【课件】第1次波动理论光子学说精品版
合集下载
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
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。
【大学课件】波动光学基础PPT资料39页
d
10
(2) 双缝间距 d 为
d D 600 5.893104 5.4mm
x
0.065
例 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
S dA udt w uw dA dt
E H
1 ( E2 1 H 2 )
2
2
1
EH
u
S
dA
坡印亭矢量
S EH
udt
波的强度 I
I S S 1
t T
Sdt
Tt
1
T
t T t
E0H0cos2 (t
r )dt u
1 2
E02
结论：I 正比于 E02 或 H02,
通常用其相对强度 I
求 (1) d =1.0 mm 和 d =10 mm，两种情况相邻明条纹间距分别 为多大？(2) 若相邻条纹的最小分辨距离为 0.065 mm，能 分清干涉条纹的双缝间距 d 最大是多少？
解 (1) 明纹间距分别为
x D 600 5.893104 0.35mm
d
1.0
x D 600 5.893104 0.035mm
§14.3 获得相干光的方法 杨氏实验
获得相干光的方法
1. 分波阵面法（杨氏实验) 2. 分振幅法（薄膜干涉)
一. 杨氏实验（分波阵面法）
• 实验现象
s1
S
s2
明条纹位置 明条纹位置 明条纹位置
• 理论分析
r12
D2
y2
(x
d )2 2
r22
D2
y2
(完整)光的波动性精品PPT资料精品PPT资料
当相干光在空间相遇时，光波产生了稳定的加强或减
弱，并在相遇的空间形成明暗相间的条纹，这种的现象叫
f / (×1014 Hz)
光的干涉。光的干涉证明了光是一种波。 在波峰与波谷叠加的地方，光波互相抵消或削弱，形成暗条纹。
菲涅耳开创了光学的新阶段。 并运用大量工具进行数学运算，使实验数据与计算结果一致， 夜间驾车容易被迎面来车的前灯射花眼。 把带肥皂液薄膜的金属圈放在酒精灯旁适当的位置，使眼睛恰能看到由薄膜反射而生成的黄色火焰的 0×10-4 m 以下时, 光通过狭缝后明显偏离了直线方向，但其边缘模糊，由明区逐渐过渡到暗区。 如果在每辆汽车的车灯和司机座位前车窗上各安装一块偏振片，就可避免对方车灯眩光的影响。 当相干光在空间相遇时，光波产生了稳定的加强或减弱，并在相遇的空间形成明暗相间的条纹，这种的现象叫光的干涉。 在波峰与波谷叠加的地方，光波互相抵消或削弱，形成暗条纹。 偏振是横波区别于纵波的一个重要标志。 1678年荷兰物理学家惠更斯向法国科学院提交了著作《光论》。 在波峰与波谷叠加的地方，光波互相抵消或削弱，形成暗条纹。 与牛顿同时代的荷兰物理学家惠更斯首先提出光的波动说。 在书中，惠更斯把光波假设为一纵波，推导和解释了光的直线传播、反射和折射定律，书中并末提到关于光谱分解为各种颜色的问题。 当时牛顿反对光的波动说，主要是因为当时光的波动说还不能很好解释光的直线传播这一基本事实，也不能解释光的偏振现象。 直到1801年，英国物理学家托马斯·杨进行了著名的杨氏干涉实验，1815年法国物理学家菲涅耳进行的“菲涅耳双镜”实验，才令人信
f / (×1014 Hz) 3.9~4.8 4.8~5.0 5.0~5.2 5.2~6.1 6.1~6.7 6.7~7.5
2. 薄膜干涉
如图，点着酒精
光的波动说与微粒说之争推选PPT资料
也比较好的解释了光的衍射、双折射现象和著名的“牛顿 实验所使用的白屏上明暗相间的黑白条纹证明了光的干涉现象，从而证明了光是一种波。
在这篇论文中，杨氏把光和声进行类比，因为二者在重叠后都有加强或减弱的现象，他认为光是在以太流中传播的弹性振动，并指出
环”实验。 光是以纵波形式传播的。
同时人们也证明了氦原子射线、氢原子和氢分子射线具有波的性质。 1887年，德国科学家赫兹发现光电效应，光的粒子性再一次被证明！ 1663年，英国科学家波义耳提出了物体的颜色不是物体本身的性质，而是光照射在物体上产生的效果。 从此胡克与牛顿之间展开了漫长而激烈的争论。 1663年，英国科学家波义耳提出了物体的颜色不是物体本身的性质，而是光照射在物体上产生的效果。 得出结论：光是一种能够作波浪式运动的流体，光的不同颜色是波动频率不同的结果。
光的波动说与微粒说之争
格里马实验：
让一束光穿过一个小孔，让这
束光穿过小孔后照到暗室里的
一个屏幕上。他发现光线通过
小孔后的光影明显变宽了。格
里马第进行了进一步的实验，
他让一束光穿过两个小孔后照
到暗室里的屏幕上，这时得到
格里马
了有明暗条纹的图像。他认为
这种现象与水波十分相像.
