波动光学基础优秀课件
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衍射、偏振等问题。
第12章 波动光学基础
本章内容：
§12.1 光的相干性 §12.2 分波面干涉 §12.3 分振幅干涉 §12.4 惠更斯－菲涅耳原理 §12.5 单缝的夫琅禾费衍射 §12.6 圆孔的夫琅禾费衍射 §12.7 衍射光栅及光栅光谱 §12.8 X射线衍射 §12.9 光的偏振
§12.1 光的相干性
四、量子光学时期
19世纪末到20世纪初，光学的研究深入到光的发生、光和物 质的相互作用的微观结构中。一些新的实验，如热辐射、光电效 应和康普顿效应等，用经典电磁波理论都无法解释。
普朗克（Planck） 爱因斯坦（Einstein） 康普顿（Compton）
1900年普朗克提出辐射能量的量子化理论，成功地解释了黑体 辐射问题。1905年爱因斯坦提出光量子理论，圆满地解释了光电 效应。爱因斯坦的结论于1923年被康普顿的散射实验所证实。
一、光是电磁波
电磁波的产生： 凡做加速运动的电荷都是电磁波的波源
例如：天线中的振荡电流； 分子或原子中电荷的振动
电磁波的描述：
EH//v
y
E
zOH
v
x
平面简谐光波方程：
EAco stcr0
光 强： 光波的平均能流密度称为光强 I E2
二、光的微粒说和波动说
光是一种粒子!
光是一种波!
牛顿(Newton)
惠更斯(Huygens)
1668年英国科学家牛顿（Newton）提出光的微粒说， 1678年荷兰物理学家惠更斯（Huygens）提出光的波动说。
两种学说的争论持续了几个世纪，起初微粒说占优，到19
世纪初，人们对光本质的认识逐渐趋向于波动说。下表例
早在我国先秦时代（公元前400－382年），《墨经》中就详 细论述了光的直线传播、光的反射以及平面镜、凹面镜和凸面镜 的成像规律。而在之后约一百年，古希腊的欧几里德也专门著书 《光学》，对人眼为何能看到物体、光的反射性质、球面镜焦点 等问题进行了探讨。
1621年荷兰科学家菲涅耳（W. snell, 1580~1626）从实验归纳 出反射定律、折射定律，在此基础上诞生了几何光学。
三、光的Hale Waihona Puke Baidu磁学说
光是一种电磁波。
你的预言是对的！
麦克斯韦（Maxwell ）
赫兹（Hertz ）
1860年，麦克斯韦总结出麦克斯韦方程组，得出电磁波在 真空中传播的速度等于光速 c ，从而预言光是一种电磁波。 1888年赫兹用实验证实了麦克斯韦的预言。
通过大量实践可知，红外线、紫外线和X 射线等都是电磁 波，它们的区别仅是频率（波长）不同而已，从而使光的波 动理论成为电磁理论的一部分。
波动光学基础
前言
光学： 研究光的本性、光的传播和光与物质相互作 用等规律的学科。
几何光学：以光的直线传播为基础，研究光 在透明介质中的传播规律。
光学 波动光学：以光的波动性质为基础，研究光 的传播及规律。
量子光学：以光的粒子性为基础，研究光与 物质相互作用的规律。
光学发展史
光是什么?
一、几何光学时期
光电效应
• 光电效应是指：当光 照射在金属表面时有 电子从金属表面逸出。 这一现象是德国物理 学家赫兹(H. Hertz)在 1887年研究电磁波的 性质时偶然发现的。 但是，赫兹只是注意 到用紫外线照射在放 电电极上时，放电比 较容易发生，却并不 知道这一现象产生的 原因。
康普顿效应
• 1923年，美国物理学家康普顿 在研究x射线通过实物物质发生 散射的实验时，发现了一个新 的现象，即散射光中除了有原 波 λ散>长射λλ角0 0的的的XX不光光同，外而其，变波还化长产。的生这增了种量波现随长 象称为康普顿效应(compton effect)。用经典电磁理论来解释 康普顿效应遇到了困难。康普 顿借助于爱因斯坦的光子理论 ，从光子与电子碰撞的角度对 此实验现象进行了圆满地解释.
