源,所有发光的原子或分子都是步调一致的动作,所发出的光具有高度的相干稳定性.从激光束中任意两点引出的光都是相干的,可以方便的观察到干涉现象,因而不必采用上述获得相干光束的方法.3. 相干光的干涉光波是电磁波,在光波中,产生感光作用与生理作用的主要是电场强度E ,因此,一般我们将E 称为光矢量.如图13.2所示,光振幅为21E E ,的两束相干光,在空间叠加,按照光的干涉理论知,叠加后任一点P 的合振幅为 )cos( 12102021222122r r E E E E E 在波动光学中,主要讨论的是光波所到之处的相对光强.由于光强(平均能流密度)2E I ,因此可直接把光强表示为2E I ,所以由上式得)cos(121020212122r r I I I I I (13.1) 21I I 、分别为两束相干光的强度,I 为叠加后的强度.可见,两束相干光叠加后,空间各点的光强取决于两束光波在该点的相位差：1210202r r (13.2) 2121212*********I I I I I P k I I I I I P k k min max ,)(,),,,(点的光强最小点的光强最大当 (13.3) 其他位置的光强介于两者之间,即max min I I IP 点的光强分布曲线如图13.3所示.如果两束相干光的光强相等,则干涉后040 min max ,I I I必须指出,对于两束相干光,只有在I 1=I 2或I 1~I 2的情况下,才能观察到清楚的明暗相间的干涉图样；当 I 1、I 2相差甚大时, I max 与I min 相差不大,干涉图样模糊不清.对于两束相干光,在很多情况下初相相同,这时r r r 2212 在这种情况下,干涉明暗点的位置决定于两束光到观察点的波程差 ：暗点亮点212210/)(),,,(k k k r (13.5) 三、光程 光程差上面讨论了两束相干光在真空中传播时的干涉情况,现在讨论两束相干光在介质中传播时的干涉情况.我们知道,光在真空中传播的速度为c,在介质中传播的速度为n c / ；因此,光在介质中的波长为nn c /' λ为光在真空中的波长.如上所述,两束初相相同的相干光,在真空中传播时,到空间某观察点的波程差为r ,则这两束光到该点的相位差为r 2 如果两束光在折射率为n 的介质中传播,它们到观察点的相位差为r n r 22' 由此可见,两束光在真空中传播时,它们到某点的相位差决定于波程差r ;而两束光在介质中传播时,它们到某点的相位差决定于波程差r 与介质折射率n 的乘积,这里n r 称为这两束光的光程差;一般把折射率n 与波程r 的乘积称为光程,21I I 212I I21I I a )(21I I b )(图13.3 两相干光在相遇点的光强随相位差的分布曲线用L 表示,即L=nr .普遍情况下,两束光的光程差δ表示两束光光程之差.如图13.4所示.112212r n r n L L (13.6)两相干光的干涉效果决定于相位差,而相位差决定于光程差;因此,光的干涉规律决定于光程差δ.可见,光程差是讨论光的干涉现象的非常重要的概念.许多干涉装置都满足两束相干光初相相等的条件,因此相位差与光程差的关系及干涉明、暗点的位置决定于光程差δ2 干涉明暗点位置 暗点明点212210/)(),,,(k k k (13.7) 注意：式(13.5 )与(13.7 )实际上是一致的,前者适用于真空情况(r ),而后者则适用一般情况,它是光的干涉中最基本的公式.由它可知,要确定干涉图样的规律,就必须计算两束光的光程差δ.。
大学物理波动光学总结
大学物理波动光学总结引言波动光学是大学物理中的一门重要课程，研究光的传播和干涉衍射现象。
本文将对大学物理中的波动光学进行总结和归纳，内容包括光的波动性质、干涉现象、衍射现象等。
光的波动性质光既具有粒子性质又具有波动性质，可以通过以下实验证明：- 杨氏双缝实验：将一个点光源照射到一个有两条细缝的屏幕上，观察到在屏幕背后的墙上出现一系列亮暗相间的干涉条纹。
实验证明光的干涉现象，说明光具有波动性质。
