波动光学
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 。
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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
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。
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。
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。
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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。
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。
波动光学
波动光学基于光的波动性去研究光在传播过程中的各种现象及其应用的学科。
波动光学的主要研究内容包括光的干涉、衍射和偏振。
波动光学与量子、分子光学统称物理光学。
第十七章 光的干涉 §17.1 光源 单色光 相干光一、光源热光源、冷光源、荧光物质、磷光物质热光源：大量分子和原子在热能的激发下辐射电磁波，发光时间在10-8秒数量级，波列长度在1米数量级。
热光源在恒定温度下存在确定的宏观规律：如发射的总功率一定，能量按各种波长的分布也一定。
二、光的单色性：可见光的波长在4000-7600，亦即频率在4.3*1014-7.5*1014Hz 之间的电磁波。
具有一定频率的光称为单色光 复色光以及光的色散 单色光的获得 三、光的相干性波的干涉现象：已知两列机械波相遇发生干涉的条件是：振动频率相同、振动方向相同、位相相同或位相相差恒定。
对于光波，振动矢量（简称光矢量），主要是指电场E 。
对实际光的相干条件：1.频率相同的两光波在相遇点有相同的振动方向和固定的位相差；（必要条件）2.两光波在相遇点所产生的振动的振幅相差不悬殊；3.两光波在相遇点的光程差不能太大。
例：已知：两列相干光振幅表达式为：()()212021101cos ,cos φωφω-=-=t E E t E E解：合成光矢量21E E E +=因两光矢量是同方向的()θω-=+= t cos 021E E E E其中：()2201102202101220102202100cos cos sin sin cos 2φφφφθφφE E E E arctg E E E E E ++=-++=在观察的时间间隔)(光的振动周期>>ττ内，平均光强I 是正比于20E 的，即：()[]()dtE E E E dtE E E E dtE E I ⎰⎰⎰-++=-++==∝τττφφτφφττ12201022021001220102202102020cos 12cos 211对非相干光()21220210200120cos I I I E E E dt +=⇒+=⇒=-⎰τφφ对相干光两束光有恒定的位相光（12φφφ-=∆） 合成后光强度为：()122121cos 2φφ-++=I I I I II 与位相差有关，屏幕上各点的强度重新分布 有些地方：21I I I +<；有些地方21I I I +> 若I 1=I 2，[]2cos 4)cos(12211∆Φ=∆Φ+=I I I 讨论：当Δф=0，±2π，±4π，… 时 I=4I 当Δф=±π，±3π，… 时 I=0 四、相干光的获得普通两光源的光波不能满足相干条件，而来自同一光源的两束相干光，相当于来自两个位相等或位相差恒定的光源，这一对光源称为相干光源。
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D ; I I1 I 2 2 I1 I 2 cos d 四、两相干光干涉的一般条件
半波损失
波的叠加： 干涉 分段振动 驻波 没有相位的传播 没有能量的单向传播 多普勒效应
k
五、薄膜干涉 劈尖 l
d
干涉相长 ( 2k 1)
n 2 牛顿环 r暗 = kRn 2(n 1)d N 迈克尔逊干涉仪 2l N
F. Y. Meng
2 x 0 )
u
2
k
称为波矢
三、波的能量、强度
振动动能 + 形变势能 能量密度：w能 = 波的能量
wk w p 2 A2 sin2 (t kx )
适用于所有 弹性行波
平均能量密度：
w能
1 T 1 w能dt 2 A2 T 0 2
振动频率为 v0 的声波波源S静止于水平地面某处，骑车者B于 S相距L。t=0开始，B沿着垂直于此时B、S连线方向以水平速 度 v 运动，如图所示。已知声波在空气中的传播速度 u > v ， 则而后t时刻B的接受频率v(t)= ，从 t=0到t时 刻期间，B接收到的振动次数N(t)= 。（2008）
xd d 2 A cos cos t u 2 u 2
o
x
d
N
x
墙 面 p
波节 ？ x d、d
2
、d 、 d k
2
F. Y. Meng
F. Y. Meng
五、 多普勒效应
参考系 : 媒质 符号规定 : 以波传播方向为正方向 Vs , VR 与波速方向相同为正；反之为负 S：波源振动频率 ——媒质中质点的振动频率 ：波的频率 R：接收频率 ——单位时间内接收到的完整波数
若S和R的运动在二者连线上
R
u VR u VS S
若取u永远为正值，则VR、 Vs与u方向相同，取为正； 反之，取为负值。
若S和R的运动不在二者连线上
VS VR
S ·
S
R
R
·R
u VR cos R S u VS cos S
F. Y. Meng
