波动光学
物理学中的波动光学理论
物理学中的波动光学理论波动光学是物理学中的一门重要分支，研究光的波动性质及其与物质相互作用的规律。
本文将从波的性质、光的干涉与衍射以及光的偏振等方面来论述物理学中的波动光学理论。
一、波的性质光是一种电磁波，具有粒子与波动的双重性质。
波的传播速度可以通过元波前观察获得，波的传播包括相位的传播和波的干涉。
波的传播速度与介质的性质密切相关，光在空气中的传播速度约为3×10^8m/s。
二、光的干涉与衍射光的干涉是指光波在相遇处叠加形成明暗相间的干涉条纹。
干涉现象可以通过双缝干涉、薄膜干涉等实验进行观察。
双缝干涉实验中，当两个狭缝之间的距离接近光波的波长时，会出现明暗相间的干涉条纹，这是由于光波的波动性质所引起的。
薄膜干涉则是通过介质边界的反射和折射引起的光的干涉。
光的衍射是指光波通过障碍物或孔径时发生弯曲扩散的现象。
衍射的特点是波传播到达的区域会出现明暗相间的衍射图样。
其中夫琅禾费衍射是波动光学中的重要现象，它是光波通过狭缝或边缘时发生的衍射，产生衍射波前的形状与狭缝的形状有关。
三、光的偏振光的偏振是指光波的振动方向在某一平面内的现象。
常见的偏振光有线偏振光和圆偏振光。
线偏振光是指光波的振动方向在一个平面上，它可以通过偏振镜实现制备。
而圆偏振光则是指光波的振动方向按照圆弧轨迹进行旋转，它可以通过一系列光学元件进行转换获得。
光的偏振现象广泛应用于光学仪器、光通信等领域中。
例如，偏振片可以用于调节显示屏的亮度和对比度，以及减少反光和反射。
偏振光还可以用于测量物质的性质，例如石英晶体的双折射现象。
总结起来，波动光学理论是物理学中研究光波传播和与物质相互作用的重要理论，它包括波的性质、光的干涉与衍射以及光的偏振等方面。
波动光学的研究对于理解光的行为和光学现象具有重要的意义，也促进了光学技术的发展与应用。
随着科技的进步，波动光学理论将会在更多的领域中得到应用和拓展。
物理中的波动光学
物理中的波动光学引言：波动光学作为物理学中的一个重要分支，研究的是光在传播过程中的行为和性质。
它是解释光的传播、衍射、干涉、偏振等现象的基础，对于理解光学现象、应用光学技术具有重要意义。
本教案将以波动光学为主题，探索波动光学的基本概念、原理和实际应用。
一、波动光学概述1. 光的波动性介绍a. 光的本质：电磁波b. 光的波动性体现：干涉、衍射等现象2. 光的传播与波动a. 光的传播介质：真空、介质b. 光的传播速度：光速与介质折射率的关系二、波动光学基本原理1. 光的最小分割单位：光子a. 波粒二象性：光既是粒子又是波动2. 光的波动性质a. 光的特性：波长、频率、振幅b. 光的传播方向：球面波、平面波3. 光的相位和相干性a. 相位差：定性描述光的波形差异b. 相干性：两个或多个光波之间的相位关系4. 光的干涉现象a. 光的叠加原理：干涉现象的基础b. 干涉的分类：分为构造干涉和破坏干涉c. 干涉的应用：光栅、干涉仪、光波导等5. 光的衍射现象a. 衍射的定义：光在通过一个绕过或遮挡障碍物后发生波的传播方向的偏折b. 衍射的特点：产生波动条纹、衍射极限等现象c. 衍射的应用：衍射光栅、衍射成像等6. 偏振光与偏振现象a. 偏振光的特点：仅在一个方向上振动的光b. 偏振现象的发生：透过偏振片、反射、折射等过程发生三、波动光学的实际应用1. 光的干涉与衍射在光学仪器中的应用a. 光学显微镜：干涉衍射成像原理b. 光栅光谱仪：利用干涉衍射原理实现光谱分析c. 激光干涉仪：利用激光的相干性进行精密测量2. 偏振光在光学技术中的应用a. 偏振滤波器：实现光的选择性吸收和透过b. 偏振显微镜：观察和分析材料的结构和性质c. 偏振光干涉仪：测量材料的特性和形貌3. 波动光学技术在通信领域的应用a. 光纤通信：利用光的波导特性传输信息b. 光栅、光波导器件：实现光的调制、分光和耦合等功能四、思考与延伸1. 如何利用波动光学的原理，设计更高效、更精密的光学仪器和设备？2. 波动光学与量子光学有哪些联系和区别？它们在光学研究和应用中的地位如何？3. 波动光学的发展对科技与人类社会有哪些深远影响？如何将其应用于解决现实生活中的问题？结语：波动光学是光学领域中一门重要的学科，对于我们理解光的本质和应用光学技术具有重要的意义。
波动光学
A
P
x
O
C
8
明、暗条纹的讨论
x D P点抵消： =d (2k 1) 或x (2k 1) D 2 2d
k=1﹑2、3﹑…
K=1,2,3,…第一个、第二个、第三个…暗条纹
A
s1 S d M s2
N
r1
P
r2
x
O
D
9
C
明、暗条纹的讨论
x D P点加强： d k 或x k k=0、1﹑2、3﹑……。 D d x D P点抵消： =d (2k 1) 或x (2k 1) k=1﹑2、3﹑…
D 2 2d
屏上相邻明条纹或相邻暗条纹间距为
D xk 1 xk x d
11
讨论
D 条纹间距 xk 1 xk x d
(k 1)