- 光的衍射现象：光通过某个孔洞或物体边缘时，会沿着扩散波的方式传播，形成衍射图样。
光的衍射现象同样证明了光的波动性质。
干涉现象干涉是两个或多个波相遇时产生的现象，具有以下特点： 1. 干涉是波动性质的直接表现，只有至少两束波才能产生干涉现象。
2. 干涉分为相干干涉和非相干干涉。
相干干涉是指波源的频率和相位相同或相近，非相干干涉指波源的频率和相位差异较大。
3. 干涉现象包括等厚干涉、薄膜干涉、牛顿环等。
等厚干涉等厚干涉是在等厚体（如平行板）两个表面之间形成的干涉现象，具有以下特点： - 干涉条纹的间距是由波长、介质折射率差和等厚体厚度决定的。
- 等厚干涉的应用包括测量薄膜厚度、判断材料性质等。
薄膜干涉薄膜干涉是在薄膜表面和基底表面之间形成的干涉现象，具有以下特点： - 薄膜干涉的颜色随着入射光的颜色和薄膜厚度的改变而改变。
- 薄膜干涉的应用包括光学镀膜、光学仪器等领域。
牛顿环牛顿环是一种由大气中的薄膜产生的干涉现象，具有以下特点： - 牛顿环是由于光的不同波长在大气中的衍射和干涉引起的。
- 牛顿环的中心位置与基座材料的折射率有关，可用于测量折射率。
衍射现象衍射是波传播过程中遇到障碍物或传播介质发生扰动时发生的现象，具有以下特点： 1. 衍射现象是波动性质的直接表现，与波的传播方式密切相关。
2. 衍射现象包括单缝衍射、双缝衍射、衍射光栅等。
单缝衍射单缝衍射是在缝隙较小的板上通过光时产生的衍射现象，具有以下特点： - 单缝衍射的衍射图样主要包括中央最亮的主极大和两侧的次级最暗区。
第13、14、15波动光学
r22=L2+(x+d/2)2
明纹 k dx ( k 0,1,2,......) 1 L (k ) 暗纹 2
明纹 k dx ( k 0,1,2,......) 1 L (k ) 暗纹 2
上式中的k为干涉条纹的级次。由上式求得条纹的坐标为
L x k d
=r2-r1=
(k 0,1,2,......) 1 (k ) 暗纹 2
k
明纹
r1
s1
x p
K=2
K=1 K=0 K=-1
x
s
*
d
s2
r2
L
o
K=-2
建立坐标系，将条纹位置用坐标x来表达最方便。 考虑到L» d, r1+r22L,于是明暗纹条件可写为
r12=L2+(x-d/2)2,
s1 n1
e
(零级)
o (零级)
解 零级处,由s1和s2发出的两光线 的光程差为零，由此推知， 原中央 明级向下移到原第五级亮纹处。
现在,原中央处被第五级亮纹占据, 这表明两光线到达中央处的光程差 是 5 ： =5 =(n2 -n1)e
n2
s2
e
5 e =10-5m n2 n 1
二.洛埃镜
例题13-3 一平板玻璃(n=1.50)上有一层透明油膜(n=1.25)， 要使波长=6000Å的光垂直入射无反射，薄膜的最小膜厚e=? 解 凡是求解薄膜问题应先求出两反射光线的光程差。 对垂直入射，i =0，于是
三. 光波的相干叠加
1.光的干涉
两束光 (1)频率相同； (2)光振动方向相同； (3)相差恒定；
相干条件
则在空间相遇区域就会形成稳定的明、暗相间的条纹分 布，这种现象称为光的干涉。 2.相干叠加和非相干叠加 由波动理论知, 光矢量平行、频率相同、振幅为E1和E2的 两列光波在某处叠加后,合振动的振幅为
大学物理第十三章复习笔记波动光学基础
2024/1/25
28
关键知识点总结回顾
01
光的干涉
02
光的衍射
干涉是波动性质的一种表现，当两束 或多束相干光波在空间某一点叠加时 ，其振幅相加而产生的光强分布现象 。如双缝干涉、薄膜干涉等。
光在传播过程中遇到障碍物或小孔时 ，偏离直线传播的现象。如单缝衍射 、圆孔衍射等。衍射现象表明光具有 波动性。
2024/1/25
21
偏振光在显示技术中应用
液晶显示
液晶显示技术利用液晶分子的双折射性质，通过控制液晶分子的排列方式来改变光的偏振态，从而实现图像的显 示。液晶显示具有功耗低、体积小、重量轻等优点，被广泛应用于电视、计算机显示器等领域。