得出结论：光是一种能够作波浪 式运动的流体，光的不同颜色是波动 频率不同的结果。
但科学上的争论就是这样，一旦产生便要寻个 水落石出。
惠更斯的波动说：
1666年，惠更斯应邀来到巴黎科学院以后，并开始了对
牛但顿科修 学改上和的完争物善论了就理他是的这光光样学，学著一作旦的《产光生研学便》要究。寻个。水落惠石出更。 斯认为，光是一种机械波；光波是 一种靠物质载体来传播的纵向波，传播它的物质载体是 1801年，杨氏进行了著名的杨氏双缝干涉实验。
在这篇论文中，杨氏把光和声进行类比，因为二者在重叠后都有加强或减弱的现象，他认为光是在以太流中传播的弹性振动，并指出
环”实验。 光是以纵波形式传播的。
同时人们也证明了氦原子射线、氢原子和氢分子射线具有波的性质。 1887年，德国科学家赫兹发现光电效应，光的粒子性再一次被证明！ 1663年，英国科学家波义耳提出了物体的颜色不是物体本身的性质，而是光照射在物体上产生的效果。 从此胡克与牛顿之间展开了漫长而激烈的争论。 1663年，英国科学家波义耳提出了物体的颜色不是物体本身的性质，而是光照射在物体上产生的效果。 得出结论：光是一种能够作波浪式运动的流体，光的不同颜色是波动频率不同的结果。
光的波动说与微粒说之争
格里马实验：
让一束光穿过一个小孔，让这
束光穿过小孔后照到暗室里的
一个屏幕上。他发现光线通过
小孔后的光影明显变宽了。格
里马第进行了进一步的实验，
他让一束光穿过两个小孔后照
到暗室里的屏幕上，这时得到
格里马
了有明暗条纹的图像。他认为
这种现象与水波十分相像.
得出结论：光是一种能够作波浪 式运动的流体，光的不同颜色是波动 频率不同的结果。
但科学上的争论就是这样，一旦产生便要寻个 水落石出。
惠更斯的波动说：
1666年，惠更斯应邀来到巴黎科学院以后，并开始了对
牛但顿科修 学改上和的完争物善论了就理他是的这光光样学，学著一作旦的《产光生研学便》要究。寻个。水落惠石出更。 斯认为，光是一种机械波；光波是 一种靠物质载体来传播的纵向波，传播它的物质载体是 1801年，杨氏进行了著名的杨氏双缝干涉实验。
第12章-1波动光学(同济大学课件)
51
P b
b
O
光栅方程： (bb)sin k k0,1,2,
理论和实验证明：光栅的狭缝数越多，条纹越明 亮；光栅常量越小，条纹间距越大，条纹越细。
52
相邻两主极大明纹之间是什么？ 假设某一光栅只有6条狭缝。
（1） 当 π 3
P点光振动的合矢量为零 。（暗纹）
（2） 当 2π3
P点光振动的合矢量为零 。（暗纹）
（2） 两列光波所经路程之差为半 波长的奇数倍，则在P点两光振动 反相位，振幅最小，干涉减弱。
11
S1
r1
r2
d
S2
D
P
x S1
O
d
S 2 dsin
两列光波的传播距离之差： r2r1dsin dsink k0,1,2, 干涉加强
dsin2k1 k1,2, 干涉减弱
2
12
S1
r1
r2
d
S2
D
P
x S1
半波带个数与衍射角的关系：
N
b sin
2
结论：衍射角越大，半波带 个数越多。
39
夫琅禾费单缝衍射条纹：
bsin 2 k kk1 ,2 ,3 , 暗纹
2
bsin2k1k1 ,2,3, 明纹
2
• 缝宽 b 越小，衍射角 越大，衍射越显著； • 缝宽 b 越大，衍射角 越小，衍射越不明显；
• 当 b >>λ时，不发生衍射现象。
2n
r kR
n
r
(k0,1,2,) 暗环
32
12-3-3 迈克耳孙干涉仪
M1
M 2 M 1
G2 G1
d N
2
33
P b
b
O
光栅方程： (bb)sin k k0,1,2,
理论和实验证明：光栅的狭缝数越多，条纹越明 亮；光栅常量越小，条纹间距越大，条纹越细。
52
相邻两主极大明纹之间是什么？ 假设某一光栅只有6条狭缝。