D一定时，若 变化，则 1）d 、
x 将怎样变化？
λ =700nm
12
550nm
400nm
2）、 D 一定时， 条纹间距 x与
起偏：将自然光变成偏振光的过程称为起偏。
起偏器：能够把自然光变成偏振光的光学器件称为起偏器。
偏振化方向：偏振片只允许某一特定方向的光振动通过，这 个方向称为偏振片的透射轴或偏振化方向。
偏振片 自 然 光
偏 振 化 y或x 方 向 偏 振
光
27
竖直方向振动的光强，可以全部通过； 水平方向振动的光强，不能通过； 其它方向振动的光强，有部分可以通过。 自然光通过偏振片后，光强振动方向与偏振化方向相同。 偏振片 自 偏 振 化 y或x 方 向 偏
有半波损失：
波动光学
在夫
实琅
验禾 中费
S
L1
R
L2
P
实衍
现射
③夫琅和费单缝衍射
θ
L1 A L2
φ
S
φ
a
B C 衍射角：θ
P P0 E
单缝衍射公式
asinθ 2k λ 2
asinθ (2k 1) λ 2
k=1,2,3,… 暗纹 k=1,2,3,… 明纹
波带： 狭缝平面分为许多等面积的带状平面。
φ
波带
半波带：作一些平行于AC的平面，使相邻平面之间的 距离等于入射光的半波长即λ/2，则这些平面将单缝处
①空气中的薄膜反射 12 3
n
δ 2nd λ 2
±2k λ 2
±(2k-1) λ
2
k=0,1,2,… 明纹 k=1,2,3,… 暗纹
②光学面上的薄膜反射 1 2 3
n
δ 2nd
±2k λ 2
±(2k-1) λ 2
(n1>n) n1 k=0,1,2,… 明纹 k=1,2,3,… 暗纹
2k 1 λ 2a
f
(明纹位置)
θ
+3
+2
x
x0
+1
-1 -2
O
I
-3
中央条纹间距
x0
λ 2
a
f
条纹间距
x λ f
a
2.光栅衍射
①光栅：大量等间距、等宽的狭缝 构成的光学器件。
缝宽a
光栅常数d=a+b
刻痕宽b
②光栅衍射公式
d
P
θ
P0
E dsinθ =±kλ（k=0,1,2…） 明纹
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 。
THANKS
感谢观看
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
物理学中的波动光学
物理学中的波动光学波动光学是在物理学中独特的分支。
它描述了光的特殊性质，包括光波的性质和如何与介质交互的过程。
它是研究灯光、阴影、色彩和镜头的科学基础。
波动光学作为物理学中的一个领域，它的原理和应用领域具有广泛的应用价值。
本文将详细探讨物理学中波动光学的原理和应用领域。
1. 波动光学的理论基础光的本质是电磁波，可以用波动模型解释。
与其他电磁波一样，光是由电和磁场交替传播的扰动，它们沿着空间中垂直于传播方向的方向震动。
光波经过物理空间的时间性变化，以规律的方式发生偏转。
这些偏转现象都可以通过波动光学解释。
光波的传播速度是非常快的，大约在每秒30万千米的速度下传播。
此外，它还可以在各种介质(如空气、水、玻璃等)中以不同的速度传播。
当光波穿过介质时，由于介质的密度不同，光波的传播速度也会受到影响。
这通常会导致光波的弯曲或偏转，这就是所谓的折射。
除了折射之外，光波还可以发生反射。
当光线遇到一个表面时，如果表面比较光滑，大部分光线将反射回来。
反射现象在镜面和光滑的物体表面上最为常见。
在物理学中，我们还可以通过衍射来了解光波的行为。
当光线通过一个小的孔或棱镜时，它将被分解成宽波谱的颜色。
这种现象被称为衍射，对于比较小和分散的光源来说，衍射现象越严重。
2. 波动光学的应用波动光学领域的研究结果以及技术发展对人类生活的影响是非常深远和广泛的。
以下是一些波动光学在实际生活中的应用：2.1. 摄影近代摄影术的起源正是靠着波动光学的理论来实现的。
在实际应用中，摄影师引导光线，通过相机镜头反射或折射到相片荧幕上，实现影像的捕捉。
随着技术的进步和科学的发展，摄影技术得到了不断的更新，从像片技术到电子影像技术，这些都证明了波动光学在摄影领域中的成功应用。
2.2. 光学设备在物理学领域中，许多光学器具也是基于波动光学的原理进行设计开发的。
例如，各种种类的镜片、光学棱镜、滤光片、激光器等都是波动光学原理所解释的。
2.3. 光纤通讯传统的通信方式都需要依靠电线，这样就会限制其占用空间。
大学物理-第十四章-波动光学
一部分反射回原介质即光线a1， 另一部分折入另一介质，其中一 部分又在Ｃ点反射到Ｂ点然后又 折回原介质，即光线a2。因a1,a2是
从同一光线S1Ａ分出的两束，故
满足相干条件。
S
S1
a
a1
iD
e
A
B
C
a2
n1
n2
n1
31
2 薄膜干涉的光程差
n2 n1
CDAD
sin i n2
跃迁 基态
自发辐射
原子能级及发光跃迁
E h
普通光源发光特 点： 原子发光是断续
的，每次发光形成一
长度有限的波列, 各 原子各次发光相互独
立，各波列互不相干.