光的直线传播
波 惠更斯（Huygens）
光的反射
动 托马斯·杨（T.Young） 光的折射
说 夫琅和费(Fraunhofer) 光在折射率大的介质中
菲涅耳（Fresnel）
传播速率小【该结论于1862
傅科（Foucault）
年
被傅科实验所证实】
对光的波动说给予有力支持的几个实验： 1、 1801年托马斯 · 杨（Thomas Young）完成了著名的 “杨氏”实验，并提出了干涉原理； 2、 1809年，马吕斯（Malus）发现了光的横波性；（尽 管马吕斯当时认为他的发现是对波动说有力的驳斥） 3、 1815年，菲涅耳（Fresnel）综合了惠更斯子波假设 和杨氏干涉原理，用次波干涉理论成功地解释了光的直线传 播规律，并且定量地说明了光的衍射图样光强分布规律（如 泊松亮斑）。
从光学发展史可以看出，光的干涉、衍射、偏振 等现象证实了光的波动性，而黑体辐射、光电效应和 康普顿效应等又证实了光的微粒性，光具有“波粒二 相性”（Wave-particle duality）。光在传播的过程中 主要表现出波动性，而在与物质相互作用时主要表现 出微粒性。
本章只讨论光的波动性。即主要研究光的干涉、
举了几个世纪以来两种学说的拥护者，以及它们刚被提出
时的出发点和存在的问题：
支持者
能够解释/无法解释（刚提出时）
牛顿（Newton）
光的直线传播
微 毕奥（Biot）
光的反射
粒 拉普拉斯（Laplace） 光的折射
说 泊松（Poission）
光在折射率大的介质中传播
马吕斯（Malus）
速率小
光的干涉
胡克（Hooke）
黑体辐射
• 1859年，德国物理学家Kirchhoff辐射 定律（law of radiation）指出物体在已 知温度下，辐射能的放射率或吸收率与
物体表面性质有关。而黑色物质对辐射
能具有较大的吸收能力。如果一個物体 在任何温度下能吸收任何頻率的辐射能， 那么这个物体便称为黑体。事实上，完 全黑体并不存在，研究黑体辐射时，常 以人工制成一完全黑体讨论。如图所示， 当外界辐射能经由小孔射于空腔时，此 辐射能经过多次反射后，几乎无机会再 由小孔出现，故可视为辐射能被空腔所 完全吸收，而称之为——黑体。若加热 此物体至某一温度，观察由小孔辐射出 的光谱，其光谱与在同一温度的黑体 （blackbody）完全相同。来自此物体 的辐射称为“黑体辐射”。
第12章 波动光学基础
本章内容：
§12.1 光的相干性 §12.2 分波面干涉 §12.3 分振幅干涉 §12.4 惠更斯－菲涅耳原理 §12.5 单缝的夫琅禾费衍射 §12.6 圆孔的夫琅禾费衍射 §12.7 衍射光栅及光栅光谱 §12.8 X射线衍射 §12.9 光的偏振
§12.1 光的相干性
四、量子光学时期
19世纪末到20世纪初，光学的研究深入到光的发生、光和物 质的相互作用的微观结构中。一些新的实验，如热辐射、光电效 应和康普顿效应等，用经典电磁波理论都无法解释。
普朗克（Planck） 爱因斯坦（Einstein） 康普顿（Compton）
1900年普朗克提出辐射能量的量子化理论，成功地解释了黑体 辐射问题。1905年爱因斯坦提出光量子理论，圆满地解释了光电 效应。爱因斯坦的结论于1923年被康普顿的散射实验所证实。
一、光是电磁波
电磁波的产生： 凡做加速运动的电荷都是电磁波的波源
例如：天线中的振荡电流； 分子或原子中电荷的振动
电磁波的描述：
EH//v
y
E
zOH
v
x
平面简谐光波方程：
EAco stcr0
光 强： 光波的平均能流密度称为光强 I E2
二、光的微粒说和波动说
光是一种粒子!
光是一种波!