（1） 当 π 3
P点光振动的合矢量为零 。（暗纹）
（2） 当 2π3
P点光振动的合矢量为零 。（暗纹）
（2） 两列光波所经路程之差为半 波长的奇数倍，则在P点两光振动 反相位，振幅最小，干涉减弱。
11
S1
r1
r2
d
S2
D
P
x S1
O
d
S 2 dsin
两列光波的传播距离之差： r2r1dsin dsink k0,1,2, 干涉加强
dsin2k1 k1,2, 干涉减弱
2
12
S1
r1
r2
d
S2
D
P
x S1
半波带个数与衍射角的关系：
N
b sin
2
结论：衍射角越大，半波带 个数越多。
39
夫琅禾费单缝衍射条纹：
bsin 2 k kk1 ,2 ,3 , 暗纹
2
bsin2k1k1 ,2,3, 明纹
2
• 缝宽 b 越小，衍射角 越大，衍射越显著； • 缝宽 b 越大，衍射角 越小，衍射越不明显；
• 当 b >>λ时，不发生衍射现象。
2n
r kR
n
r
(k0,1,2,) 暗环
32
12-3-3 迈克耳孙干涉仪
M1
M 2 M 1
G2 G1
d N
2
33
第1章 波动光学基础 1-2 光波的函数表述 物理光学课件
r x x0 2 y y0 2 z z0 2
发散柱面波波函数：
会聚柱面波波函数：
结论：平面波可以看成是构成空间任何复杂波动的基元波。
1 波动光学基础
1.2 光波的函数表述
1.2.4.波前与波面
• １.波前函数
•
广义波前：光波场内任意考察面（平面、曲面）。
•
波前函数：光波场内任意考察面（平面、曲面）上的复振幅分布函数。
S (b) 球面波
θ θθ
图10-10只考虑平面上的复振幅分布时，共轭波有两个
•
若考虑某一平面的复振幅分布，则产生其共轭复振幅
的共轭波有两个。
•例：传播方向平行于xoz平面，且与z轴夹角为θ的平面波在z=0平面上 波前函数的共轭波前函数．
1 波动光学基础
1.2 光波的函数表述
作业三：入射光波是圆频率为ω的平面波
•和
E
E0
cos
k
r t
H H0 cos k r t
E
E0
cos
kr
t
H
r H0
cos kr t
r
• 其中：
•
k 和ω分别为波的空间角频率和时间角频率(又称
•
圆频率)。
E0 , H0
E0 , H0 rr
称为振动的振幅矢量; 把上式中余弦
函数的宗量称为振动的相位。
1 波动光学基础
• 真空中光速
C 1 2.99792 108 m / s
0 0
• 介质中光速
C C rr n
• 介质折射率
n rr
• 对光学波段，近似有 r 1 ，故 n εr
•
折射率是随光波的频率改变的．
第一节早期的微粒说和波动说-精品
具有启发性的观点》的文章。这篇文章从根本上说，
是为了说明不仅辐射的发射和吸收过程是以离散的能
量形式发生的，而且在一定条件下，辐射本身的性质
也好像是由粒子组成的。为此提出了大量的例证，其 中之一就是对光电效应的理论解释。
2020/2/17
2020/2/17
2020/2/17
2020/2/17
2020/2/17
人类对光的本性
的认识
2020/2/17
问题的提出
光学或光的学问最初的出现，是试图回答 为什麽人能够看见周围物体这样一个问题-
-------------光到底是什麽？？？
2020/2/17
2020/2/17
2020/2/17
光的一种基本性质是：
光在同一种均匀物质里是直线传播的
介质表面同时存在的反射及折射现象 光的独立传播规律
2020/2/17
(5) 波动说的困难：理论粗糙 不能解释：光的直线传播
光能够在真空中传播的现象
2020/2/17
2020/2/17
2020/2/17
2020/2/17
2020/2/17
2020/2/17
2020/2/17
2020/2/17
2020/2/17