10
3.相干光的获得：
①原则：将同一光源同一点发出的光波列，即某个原子某次 发出的光波列分成两束，使其经历不同的路程之后相遇叠加。
S2
r2
P
20
为计算方便，引入光程和光程差的概念。
2、光程
光在真空中的速度 光在介质中的速度
c 1 00
u 1
u1 cn
介质的 折射率
真空
u n c
介质中的波长
n
n
n n
21
介质中的波长
n
n
s1 *
r1
P
波程差 r r2 r1
k 0,1,2,
x
d
'
d
(2k
1)
k 0,1,2,
暗纹
d
2
k=0,谓之中央明纹，其它各级明（暗）纹相对0点对称分布
医用物理学7波动光学
MRI图像特点
MRI图像具有高分辨率、多参数成像等优点，能够清晰地显示人体 内部的各种组织结构。
PET正电子发射断层扫描技术中波动光学原理
PET基本原理
利用正电子发射体在人体内衰变产生两个方向相反的伽马光子， 通过探测器接收这些光子并经过计算机处理得到图像。
电子显微镜中衍射成像原理
电子显微镜原理
电子显微镜利用高速电子束代替光束作为照明源，通过电磁透镜对电子束进行聚焦和成 像。由于电子的波长比光波短得多，因此电子显微镜具有更高的分辨率，能够观察更细
微的结构。
衍射成像在电子显微镜中的应用
在电子显微镜中，衍射成像是一种重要的成像方式。当电子束通过样品时，会与样品中 的原子发生相互作用，产生散射电子。这些散射电子经过电磁透镜的聚焦，在荧光屏上
医学应用
利用牛顿环测量技术可以检测光学元 件表面的反射性能和光学质量，对于 生物医学成像系统中的光学元件质量 控制具有重要意义。
干涉显微镜在生物医学中应用
干涉显微镜原理
利用干涉技术将微观物体的相位信息转换为可观测的强度信息，从而提高显微镜 的分辨率和对比度。
生物医学应用
干涉显微镜可用于观察生物细胞的形态、结构和动态过程，如细胞分裂、蛋白质 合成等。同时，还可用于生物医学研究中的荧光标记、蛋白质相互作用等领域。
VS
在医学中的应用
OCT技术具有高分辨率、非接触、无创等 优点，因此在医学领域得到了广泛应用。 它可以用于眼科检查，如视网膜病变、青 光眼等疾病的诊断；也可以用于皮肤科检 查，如皮肤癌、皮肤炎症等疾病的诊断。 此外，OCT技术还可以用于内窥镜检查、 牙科检查等领域。
医用物理学波动光学
用于疾病诊断、治疗监测和生物医 学研究等领域，如血氧饱和度监测 、癌症早期检测等。
03
波动光学在诊断与 治疗中应用
干涉法在医学诊断中应用
1 2 3
相干光干涉测量
利用相干光干涉原理，通过测量干涉条纹的移动 或变形，对生物组织或器官进行高精度、非接触 式的测量。
光学相干层析成像（OCT）
利用低相干干涉原理，获取生物组织内部结构的 二维或三维图像，用于眼科、皮肤科等领域的疾 病诊断。
干涉测量技术
利用光的干涉原理，通过测量干涉条纹的移 动或变形，实现对物体表面形貌或内部结构 的超分辨测量。
非线性光学在生物医学中应用前景
多光子显微镜
利用非线性光学效应，如双光子或三光子吸收，实现深层组织或细 胞的高分辨率成像，为生物医学研究提供有力工具。
光遗传学
结合非线性光学和遗传学技术，通过光控基因表达或细胞功能，实 现对生物体行为的精确调控和研究。
眼前节检查
利用偏振光照射眼前节，观察其房水、晶状体和玻璃体的透明度和 偏振状态，可以判断是否存在炎症、浑浊等病变。
激光治疗原理及实践
激光与生物组织的相互作用
激光照射生物组织时，会产生热效应、光化学效应和机械 效应等相互作用，这些效应可以用于疾病的治疗。
激光治疗原理
根据疾病的类型和严重程度，选择合适的激光参数（如波 长、功率、脉宽等），利用激光与生物组织的相互作用， 达到治疗疾病的目的。
显微镜种类
包括光学显微镜、电子显 微镜等，其中光学显微镜 又可分为透射式、反射式 等。
医学应用
用于观察细胞、组织、微 生物等微观结构，进行疾 病诊断和治疗。
激光在医学领域应用
激光原理
利用受激辐射产生的光放 大现象，具有单色性、方 向性、相干性等特点。
第14章-波动光学
39
14-6 单缝衍射
二 光强分布
bsin 2k k
b sin
(2k
2 1)
2
干涉相消（暗纹） 干涉加强（明纹）
I
3 2
bb b
o 2 3 sin
bbb
40
14-6 单缝衍射
S
L1 R
b
L2
Px
x
O
f
I
当 较小时，sin
x f
3 2 o 2 3 sin
b
b
栅）；偏振
1
第十四章 波动光学
14-1 相干光 14-2 杨氏双缝干涉 光程 14-3 薄膜干涉 14-4 迈克尔逊干涉仪 14-5 光的衍射 14-6 单缝衍射 14-7 圆孔衍射
光学仪器的分辨本领
14-8 衍射光栅 14-9 光的偏振性 马吕斯定律 14-10 反射光和折射光的偏振 *14-11 双折射现象 *14-12 旋光现象 14-13 小结 14-14 例题选讲
1）劈尖 d 0
Δ 为暗纹.