OLED显示
OLED（有机发光二极管）显示技术利用有机材料的电致发光性质，通过控制电流来改变像素的发光状态。OLED 显示具有自发光的特性，不需要背光源，因此具有更高的对比度和更广的视角。同时，OLED显示还可以实现柔 性显示和透明显示等特殊效果。
17
04
偏振光性质与应用
2024/1/25
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马吕斯定律和布儒斯特角
2024/1/25
马吕斯定律
描述线偏振光通过偏振片后光强的变 化规律，即$I = I_0 cos^2 theta$， 其中$I_0$为入射光强，$theta$为偏 振片透振方向与入射光振动方向的夹 角。
布儒斯特角
当自然光以布儒斯特角入射到两种介 质的分界面时，反射光为完全偏振光 ，且振动方向与入射面垂直。布儒斯 特角的大小与两种介质的折射率有关 。
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相关领域前沿动态介绍
光学微操控技术
利用光的力学效应，实现对微观粒子的精确 操控，为生物医学、微纳制造等领域提供了 新的研究工具。
波动光学一章习题解答
∆ = 2 n2 e +
λ 2
对右半边，在 P 处 d = 0， ∆ = λ 2 ，满足 ∆ = kλ +
λ ，相应为 k = 0 级暗纹。 2
因此，在接触点 P 处形成的圆斑为右半部暗，左半部明。 ［∴选择答案(D)］
习题 15─9
用劈尖干涉法可检测工件
空气劈尖
表面缺陷，当波长为 λ 的单色平行光垂 直入射时， 若观察到的干涉条纹如图所 示， 每一条纹弯曲部分的顶点恰好与其 左边条纹的直线部分的连线相切， 则工 件表面与条纹弯曲处对应的部分为 ： ［ ］ (A) 凸起，且高度为 λ 4 。 (C) 凹陷，且深度为 λ 2 。
λ 9λ = 2 n2 4 n 2
习题 直照射由两块平玻璃板构成的空气劈尖薄
膜，劈尖角 θ = 2 × 10 −4 rad 。改变劈尖角，相邻两明条纹间距缩小了 ∆l = 1.0mm ， 求劈尖角的改变量 ∆θ 。
解：改变劈尖角前的条纹间距
l1 =
改变劈尖角后的条纹间距
习题 15—7
单色平行光垂直照射在薄膜上，经
n1 n2 n3
入射光
上下两表面反射的两束光发生干涉，如图所示， 若薄膜的厚度为 e ，且 n1<n2>n3， λ 为入射光在
反射光 1 反射光 2
e
n1 中的波长， 则两束反射光的光程差为： ［
］
习题 15―7 图
(A) 2n2e。 (C) 2n 2 e + 1 n1λ1 。 2
�
e
A 点 恰 为 第 四 级 明 条 纹 中 心 ， 则
e=
解：(1)
。
∆ϕ = 2π 2π ⋅∆ = [r − e + ne − r ] = 2π (n − 1)e λ λ λ
第13章 波动光学(习题)
−2
条纹角间距 ∆θ ′ =
λ
d
480 ×10−9 ∆x′ = f ∆θ ′ = 50 × 10 × = 2.4mm −3 0.1× 10
条干涉主极大， （3）单缝衍射的中央包线内共有 条干涉主极大，两端处出现缺级 ）单缝衍射的中央包线内共有9条干涉主极大
波长为500nm和 520nm的两种单色光同时 例 13-15 波长为 和 的两种单色光同时 垂直入射在光栅常量为0.002cm的光栅上 ， 紧靠光栅 的光栅上， 垂直入射在光栅常量为 的光栅上 后用焦距为2m的透镜把光线聚焦在屏幕上 的透镜把光线聚焦在屏幕上。 后用焦距为 的透镜把光线聚焦在屏幕上。求这两束 光的第三级谱线之间的距离。 光的第三级谱线之间的距离。 x2 解： (a + b) sin ϕ = kλ x
A2o A2e C
d(no − ne ) 4300 ∴λ = = k k M 满足上式的波长λ即是在透射光中缺少的光波波长 即是在透射光中缺少的光波波长， 满足上式的波长 即是在透射光中缺少的光波波长， 的可见光范围内， 在400~700nm的可见光范围内，有： 的可见光范围内 k =10, λ10 = 430(nm) k = 9, λ9 = 478(nm)