牛顿(Newton)
惠更斯(Huygens)
1668年英国科学家牛顿（Newton）提出光的微粒说， 1678年荷兰物理学家惠更斯（Huygens）提出光的波动说。
两种学说的争论持续了几个世纪，起初微粒说占优，到19
世纪初，人们对光本质的认识逐渐趋向于波动说。下表例
早在我国先秦时代（公元前400－382年），《墨经》中就详 细论述了光的直线传播、光的反射以及平面镜、凹面镜和凸面镜 的成像规律。而在之后约一百年，古希腊的欧几里德也专门著书 《光学》，对人眼为何能看到物体、光的反射性质、球面镜焦点 等问题进行了探讨。
1621年荷兰科学家菲涅耳（W. snell, 1580~1626）从实验归纳 出反射定律、折射定律，在此基础上诞生了几何光学。
三、光的Hale Waihona Puke Baidu磁学说
光是一种电磁波。
你的预言是对的！
麦克斯韦（Maxwell ）
赫兹（Hertz ）
1860年，麦克斯韦总结出麦克斯韦方程组，得出电磁波在 真空中传播的速度等于光速 c ，从而预言光是一种电磁波。 1888年赫兹用实验证实了麦克斯韦的预言。
通过大量实践可知，红外线、紫外线和X 射线等都是电磁 波，它们的区别仅是频率（波长）不同而已，从而使光的波 动理论成为电磁理论的一部分。
波动光学基础
前言
光学： 研究光的本性、光的传播和光与物质相互作 用等规律的学科。
几何光学：以光的直线传播为基础，研究光 在透明介质中的传播规律。
光学 波动光学：以光的波动性质为基础，研究光 的传播及规律。
量子光学：以光的粒子性为基础，研究光与 物质相互作用的规律。
光学发展史
光是什么?
一、几何光学时期
光电效应
• 光电效应是指：当光 照射在金属表面时有 电子从金属表面逸出。 这一现象是德国物理 学家赫兹(H. Hertz)在 1887年研究电磁波的 性质时偶然发现的。 但是，赫兹只是注意 到用紫外线照射在放 电电极上时，放电比 较容易发生，却并不 知道这一现象产生的 原因。
康普顿效应
• 1923年，美国物理学家康普顿 在研究x射线通过实物物质发生 散射的实验时，发现了一个新 的现象，即散射光中除了有原 波 λ散>长射λλ角0 0的的的XX不光光同，外而其，变波还化长产。的生这增了种量波现随长 象称为康普顿效应(compton effect)。用经典电磁理论来解释 康普顿效应遇到了困难。康普 顿借助于爱因斯坦的光子理论 ，从光子与电子碰撞的角度对 此实验现象进行了圆满地解释.
光的直线传播
波 惠更斯（Huygens）
光的反射
动 托马斯·杨（T.Young） 光的折射
说 夫琅和费(Fraunhofer) 光在折射率大的介质中
菲涅耳（Fresnel）
传播速率小【该结论于1862
傅科（Foucault）
年
被傅科实验所证实】
对光的波动说给予有力支持的几个实验： 1、 1801年托马斯 · 杨（Thomas Young）完成了著名的 “杨氏”实验，并提出了干涉原理； 2、 1809年，马吕斯（Malus）发现了光的横波性；（尽 管马吕斯当时认为他的发现是对波动说有力的驳斥） 3、 1815年，菲涅耳（Fresnel）综合了惠更斯子波假设 和杨氏干涉原理，用次波干涉理论成功地解释了光的直线传 播规律，并且定量地说明了光的衍射图样光强分布规律（如 泊松亮斑）。
从光学发展史可以看出，光的干涉、衍射、偏振 等现象证实了光的波动性，而黑体辐射、光电效应和 康普顿效应等又证实了光的微粒性，光具有“波粒二 相性”（Wave-particle duality）。光在传播的过程中 主要表现出波动性，而在与物质相互作用时主要表现 出微粒性。
本章只讨论光的波动性。即主要研究光的干涉、
举了几个世纪以来两种学说的拥护者，以及它们刚被提出
时的出发点和存在的问题：
支持者
能够解释/无法解释（刚提出时）
牛顿（Newton）
光的直线传播
微 毕奥（Biot）
光的反射
粒 拉普拉斯（Laplace） 光的折射
说 泊松（Poission）
光在折射率大的介质中传播
马吕斯（Malus）
速率小
光的干涉
胡克（Hooke）
黑体辐射
• 1859年，德国物理学家Kirchhoff辐射 定律（law of radiation）指出物体在已 知温度下，辐射能的放射率或吸收率与
物体表面性质有关。而黑色物质对辐射
能具有较大的吸收能力。如果一個物体 在任何温度下能吸收任何頻率的辐射能， 那么这个物体便称为黑体。事实上，完 全黑体并不存在，研究黑体辐射时，常 以人工制成一完全黑体讨论。如图所示， 当外界辐射能经由小孔射于空腔时，此 辐射能经过多次反射后，几乎无机会再 由小孔出现，故可视为辐射能被空腔所 完全吸收，而称之为——黑体。若加热 此物体至某一温度，观察由小孔辐射出 的光谱，其光谱与在同一温度的黑体 （blackbody）完全相同。来自此物体 的辐射称为“黑体辐射”。