2
(k 1) （明纹）
d 2 2n k 2n （暗纹）
25
14-3 薄膜干涉
2）相邻明纹（暗纹）间的厚度差
di1
di
2n
n
2
3）条纹间距（明纹或暗纹）
D L n 2
b
b D n L L
2n
2b 2nb
b
n1 n
L
n n / 2 D
n1
b 劈尖干涉
b
b
b
b
3 f 2 f f
bbb
f b
2 f b
3 f b
x
41
14-6 单缝衍射
波动光学
第一节 波的干涉
1.1 光波 光的相干性
杨氏双缝干涉
光波：光是一种电磁波。光矢量是指电场强度E。 单色光：具有单一频率或波长的光。 非相干光：不能产生干涉的光叫做非相干光。 1.2 杨氏双缝干涉
1. 相干光的获得：同一光源在同一波阵面上的两个子 波源。
2、实验现象－－在接收屏上接收到一组等距的明、暗 相间的直条纹。 P r
1
3、分析 1）两列子波在P点相遇，空间 r2 r1 距离差为 由空间距离所产生的相位差为
S1
d
r2
x
S2
D
xd D
2 x d D
2）两列子波在P点相遇，产生明条纹的条件
D 2 x d 2k 即 x k d D
k 0, 1, 2
两束相干光的光程差
2h
2
2h是由于空间隙的厚度所产生的光程差，/2是附加光 程。光从光疏媒质进入光密媒质时要产生一个的相位 突变，对应于相位的光程是 /2 ，叫半波损失。 产生明条纹的条件： 2h 产生暗条纹的条件： 2h
2
k 2k 1
1）若单色光的波长一定，双缝间的间距d增大或双缝 至屏的距离D变小即条纹变密。 2）若d和D一定，则光波的波长越长，条纹间距超期 在。即红光的间距最大，紫光的间距最小。
第二节
2.1 光程：
光程
薄膜干涉
光在介质中传播时，其相位的变化不但与几何路程及 光在真空中的波长有关，而且还与介质的折射率有关。
定义：介质折射率与几何路程的乘积定义为光程nr。 由光程所产生的相位 光程差：
2
nr
2.2
波动光学 知识点总结
波动光学知识点总结一、波动光学基础理论1.1 光的波动性光既具有波动性，也具有粒子性。
但在波动光学中，我们更多地将光看作是一种波动。
光的波动性表现为它的波长、频率和波速等特性。
光的波动性对光的传播和相互作用提供了理论基础。
1.2 光的主要波动特性在波动光学中，我们需要了解光的一些主要波动特性，如干涉、衍射、偏振等。
这些特性是光学现象的基础，也是波动光学理论的重要内容。
1.3 光的传播规律波动光学还研究光的传播规律，如菲涅尔衍射、菲涅尔-基尔霍夫衍射等。
这些规律描述了光在不同介质中传播时的行为，为我们理解光学器件的原理和应用提供了基础。
二、干涉2.1 干涉现象干涉是波动光学的重要现象，它描述了两个或多个光波相遇时的相互作用。
我们可以通过干涉实验来观察干涉现象，如杨氏双缝干涉、薄膜干涉等。
2.2 干涉条纹干涉条纹是干涉现象的主要表现形式，它是由干涉光波在空间中的相互叠加而形成的明暗条纹。
通过研究干涉条纹，我们可以了解光的波动规律和光的相位特性。
2.3 干涉的应用干涉在科学研究和技术应用中有着广泛的应用，如干涉测量、干涉成像、干涉光谱等。
通过干涉技术，我们可以实现对光学性质和光学器件的精密测量和分析。
三、衍射3.1 衍射现象衍射是波动光学中的重要现象，它描述了光波在通过障碍物或孔径时的传播规律。
我们可以通过衍射实验来观察衍射现象，如单缝衍射、双缝衍射等。
3.2 衍射图样衍射图样是衍射现象的表现形式，它是光波经过衍射产生的明暗图案。
通过研究衍射图样，我们可以了解光波的传播特性和光的波前重构规律。
3.3 衍射的应用衍射在光学成像、光学通信、激光技术等领域有着重要的应用价值。
通过衍射技术，我们可以实现对微小结构的观测和分析，也可以实现光的调制和控制。
四、偏振4.1 偏振现象偏振是波动光学中的重要现象，它描述了光波振动方向的特性。
在偏振现象中，我们可以了解线偏振、圆偏振和椭圆偏振等不同偏振状态。
4.2 偏振光的特性偏振光具有独特的性质，如光振动方向的确定性、光强的调制特性等。
第九章波动光学
D 亮纹 x k 0 d D 0 暗纹 x (2k 1) d 2
讨论 相邻明条纹中心或相邻暗条纹中心间距
D x k 0 d
D x 0 d
Δx 正比 , 用此可以测波长。
用白光入射，在零级白色中央条纹两边对称排列着 由紫向红的彩色条纹
Effect of wave length on
X-ray
10
2
106 10
1
105 10
0
10
4 -1
10
3
10
2
ห้องสมุดไป่ตู้
10
1
10
0
10
-1
wavelength (nm)
可见光的波长范围是：
= (400—760)nm的窄小范围． 对应的频率范围是： = （7.5 4.3）1014 HZ ．
在可见光范围内，不同频率的光波引起人眼不同的颜色感觉． 760 630 600 570 500 450 430 400(nm))
红
橙
黄
绿
青
蓝
紫
单色光：具有单一频率的光波称为单色光。