F. Y. Meng
F. Y. Meng
4
波动光学
光的干涉
相干光条件：频率相同，振动方向相同，相位差一定 光的相干叠加： I I1 I 2 2 I1 I 2 cos r1
杨氏双缝干涉
x
n(r2 r1 )
2
半波损失 – 光由波疏介质到波密介质界面反射时 干涉相长 k 2k ( 2k 1) 干涉相消 (2k 1)
2
x
4
正向行波
反向行波
合成的驻波可表述成 2 1 2 3 2 2 A0 x cos t cos
4
条件：两列相干波
振幅相等 发生干涉 相向传播
x=
处均为驻波的波腹点。（2009）
1 k ( k 0, 1, 2 ) 2
I w能 u
I w能 u 弹性行波：
时刻波形 未起振的体积元
形变最大
振速 最大
1 1 u 2 A2 Z 2 A2 2 2
球面波
y
平面波
A1 A2
A A( r ) 0 r
抖 动
在均匀的不吸收能量 的介质中传播的平面 波的振幅保持不变
A0 r cos ( t ) 0 r u
入射波
d d y反p A cos ( t ) A cos t u u
y驻 y入 y反
x 2d y反 A cos t u u x y入 A cos ( t ) u
2 x) 0 简谐波函数 y( x , t ) A cos ( t
波的能量： 平均能量密度 平均能流密度 惠更斯原理、波的衍射
波 动
光的干涉 一、光的相干条件 2 二、光程差与位相差的关系 三、杨氏双缝干涉 x
1 2 A2 2 1 I wu 2 A2u 2 w
1
u u vS 0
S
L
B
2
u vB u 0
t L2 v 2 t 2 L N ( t ) ( t )dt t 0 0 u
F. Y. Meng
R
u VR cos R S u VS cos S
(x0) (x0) (x0)
x d ) y入p A cos ( t ) u u
d y反p A cos ( t ) u
F. Y. Meng
F. Y. Meng
3
例解
例解
y
dx d y反 A cos t u u x 2d A cos t u u
·
r2
P
r2 r1 d sin d
d
D
d sin k D o x k
d
x D
明条纹 的位置
(k 0,1, 2,...) 中央明纹
Imax I1 I 2 2 I1 I 2
讨论光的干涉的一般思路:
2
I
相邻明条 x D d 纹的距离
常规的杨氏双孔干涉的实验装置和相关参量如图所 示，屏幕上中央区域相邻两条亮纹的间距为 。 用开孔的直角挡板和直线“屏幕”构成的双孔干涉 装置，以及 45 方向入射的平行光束，如图2所示。x 轴上O点附近相邻两个亮点的间距近似为 。 （2011） b 2 a
（ 2007）
四、波的叠加 干涉
驻波
1. 波传播的独立性、叠加原理 在几列波相遇而相互交叠的区域中，某点的振动是 各列波单独传播时在该点引起的振动的合成 2. 波的干涉
两列（或多列）相干波叠加后，合振幅和合强度将在空 间形成一种稳定的分布，即某些点上的振动始终加强， 某些点上的振动始终减弱。
A02 I 0
I ( r ) I ( r0 )e ( r r0 )
A( r )
1 ( r r0 ) r A0e 2 r0
A2 ( x ) I 0 e x
A( x ) A0e
1 x 2
3. 相干条件 频率相同、振动方向相同、相位差恒定
F. Y. Meng
F. Y. Meng
各处振幅不等，有波腹和波节 相邻波腹(节)间距？
F. Y. Meeng
例
将音叉置于盛水的玻璃管口，调节管中水面的高度， 当管中空气柱高度L从零连续增加时，发现在 L=0.34m 和1.03m时产生相继的两次共鸣，由以上数 据算出声波在空气中的传播速度。 共鸣发生原因：水面反射声波与 入射声波在管中空气柱内形成驻 波，且在水面形成波节，在管口 形成波腹。
F. Y. Meng
F. Y. Meng
一折射率为 n 1.5的透明薄膜，厚度为 d 6.0 104 cm ， 将此薄膜放置在杨氏双缝干涉装置的一条狭缝之后， 若取正入射，光源波长为 5000 A ，则从两狭缝到 接受屏中央点的光程差为 cm，与未放置 薄膜前的干涉条纹相比，接收屏上的干涉条纹移动了 条。（2010）
2
5. 驻波
各质点的振幅分布规律恒定，形成一种非定向传播的波 干涉区域中形成驻波
波 腹 波 节
cos t x 在x轴上传播的三列纵波 1 A0
2
2 A0 cos t
2
x
2
3 2 A0 cos t
4. 干涉规律
r r A A1 A2 2 A1 A2 cos 2 1 2π 2 1 相干叠加： I I1 I 2 2 I1 I 2 cos 2 2 1 ( r2 r1 ) 波程差
2 2 2
微波探测器P位于湖岸水面上方h处，发射波长为 的电 磁波的射电星位于地平线上方 角时，图中所示的直射 波线1和反射波线2之间的波程差 。已 知h=0.5m， =21cm，在 从接近零度开始增大的过程 中，P接收到的信号第一次达到极大值时， 。 (2007)
2k
干涉相长 k
h h cos 2 sin sin 2
1 P
h
2
( 2k 1) 干涉相消 (2k 1)
2
2h sin sin
2
4h
0.105
F. Y. Meng
2
F. Y. Meng
F. Y. Meng
F. Y. Meng
1
能量密度
如何理解平衡位置处动能和势能最大？ 如：将一软绳（弹性媒质）分成许多小的质元 在波动中，各体积元产生不同程度的 弹性形变
上 下 形变最小
振速 最小
三、波的能量、强度
波的强度 (平均能流密度)
I 的单位：W.m-2 Z称介质的 特性阻抗 u S x u
D 1.22
二、平面简谐波函数
波速 u O x
任一点 P
y f ( x, t )
x
d sin k1；R kN
缺级条件 k1
d k2 a
y( x , t ) A cos( t