4.薄膜干涉 4.薄膜干涉
2 δ = 2n2 e cos γ + δ 0 = 2e n2 − n12 sin 2 i + δ 0
5.迈克尔逊干涉仪 5.迈克尔逊干涉仪
三、光的衍射
1.惠更斯1.惠更斯-菲涅尔原理 惠更斯 2.单缝的夫琅和费衍射 2.单缝的夫琅和费衍射 3.圆孔的夫琅和费衍射 3.圆孔的夫琅和费衍射 4.多缝的夫琅和费衍射 4.多缝的夫琅和费衍射 5.X射线衍射 5.X射线衍射 亮纹 asin θ = ±(2k +1) λ , 2 λ θ 0 ≈ 1.22 爱利斑角半径
大学物理(波动光学知识点总结)
01
圆孔、屏幕和光源。
实验现象
02
在屏幕上观察到明暗相间的圆环，中心为亮斑。
结论
03
圆孔衍射同样体现了光的波动性，中心亮斑是光线汇聚的结果。
光栅衍射实验
实验装置
光栅、屏幕和光源。
实验现象
在屏幕上观察到多条明暗相间的条纹，每条条纹都有自己的位置 和宽度。
结论
光栅衍射是由于光在光栅上发生反射和折射后相互干涉的结果， 形成多条明暗相间的条纹。
02
光的干涉
干涉现象与干涉条件
干涉现象
当两束或多束相干光波在空间某一点 叠加时，光波的振幅会发生变化，产 生明暗相间的干涉条纹。
干涉条件
要产生干涉现象，光波必须具有相同 的频率、相同的振动方向、相位差恒 定以及有稳定的能量分布。
干涉原理
光的波动性
光波在传播过程中，遇到障碍物或孔洞时，会产生衍射现象。衍射光波在空间 相遇时，会因相位差而产生干涉现象。
利用光纤的干涉、折射等光学效应，检测温度、压力、位移等物理量。
表面等离子体共振传感器
利用表面等离子体的共振效应，检测生物分子、化学物质等。
光学信息处理
全息成像
利用干涉和衍射原理，记录并再现物 体的三维信息。
光计算
利用光学器件实现高速并行计算，具 有速度快、功耗低等优点。
THANKS
感谢观看
大学物理(波动光学知识 点总结)
• 波动光学概述 • 光的干涉 • 光的衍射 • 光的偏振 • 波动光学的应用实例
01
波动光学概述
光的波动性质
01
02
03
光的干涉
当两束或多束相干光波相 遇时，它们会相互叠加， 形成明暗相间的干涉条纹。
大学物理 物理学 课件 波动光学
为定域干涉。
应用：
•测定薄膜的厚度； •测定光的波长；
例8－3．如图所示，在折射率为1.50的 平板玻璃表面有一层厚度为300nm，折 射率为1.22的均匀透明油膜，用白光垂 直射向油膜，问：
1)哪些波长的可见光在反射光中产生 相长干涉? 2)若要使反射光中λ=550nm的光产生相 消干涉，油膜的最小厚度为多少?
黑体辐射、光电效应、康普顿效应
四、光学的分类
• 几何光学
以光的直线传播和反射、折射定律为基础，研究光学仪 器成象规律。
• 物理光学
以光的波动性和粒子性为基础，研究光现象基本规律。
• 波动光学——光的波动性：研究光的传输规律及其应用的 学科
• 量子光学——光的粒子性：研究光与物质相互作用规律及 其应用的学科
*②若把整个实验装置置于折射率为n的介质中，
明条纹： =条纹： =n(r2-r1)=±(2k+1)λ/2 k=0,1,2,3,…
或 明条纹：r2-r1=2ax/D=±kλ/n=±kλ’ k=0,1,2,…
暗条纹：r2-r1=2ax/D=±(2k+1)λ/2n
本章学习内容：
波动光学：光的干涉、衍射、偏振
光的干涉和衍射现象表明了光的波动性， 而光的偏振现象则显示了光是横波。光波作为 一种电磁波也包含两种矢量的振动，即电矢量 E和磁矢量H，引起感光作用和生理作用的是其 中的电矢量E，所以通常把E矢量称为光矢量， 把E振动称为光振动。
§8－1 光波及其相干条件
6、讨论
Δx=Dλ/2a
*（1）波长及装置结构变化时干涉条纹的移动和变化
①光源S位置改变： •S下移时，零级明纹上移，干涉条纹整体向上平移； •S上移时，干涉条纹整体向下平移，条纹间距不变。