可见光七彩颜色的波长和频率范围 光色 波长(nm) 频率(Hz) 中心波长 (nm)
红
橙 黄
760~622
622~597 597~577
3.9 1014 ~ 4.8 1014 4.8 1014 ~ 5.0 1014 5.0 1014 ~ 5.4 1014 5.4 1014 ~ 6.1 1014 6.1 1014 ~ 6.4 1014
x
D x 0 d
D x 0 d
Effect of distance between two slits on x
2024年大学物理波动光学
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。
偏振光具有方向性，其电场矢量只在一个特定方向上振动。
物理学中的波动光学原理
物理学中的波动光学原理波动光学原理是指光在传播过程中表现出的波动性质。
在物理学中，光的波动性质是研究光学中最重要的一部分，它是从牛顿光学和戈斯桥实验中逐渐形成的。
波动光学原理由波动理论和光学理论组成，它涉及到波动现象、干涉、衍射、折射、反射等多个领域，是物理学中非常重要的一部分。
一、波动理论波动理论是指对于一些自然现象中体现出波动性质的物理问题进行研究的一种方法。
在波动理论中，一般会用到波长、频率、振幅等概念来描述波的特征。
在光学中，我们可以用波长来描述光的颜色，用频率来描述光的亮度，用振幅来描述光的强度。
除此之外，波动理论还可以用来解释一些光学现象，如雾虹、色散等等。
二、波动光学的基本原理1.光的干涉现象干涉现象是指多个光波在同一时刻、同一地方相遇并发生变化的现象。
在干涉现象中，颜色、强度、方向等多种因素会发生变化，这也是波动光学理论的基础之一。
干涉现象很容易发生，如在咖啡中加入一些奶泡，可以看到不同颜色的光相互干涉形成彩虹色的泡沫。
2.光的衍射现象衍射现象是指光线经过物体缝隙或过程中遇到障碍物时，光波向周围散发、弯曲的现象。
这种现象是由于光的振动和扰动产生的。
光的衍射现象广泛存在于物理和生活中，它是波动光学理论的重要分支之一。
3.光的折射现象折射现象是指光通过一个介质时，由于介质的折射率受到光的波长、方向等多种因素影响，导致光线变化方向的现象。
折射现象常常发生在气体和液体交界处，如阳光在水面上形成的倒影，就是折射现象的典型例子。
4.光的反射现象反射现象是指光线在表面反射后发生变化的现象。
在反射现象中，光线发生反射会改变其方向，但不会发生任何变色等变化。
反射现象广泛存在于现实生活中，如我们在镜子前看到自己的影像，就是由于反射而产生的。
三、结语波动光学原理是物理学中非常重要的一部分，它与人们的日常生活密切相关。
波动光学原理是复杂而广泛的，它包含了许多不同领域的知识。
但正是由于波动光学原理的存在，我们才能够对光学的应用进行深入的研究和应用。
大学物理物理学波动光学共98张
02 干涉仪原理及应用举例
分波前干涉仪
杨氏双缝干涉
通过双缝将单色光源的波前分割为两 部分，在屏幕上产生明暗相间的干涉 条纹。
菲涅尔双棱镜干涉
洛埃镜实验
通过半透半反镜与反射镜的组合，实 现波前的分割与干涉。
利用双棱镜将波前分割，产生类似于 杨氏双缝干涉的条纹分布。
分振幅干涉仪
薄膜干涉
光线经过薄膜的前后两个表面反 射后产生干涉现象。
根据光波叠加方式的不同 ，干涉可分为相长干涉和 相消干涉。
衍射现象及规律
衍射现象
光波在传播过程中，遇到 障碍物或小孔时，偏离直 线传播路径并绕到障碍物 后面的现象。
衍射的分类
根据障碍物或孔的尺寸与 光波长的关系，衍射可分 为夫琅禾费衍射和菲涅尔 衍射。
衍射的规律
衍射现象遵循惠更斯-菲涅 尔原理，即光波在传播过 程中的每一点都可以看作 是一个新的波源。
辐射现象。
二次谐波产生过程包括基频光的 入射、非线性介质的相互作用和
二次谐波的出射三个步骤。ห้องสมุดไป่ตู้
二次谐波产生效率受到多种因素 的影响，如入射光功率、非线性
介质性质、相位匹配条件等。
参量振荡器和放大器原理
参量振荡器是一种利用非线性光学效应实现光波振荡的器件，具有可调谐性、高效 率等优点。
参量放大器是一种利用非线性光学效应实现光波放大的器件，具有宽带宽、低噪声 等特点。
根据晶体内部原子排列方式和对称性，可将晶体分为七大晶系和十 四种布拉维格子。
晶体中光传播特性分析
光的折射与反射
光在晶体中传播时，会发生折射和反射现象，遵循斯涅尔 定律和菲涅尔公式。
光的偏振
光波在晶体中传播时，其振动方向会受到限制，形成偏振 光。
大学物理之波动光学讲解
晶体衍射在材料科学、化学、生物学等领域有广泛应用。例如，通过X射线晶体 衍射可以确定物质的晶体结构、化学成分等信息。
04
傅里叶光学基础知识
傅里叶变换在波动光学中应用
描述光波传播
通过傅里叶变换，可以将光波分 解为不同频率的平面波分量，从 而更直观地描述光波在空间中的
传播。
分析光学系统
利用傅里叶变换，可以对光学系统 的传递函数进行分析，进而研究光 学系统对光波的传播和变换特性。