2020/2/17
2020/2/17
2020/2/17
2020/2/17
麦克斯韦是继法拉第之后，集电
磁学大成的伟大科学家。他依据库仑 、高斯、欧姆、安培、法拉第等前人 的一系列发现和实验成果，建立了第 一个完整的电磁理论体系，不仅科学 地预言了电磁波的存在，而且揭示了 光、电、磁现象的本质的统一性，完 成了物理学的又一次大综合。
2020/2/17
2020/2/17
光的微粒说和波动说ppt课件
5、波动说的进展和胜利的主要事实依据是：
A、1801年英国的年轻医生、物理学家托马斯•杨
（1773——1829）进行了著名的双缝干涉实验，提
出了干涉原理，并解释了光的衍射现象。他ppt课件完整
7
B、菲涅尔（1788——1827）继续了托马斯•杨的工 作，于1815年他用杨氏干涉原理，提出了惠更斯—— 菲涅尔原理，圆满地解释了光在均匀介质中的直线传播， 解释了光的衍射现象，解释了光的偏振现象，肯定了光 是横波的看法。
11
2、通过不断深化、完善和提高 认识，19世纪末，人们终于认识到光 既具有__波__动__性，又具有__粒__子__性
ppt课件完整
12
同学们，再见
ppt课件完整
13
感谢亲观看此幻灯片，此课件部分内容来源于网络， 如有侵权请及时联系我们删除，谢谢配合！
托马斯•杨和菲涅尔等人在当时波动说受冷落的情况 下，以严肃的科学态度和坚持实事求是的原则，向微粒 说进行挑战，使光的波动说得到了新生和发展。
C、1805年法国物理学家傅科（1819——1868）用
旋转棱镜法测定了光在水中的速度小于空气中的速度，
两者的比值近似为3/4，这被认为是判定性的实验。因为
牛顿的微粒说推导出来的水中的光速应当大于空气中的
2、光在真空或空气中的传播速度约 为30万Km/s;
3、光具有能量。
ppt课件完整
3
？ 二、问题
光的本质是什么？
ppt课件完整
4
三、光的学说的发展史简介：
1、原始的光的微粒说：光是沿直线高 速传播的粒子流，人的视觉就是光粒子 进入人的眼睛引起的。（牛顿支持微粒 说）
2、荷兰物理学家惠更斯提出了光的 波动学说：光是某种振动以波的形式向 外传播。
- 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 v2
2H t 2
0
(1 1 15)
2019/11/1
17
4. 边界条件
D1n D2n s
B1n B2n E1t E2t H1t H2t J s
或 n (D1 D2 ) s
或 n (B1 B2 ) 0 或 n (E1 E2 ) 0 或 n (H1 H2 ) Js
磁光效应
波导
电光效应
复用
强光光学效应
传感
调制
偏转
开关
光信号传输
光信号加载
激光与红外 物理学
Q 光载波源 2019/11/1
混频 移频 锁模 调 激光
教材：
2019/11/1
参考书籍：
1. A. Yariv《现代通信光电子学》 或《光电子学导论》或《量子电 子学》
2. 马养武、王静环等《光电子学》 3. 陈天杰《激光基础》 4. 朱京平 《光电子技术基础》
《光电子学教程》
编著作者：张季熊
光电子学:是以光与物质相互作用及其应用为研究对 象的一门内容极其深广的学术分支。 光电子技术:是以光电子学为基础，以光的产生、控 制、传输、光信息处理、转化等有关的器件与系统 为研究对象的新型综合性技术领域。内容包括： 激光技术 导波光电子技术（光子学，光无源器件） 晶体光学与电光器件（电光、磁光、弹光、声光…） 半导体光电子器件物理与技术(LD, LED, EAM, PD…) 聚合物材料与器件 涉及领域：电磁理论，半导体物理，量子力学……
利用激光能量的激光热核聚变及激光能量传输应用
利用激光能量的现代武器装备
2019/11/1
8
第一章 光与物质相互作用基础