大学物理波动光学教学课件
偏振的应用与技术
01
光学成像技术
利用偏振现象可以改良光学成像的质量，如通过使用偏振眼镜来消除反
射光的影响，提高观看3D电影的视觉效果等。
02
光纤通讯技术
在光纤通讯中，利用偏振复用技术可以提高传输速率和传输效率，同时
也可以实现更远距离的传输。
03
光学信息处理技术
利用偏振现象可以实现光学信息处理，如光学图像处理、光学模式辨认
实验三：光的偏振实验
实验目的
通过实验视察和分析光的偏振现象，了解光的电磁性质。
实验原理
利用偏振片将自然光转化为偏振光，视察不同角度下偏振光的强度变化。
实验三：光的偏振实验
实验步骤
1. 准备实验器材：自然光源、偏 振片、检测器等。 2. 将自然光源通过偏振片转化为 偏振光。
实验三：光的偏振实验
3. 在检测器上视察不同角度下偏振光 的强度变化。
随着计算机技术和数值计算方法的不断进步，未 来波动光学的研究将会更加深入，有望解决一些 当前难以解决的问题。
未来波动光学将会与量子力学、光子学等领域更 加紧密地结合，有望开辟新的研究领域和应用场 景。
谢谢您的凝听
THANKS
VS
实验结果与分析：通过实验视察到不 同角度下偏振光的强度产生变化，分 析得出这是由于光的电磁性质导致的 。
06
总结与展望
总结
波动光学的基本概念
这部分内容主要介绍了波动光学的定义 、研究内容和研究意义。
波动光学的基本原理和方法
重点讲授了波动光学的基本原理、光 的干涉、衍射和偏振等基本概念，以
及波动光学的基本实验方法。
实验二：光的衍射实验
实验步骤
1. 准备实验器材：单色光源、单缝或圆 孔衍射装置、屏幕等。
波动光学_精品文档
波动光学第一节 光的干涉一、光波的相干叠加1、光波叠加原理：每一点的光矢量等于各列波单独传播时在该点的光矢量的矢量和。
2、光波与机械波相干性比较：（1)相同点：相干条件、光强分布。
（2)不同点：发光机制不同。
3、从普通光获得相干光的方法：(1)分波阵面法：将同一波面上不同部分作为相干光源。
(2)分振幅法：将透明薄膜两个面的反射（透射）光作为相干光源。
4、光程与光程差：（1）光程：即等效真空程：Δ=几何路程×介质折射率。
（2）光程差：即等效真空程之差。
5、光程差引起的相位差：Δφ=φ2-φ1+λ∆∏2，Δ为光程差，λ为真空中波长。
（1）Δφ=2k ∏时，为明纹。
（2）Δφ=（2k+1)∏时，为暗纹。
6、常见情况：（1）真空中加入厚d 的介质，增加（n-1)d 光程。
（2）光由光疏介质射到光密介质界面上反射时附加λ/2光程。
（3）薄透镜不引起附加光程。
二、分波面两束光的干涉1、杨氏双缝实验：（1）Δ=±k λ时，（k=0,1,2,3……）为明纹。
Δ=±（2k-1)2λ时，（k=1,2,3……）为暗纹。
（2）x=λdD k ±时，为明纹。
x=2)12(λd D k -±时，为暗纹。
(k=0,1,2,……) （3）条纹形态：平行于缝的等亮度、等间距、明暗相间条纹。
（4）条纹亮度：Imax=4I1,Imin=0.（5）条纹宽度：λdD x =∆. 2、其他分波阵面干涉：菲涅耳双棱镜、菲涅耳双面镜。
三、分振幅干涉1、薄膜干涉：2sin 222122λ+-=i n n e Δ反（2λ项：涉及反射，考虑有无半波损失） 透Δi n n e 22122sin 2-=（无2λ项） 讨论：（1）反Δ/透Δ=k λ时，(k=1,2,3……）为明纹，（2k+1)2λ时，（k=0,1,2……）为暗纹。
（2）等倾干涉：e 一定，Δ随入射角i 变化。
（3）等厚干涉：i 一定，Δ随薄膜厚度e 变化。
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三、计算题 １．波长为 700nm的红光和一束波长未知的单色可 见光同时通过杨氏双缝实验装置,在屏幕上多数条纹 都是这两种颜色的复合,但是在第三级主极大处出现 了纯红色,求未知光可能的波长。 解：依题意，在第三级主极大的位置红色为第三级明 纹，而此位置对未知波长2光为暗纹，设D为双缝到 屏的距离，a为缝宽， 1 700nm 明纹条件 ax 31 D 2 ax 暗纹条件 2k2 1 得到