04
振幅、频率与相位关系
对于同一光源发出的光波，其 频率相同，但振幅和相位可能 不同。当两束或多束光波叠加 时，它们的振幅和相位会影响 干涉条纹的分布和明暗程度。
偏振现象及偏振光类型
偏振现象
光波在传播过程中，其振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振。只有横波才能发生偏 振现象。
偏振光类型
根据光波振动方向与传播方向的关系，可将偏振光分为线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光 。其中，线偏振光的振动方向与传播方向垂直；圆偏振光的振动方向与传播方向成螺旋状 ；椭圆偏振光的振动方向与传播方向成椭圆形。
偏振光的产生与检测
偏振光可以通过反射、折射或特定晶体等产生。检测偏振光的方法包括使用偏振片、尼科 耳棱镜等。
02
干涉现象与原理
双缝干涉实验及结果分析
03
实验装置与步骤
结果分析
干涉条件
使用激光作为光源，通过双缝装置，在屏 幕上观察到明暗相间的干涉条纹。
双缝干涉实验结果表明光具有波动性，明 暗相间的干涉条纹是光波叠加的结果。
空间频率域与时间频率域的联系
光波作为一种电磁波，其空间频率和时间频率之间存在内在联系。在波动光学中，可以通过傅里叶变换将光 波从空间域转换到频率域，或从时间域转换到频率域，从而揭示光波在不同域中的传播和变换特性。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
１波动光学一.选择题1．双缝间距为2mm ，双缝与屏幕相距300cm ，用波长为06000A 的光照射时，屏幕上干涉条纹的相邻两明纹的距离是（ ）。
A 4.5mmB 0.9mmC 3.12mmD 4.15mm 2．在同一媒质中两列相干光的强度之比421=I I 是，则两列相干光的振幅之比是：（ ）A=21A A 4 B =21A A 2 C =21A A 16 D =21A A 413．一束光强为0I 的自然光，相继通过三个偏振片P 1、P 2、P 3后，出射光的光强为0/8I I =，已知P 1和P 3的偏振化方向相互垂直，若以入射光为轴，旋转P 2，问P 2最少要转过多大角度，才能使出射光的光强为零。
（ ）︒︒︒604530C B A D ︒904．单色平行光垂直照射在薄膜上，经上下两表面反射的两束光发生干涉，如图所示，若薄膜厚度为e, 且n 1<n 2>n 3, 1λ为入射光在n 1中的波长，则两束反射光的光程差为（ ）。
1221121122212212222λλλn e n D n e n Cn e n B e n A ---5．在上题中，若n 1< n 2 < n 3 ，k=0,1,2,3A 满足λλk e n =+222的条件。
反射光消失 B 满足λλk e n =-222的条件。
反射光消失 C 满足λλk e n =+222的条件。
透射光消失 D 满足λλk e n =-222的条件。
透射光消失6．劈尖干涉中干涉条纹是等间距分布的，但牛顿环干涉条纹不是等间距分布的，这是（ ）。
A 因它的条纹是环形 B 因各干涉环对应的厚度不相等 C 因平凸透镜与平玻璃间有空气 D 因平凸透镜曲面上各点的斜率不相等7．有两个几何形状完全相同的劈尖，一个是空气中的玻璃劈尖，一个是玻璃中的空气劈尖。
当以相同波长的单色光分别垂直照射它们时（ ）。
２A 玻璃劈尖的条纹间距比空气劈尖大B 玻璃劈尖的条纹间距比空气劈尖小C 两个劈尖干涉条纹间距相同D 观察不到玻璃劈尖的干涉条纹 8．在相等的时间内，一束波长为λ的单色光在空气和玻璃中（ ）。
A 传播的路程相等，走过的光程不相等B 传播的路程相等，走过的光程相等C 传播的路程不相等，走过的光程不相等D 传播的路程不相等，走过的光程相等 9．波长为λ的单色平行光垂直入射到一狭缝上，若第一级暗纹的位置对应的衍射角为6πθ±=，则缝宽的大小为：（ ）。
A λ/2B λC 2λD 3λ10．根据惠更斯—菲涅耳原理，若已知光在某时刻的波阵面为S ，则S 的前方某点P 的光强度决定于波阵面S 上所有面积元发出的子波各自传到P 点的（ ）。
A 振动振幅之和 B 光强之和 C 振动振幅之和的平方 D 振动的相干叠加11．在单缝夫琅禾费衍射实验中，波长为λ的单色光垂直入射在宽度为a=4λ的单缝上，对应于衍射角为300的方向，单缝处波阵面可分成的半波带数目为（ ）。
A 2个 B 4个 C 6个 D 8个 12．一束自然光照射到某种介质表面，当折射角为6π时，反射光为完全偏振光，则此介质的折射率为（ ）。
A 1.832B 1.732C 1.632D 1.53213.有折射率分别为n 1、 n 2两种介质，当自然光从第一种介质n 1入射到第二种介质n 2时，起偏角为0i ；而自然光从第二种介质入射到第一种介质时，起偏角为0i '；若00i i '>，则两种介质折射率的大小间的关系为：（ ）A n 1 > n 2B n 1 = n 2C n 1 < n 2D 难以判断14．在迈克逊干涉仪的一支光路中，放入一片折射率为n 的透明介质薄膜后，测出两束光的光程差的改变量为一个波长λ，则薄膜的厚度是（ ）。