§1-1 光的波动理论与光子学说
光的显著特性：波粒二象性——光波既有波动性也有粒子性。
等倾干涉
波动性
干涉
等厚干涉
多光束干涉
衍射
菲涅耳衍射 夫琅和费衍射
t
t
t
（利用1-1-1式）
（J D）
t t
J 2D
t t2
对各向同性介质： D 0E P 0E 0E
P : 介质的极化强度矢量
：介质的极化率
0E(1 ) 0r E E
：相对介电常数
r
：绝对介电常数
2019/11/1
14
左边: （ E）－2E J 2E :右边
t
t 2
(a) 电磁波在无源区传播 J 0, 0
假设：
(b) 介质均匀极化 p P 0
D 0
(0E P) 0 E P 0
4
课程内容
第四部分：激光器件（4周） 第六章 发光器件
第五部分：光波调制（2周） 第八章 光波调制（前3节）
课程特点：内容繁杂，知识点多，涉及面广。
2019/11/1
5
引言
电子学：以电子作为信息的载体。 光电子学：以光子作为信息的载体，研究光与物
质（电子）相互作用的学科。 激光：高相干度、高亮度、发散角小等优点。 优点：载波频率高（光波频率）、传输速度快、
2005 2009
3
课程内容
第一部分：激光原理（6周） 第一章 光与物质相互作用基础 第二章 介质中的光增益 第三章 激光振荡与工作特性
第二部分：光纤波导（2周）（光纤传感器） 第四章 光辐射在介质波导中的传播
第三部分：光电检测（2周） 第五章 光辐射的探测 第七章 光电转换器件
2019/11/1
12
3. 电磁场的波动方程
根据麦克斯韦方程组的第二个方程 E B
t 对方程两边取旋度 (利用附录（2－13）式: A （ A）－2A) 左边： E （ E）－2E
2019/11/1
13
右边： B H H
s B dS 0
环路定理
高斯定理
2019/11/1
10
（2）微分形式
H
J
D t
E
B t
B 0
D
(1 1 1)
(11 2) (11 3) (11 4)
式中：J 为电流密度；为电荷密度。
此方程适用于任何媒质。
E 0
2019/11/1
15
方程可简化为：
2E
2E t 2
0
此即为电场的波动方程
磁场的波动方程
2H
2H t 2
0
(1-1-14) (1-1-16)
2019/11/1
16
介质中光速
v= 1
波动方程可写为：
2
E
1 v2
2E t 2
0
2 H
粒子性：光电效应—在光的照射下材料表面发射电子的现象
2019/11/1
9
一、光的波动学说
1. 麦克斯韦方程组
（1）积分形式
L E dl
s
B t
dS
D
L
H
dl
s
J
t
dS
s D dS q V dv
2019/11/1
11
2. 介质的本构关系
在静止、线性、各向同性介质中：
D E
B H
J
E
0r 式中： 0r
1 电阻
介质的介电常数 介质的磁导率 电导率
麦克斯韦方程组
＋ 初始条件
＋
可确定空间中任一点在 任意时刻的电磁场分布
边界条件
2019/11/1
光信号接收 2
光电子技术 基础：各种技术共同的基本规律
光信号处理
非线性光学 半导体光电子学 导波光学 傅立叶光学
光电子学与光电子技术
光电子学
探测 显示
存储
全息
滤波
共轭
频谱
非线性光学效应 卷积
介质导波效应
相关 逻辑
延迟
放大
补偿
非线性光学效应 整形
发光效应
解调
光电转换效应
反馈
中继
偏振
弹 (声)光效应
隔离 耦合
光电子器件响应快、多通道并行处理能力强、防 电磁干扰及存储能力强。
2019/11/1
6
应用及产业
一、信息应用类
光纤通讯（宽带网）
光通讯
自由空间通讯
光学信息及图像处理
光学传感、探测及测量
光纤传感器
2019/11/1
7
应用及产业
二、能量应用类
利用激光能量进行的各类材料的加工（激光打标）