S1 e O S2 屏
分析：中央明纹处的两束光的光程差
r2 [ n 1 e r1 ] 0 r2 r1 n 1 e
S
SS 1 SS 2
这里r1、r2分别为S1、S2到中央明纹处的距离。 所以中央明纹向上移动。
原中央明纹O处有
所以有
r1 r2
5
r2 [ n 1 e r1 ] n 1 e
分析：两光束干涉要满足相干条件,由于双缝出来的 两束光颜色不同,即频率不同,所以不产生干涉条纹。
2
2. 在玻璃(折射率n3=1.6)表面镀一层MgF2(折射率 n2=1.38)薄膜作为增透膜. 为了使波长为500nm的光 从空气(折射率n1=1.0)正入射时尽可能减少反射, 薄膜的最少厚度应是 (A) 78.1nm (B) 90.6 (C) 125nm (D) 181nm [ B ] 分析：因为n1<n2<n3，可知该入射光在薄膜上、 下表面反射时均存在半波损失。
2 2 2n2 e 2k2 1 2 2 1 k11 k2 2 2 2
2k1 1 2 5 2k2 1 6
得到
e
k1 3, k2 3
6
膜的最小厚度为
(3 1 / 2)1 32 3 525 592nm 2n2 2n2 2 1.33
反射光最小的条件为 2n2 e 2k 1 2
这里e为薄膜厚度，k为整数。K=0 时膜厚最小为 e 90.6nm 4n2
3
3. 用劈尖干涉法可检测工件表面缺陷，当波长为λ 的 单色平行光垂直入射时，若观察到的干涉条纹如图所 示，每一条纹弯曲部分的顶点恰好与其左边条纹的直 线部份的连线相切，则工作表面与条纹弯曲处对应的 部分 （A）凸起，且高度为λ /4 （B）凸起，且高度为λ /2 （C）凹陷，且深度为λ /2 （D）凹陷，且深度为λ /4 [ C ]
31 2 k2 1 2
D 2
在可见光范围内有k2 4或5 对应 2 600nm或466.7nm 7
２、用波长为500nm的单色光垂直照射到由两块光学 平玻璃构成的空气劈形膜上。在观察反射光的干涉现 象中，距劈形膜棱边L=1.56cm的Ａ处是从棱边算起 的第四条暗条纹中心，（１）求此空气劈形膜的劈尖 角，（２）改用600nm的单色光垂直照射到此劈尖 上仍观察反射光的干涉条纹，Ａ处是明纹还是暗纹？ 解：暗纹条件 2e 2k 1 （1）棱边处k=0是第一条暗纹中心， e 3 4 在第四条暗条纹k=3的膜厚度为 2 劈尖角为 e4 3 4.8 105 rad L 2L 2 2e4 2 3 （2）改用2=600nm光照射，可得 2 2 8 光程差为波长整数倍，所以此时A处为明纹。
2、在空气中垂直入射的白光从肥皂膜上反射，在可见 光谱中630nm处有一干涉极大，而在525nm处有一干 涉极小，在这极大与极小之间没有另外的极小。假定 膜厚是均匀的，则膜的最小厚度为 592nm 。 （肥皂水的折射率为1.33） 分析：光经上表面反射存在半波损失，在下表面反 射无半波损失，则 1 2n2 e k11 明纹条件 暗纹条件 则有：
大学物理规范作业 D13 波动光学（一）
1
一、选择题 1．用白光光源进行双缝实验，若用一个纯红色的滤 光片遮盖一条缝，用一个纯蓝色的滤光片遮盖另一 条缝，则： (A)干涉条纹的宽度将发生改变 (B) 产生红光和蓝光的两套彩色干涉条纹 (C) 干涉条纹的亮度将发生改变 (D) 不产生干涉条纹 ［ D ］
分析：由于同一条纹下的空气薄膜厚度 相同，图中条纹向左弯曲，说明工件表 面向下凹陷。凹陷深度为相邻条纹空气 薄膜的厚度差，即 d dk 1 d k 2
平玻璃Βιβλιοθήκη 空气劈尖工件4
二、填空题 1．如图，在双缝干涉实验中，若把一厚度为e、 折射率为n的薄云母片覆盖在S1缝上，中央明条纹 上 将向__________ 移动；覆盖云母片后，两束相干 -(n-1)e 。 光至原中央明纹O处的光程差为_______
2 2