A2λ B 2n λ C n λ D 2(1)n λ-15.在双缝干涉实验中，为使屏上的干涉条纹间距变大，可以采取的办法是： A 使屏靠近双缝； B 使两缝的间距变小；C 把两个缝的宽度稍微调窄；３D 改用波长较小的单色光源。
16．以白光垂直照射光栅，所得到的一级光谱按衍射角从小到大排列的顺序是（ ）。
A 紫黄红 B 红紫黄 C 黄红紫 D 红黄紫17.在单缝夫琅和费衍射实验中,若增大缝宽,其它条件不变,则中央明条纹（ ）。
A 宽度变小 B 宽度变大C 宽度不变 ,且中心强度也不变D 宽度不变,但中心强度增大 18.自然光以布儒斯特角由空气入射到一玻璃表面上,反射光是（ ）。
A 在入射面内振动的完全偏振光B 平行于入射面的振动占优势的部分偏振光C 垂直于入射面振动的完全偏振光D 垂直于入射面的振动占优势的部分偏振光二．填空题1.获得相干光的途径一般有两种，其中杨氏双缝干涉用到的_____________，薄膜干涉用到的是_____________ 。
2.光程差是把光在介质中通过的路程差按___________相同折合到真空中的路程差。
3.光栅衍射条纹是 与 的总效果。
4.光的偏振是指_____________________________________________的现象。
5．某单色光垂直入射到一个每毫米有800条刻线的光栅上，如果第一级谱线的衍射角为︒30，则入射光的波长应有 。
6．光由空气射入折射率为n 的玻璃．在图所示的各种情况中，用黑点和短线把反射光和折射光的振动方向表示出来，并标明是线偏振光还是部分偏振光．图中.arctan ,00n i i i =≠４7．在空气中有一劈尖形透明物，其劈尖角4100.1-⨯=θ弧度，在波长oA 7000=λ的单色光垂直照射下，测得两相邻干涉明条纹间距0.25l cm =，此透明材料的折射率n = 。
8．若一双缝装置的两个缝分别被折射率为1n 和2n 的两块厚度均为e 的透明介质所遮盖，此时由双缝分别到屏幕上原中央极大所在处的两束光的光程差δ= 。
9．波长为600nm 的单色平行光，垂直入射到缝宽为0.60a mm =的单缝上，缝后有一焦距60f cm =的透镜， 在透镜焦平面上观察衍射图样。
则：中央明纹的宽度为 ，两个第三级暗纹之间的距离为 。
10．用相互平行的一束自然光和一束线偏振光构成的混合光垂直照射在一偏振片上，以光的传播方向为轴旋转偏振片时，发现透射光强的最大值为最小值的5倍，则入射光中，自然光强0I 与线偏振光强I 之比为 。
11．光的干涉和衍射现象反映了光的 性质。
光的偏振现象说明光波是 波。
12．干涉条纹的变化和移动，实质上是由于两相干光的 改变， 每变化一个波长值，条纹的级次就 一级。
13．等倾干涉和牛顿环的干涉图样都是明暗相间、内疏外密的同心圆环。
等倾干涉图样的中央条纹级次 ；随薄膜的厚度变化，中央条纹会出现 现象；牛顿环中央为 级的 纹 14．用两块平玻璃构成劈尖观察等厚干涉条纹，如图（a ）、（b ）所示，若劈尖上表面向上缓慢地平移，则条纹间距 ，条纹向 方向移动。
若把劈尖角逐渐增大，则条纹间距 ，条纹向 方向移动，条纹数目将 。
15．用波长为λ的平行单色光垂直照射在图中所示的装置，观察空气薄膜上下表面反射光形成的等厚干涉条纹。
试在上右图中所示的装置下方的方框内画出相应的干涉条纹，只画暗纹，表示出它们的形状，条数和疏密。
图14题图15题５三．计算题1. 在杨氏双缝实验中，双缝间距0.20d mm =，缝屏间距 1.0D m =，试求： (1)若第二级明条纹离屏中心的距离为6.0mm ，计算此单色光的波长； (2)相邻两明条纹间的距离。
2. 用波长550nm 的单色光垂直照射到相距为1mm 的双缝上，已知屏幕到双缝的距离为2m ，求中央明纹两侧的第八级明纹之间的距离。
3.在双缝装置中，用一很薄的云母片( 1.58)n =覆盖其中的一条缝，结果使屏幕上的第七级明条纹恰好移到屏幕中央原零级明纹的位置．若入射光的波长为5500oA ，求此云母片的厚度。
4.如题4图，波长为6800oA 的平行光垂直照射到L ＝0.12m 长的两块玻璃片上，两玻璃片一边相互接触，另一边被直径d =0.048mm 的细钢丝隔开．求： (1)两玻璃片间的夹角=θ?(2)相邻两明条纹间空气膜的厚度差是多少? (3)相邻两暗条纹的间距是多少? (4)在这0.12 m 内呈现多少条明条纹?5.有一玻璃劈形膜，玻璃的折射率为1.50，劈形膜的夹角为5.0×10-5rad ，用单色光正入射，测得干涉条纹中相邻暗纹间的距离为3.64×10-3m ，求此单色光的波长。
6．利用迈克耳逊干涉仪可测量单色光的波长．当1M 移动距离为0.322mm 1024条，求所用单色光的波长。
7．单缝宽0.10mm ，透镜焦距为50cm ，用5000=λoA 的绿光垂直照射单缝．求：位于透镜焦平面处的屏幕上中央明条纹的宽度和半角宽度各为多少?8.有一单缝，逢宽0.30mm ，缝后透镜焦距为0.80m ，用平行橙光6100A ︒垂直照射单缝。
求：（1）屏幕上中央明纹宽度；（2）第三级明纹中心到中央明纹中心的距离。
图4题６9. 用5900=λoA 的钠黄光垂直入射到每毫米有500条刻痕的光栅上，问最多能看到第几级明条纹?10. 已知天空中两颗星相对于一望远镜的角距离为64.8410rad -⨯，它们都发出波长为5500A ︒的光，试问望远镜的口径至少要多大，才能分辨出这两颗星?11. 使自然光通过两个偏振化方向夹角为60o 的偏振片时，透射光强为1I ，今在这两个偏振片之间再插入一偏振片，它的偏振化方向与前两个偏振片均成30o ，问此时透射光I 与1I 之比为多少?12.一束自然光从空气入射到平面玻璃上，入射角为58o ，此时反射光为偏振光。
求此玻璃的折射率及折射光的折射角。
标准答案：一.选择题1B 2B 3B 4C 5B 6D 7B 8D 9C 10D 11B 12B 13C 14D 15B 16A 17A 18C二.填空题1.分波面的方法，分振幅的方法2.相位变化3. 单缝衍射，多缝干涉4. 光波的振动方向相对传播方向的不对称性5. 1/1600(mm)=6250oA6.解：见图．７7. 1.408.(n 1-n 2)e 或 (n 2-n 1)e 均可 9. 1.2mm; 3.6mm 10. 1/211.波动性；横波； 12.光程差；光程差；增加或减小 13.最高； “吞”“吐”环； 零； 暗14.不变； 劈棱； 变小； 劈棱； 增多 15.三．计算题1.解: (1)由λk d Dx =明知，λ22.01010.63⨯⨯=， ∴ 3106.0-⨯=λmm oA 6000=(2) 3106.02.010133=⨯⨯⨯==∆-λd D x mm 2．解 根据杨氏双缝干涉明纹公式，可以得到中央明纹两侧的第八级明纹之间的距离为m d D k x x k 0176.0101105502822239=⨯⨯⨯⨯⨯===∆--λ 3.解: 设云母片厚度为e ，则由云母片引起的光程差为e n e ne )1(-=-=δ按题意 λδ7=∴ 610106.6158.1105500717--⨯=-⨯⨯=-=n e λm 6.6=m μ4.解: (1)由图知，d L =θsin ，即d L =θ８故 43100.41012.0048.0-⨯=⨯==L d θ(弧度) (2)相邻两明条纹空气膜厚度差为7104.32-⨯==∆λe m(3)相邻两暗纹间距641010850100.421068002---⨯=⨯⨯⨯==θλl m 85.0= mm (4)141≈=∆lLN 条 5.解 根据劈尖干涉相邻暗条纹之间的距离公式 l =λ/(2nsin θ)≈λ/2n θ可得入射光的波长为 λ= l 2n θ 代入数据λ= 2 l n θ=2×3.64×10-3×1.50×5.0×10-5=5460×10-10m6.解: 由 2λNd ∆=∆得 102410322.0223-⨯⨯=∆∆=N d λ 710289.6-⨯=m 6289=oA7.解：中央明纹的宽度为2x f aλ∆=半角宽度为1sinaλθ-=3310100.51010.01050005.02---⨯=⨯⨯⨯⨯=∆x m33101100.51010.0105000sin ----⨯=⨯⨯=θ rad 8.解 （1）把已知数据代入单缝衍射中央明条纹的宽度公式，可得m a f l 331001025.3103.01061008.022---⨯=⨯⨯⨯⨯==λ９（2）对于第三级明纹2/72/)132(sin λλθ=+⨯=a 所以a 2/7sin λθ=故第三级明纹到中央明纹中心的距离为 7sin 2f x ftg f aλθθ∆=== 代入数据，得103370.8610010 5.691020.310x m ---⨯⨯⨯∆==⨯⨯⨯ 9.解：5001=+b a mm 3100.2-⨯= mm 4100.2-⨯=o A由λϕk b a =+sin )(知，最多见到的条纹级数max k 对应的2πϕ=,所以有39.35900100.24max ≈⨯=+=λba k ，即实际见到的最高级次为3max =k .10.解：由最小分辨角公式Dλθ22.1=∴ 86.131084.4105.522.122.165=⨯⨯⨯==--θλD cm 11.解：由马吕斯定律ο20160cos 2I I =80I= 32930cos 30cos 20ο2ο20I I I ==∴25.2491==I I12.解根据布儒斯特定律可以知道，当自然光以布儒斯特角入射时，反射光为偏振光，因而布儒斯特角为i=580，玻璃的折射率为n=tg580=1.6反射光与折射光垂直，所以折射角为900-580=320１０。