第13章+波动光学(偏振)_PPT课件
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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
13-3 光的偏振状态
π 2
r
即，
ib r
π 2
反射光和折射光互相垂直 .
注意
对于一般的光学玻璃 ,一次起偏，反射光的强度约占 入射光强度的15% , 大部分光将透过玻璃，一般应用 玻璃片堆产生线偏振光.
i0
思考：
玻璃片下表面
的反射光是线
偏振光吗？
利用玻璃片堆产生线偏振光
讨 论 下列光线的反射和折射光的偏振情况（ib是起偏角）.
线偏振光的符号表示
（2）椭圆偏振光：在垂直于光传播方向的平面内，只有一个光矢量，
随时间以角速度w 旋转，其末端的轨迹是椭圆，在某一固定时刻
t0，光线传播方向上各点对应的光矢量末端的轨迹是螺旋线，这 种光称为椭圆偏振光. 当其末端轨迹是圆时，称为圆偏振光.
在光学中规定：迎着光线 看时，光矢量沿顺时针方 向旋转的光称为右旋光， 反之，为左旋光.
横波：
纵波：
2. 光的偏振状态
光波是横波：光矢量 E 的振动方向垂直于光的传播方向 .
1）自然光：普通光源发出的光，在垂直于光传 播方向的平面内，沿各个方向的光矢量都有， 且各向分布均匀，振幅相等，各光矢量间无
v
E
确定相位关系，这种光叫自然光或非偏振光 .
自然光
自然光的表示：以相互垂直的两个振 幅相等、无确定相位关系的光振动来 表示 , 并各具有一半的振动能量.
A
B
o
e D
C
oe
2. 产生双折射的原因
寻常光线：在晶体中各方向上的传播速度vo均相同； 非常光线：在晶体中的传播速度ve随方向不同而改变.
光轴：在双折射晶体中存在一个特 殊方向，当光线沿这一方向 传播时，o光和e光的传播速 度相同，不发生双折射现象， 称这一方向为晶体的光轴.
波动光学光的偏振课件
详细描述
双折射是指光线在某些特定物质中传播时，由于电磁波的振动方向不同而产生不同的折射现象。实验 中，学生可以使用不同的晶体材料，如方解石、石英等，观察到光的双折射现象，并了解双折射的原 理。
光的偏振态实验
总结词
通过测量偏振光的光强分布，理解偏 振光的性质。
详细描述
实验中，学生可以使用偏振片和检偏 器来测量偏振光的光强分布。通过旋 转检偏器，学生可以观察到光强的变 化，从而理解偏振光的不同状态和性 质。
研究光的偏振状态和偏振光学元件的 应用，用于改善光学系统的成像质量 、提高光学信号的传输效率等。
衍射光学
利用光的衍射现象来设计光学元件和 系统，实现光束的聚焦、分束、成像 等功能，是现代光学和光电子技术的 重要基础。
波动光学的发展
波动光学的发展与光学技术和应用密 切相关，随着光学材料、光学仪器和 光电子技术的不断进步，波动光学的 研究和应用领域也在不断拓展。
除了实验测量外，还可以使用计算机模拟和数学模型来预测和解释光的 偏振行为。这些方法可以帮助我们更好地理解光的波动性质和光学现象 。
04
偏振光干涉
干涉现象
01
02
03
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
相干光波、有相同的频率 、有恒定的相位差。
偏振光可以反映物质的电磁性质和光学性质，有助于深入理解光 与物质相互作用的机制。
提高光学仪器性能
利用偏振光可以优化光学仪器的性能，提高成像质量和使用效果。
推动科技发展
偏振光在光学通信、生物医学、物理实验等领域具有广泛的应用前 景，对推动相关领域的发展具有重要意义。
双折射是指光线在某些特定物质中传播时，由于电磁波的振动方向不同而产生不同的折射现象。实验 中，学生可以使用不同的晶体材料，如方解石、石英等，观察到光的双折射现象，并了解双折射的原 理。
光的偏振态实验
总结词
通过测量偏振光的光强分布，理解偏 振光的性质。
详细描述
实验中，学生可以使用偏振片和检偏 器来测量偏振光的光强分布。通过旋 转检偏器，学生可以观察到光强的变 化，从而理解偏振光的不同状态和性 质。
研究光的偏振状态和偏振光学元件的 应用，用于改善光学系统的成像质量 、提高光学信号的传输效率等。
衍射光学
利用光的衍射现象来设计光学元件和 系统，实现光束的聚焦、分束、成像 等功能，是现代光学和光电子技术的 重要基础。
波动光学的发展
波动光学的发展与光学技术和应用密 切相关，随着光学材料、光学仪器和 光电子技术的不断进步，波动光学的 研究和应用领域也在不断拓展。
除了实验测量外，还可以使用计算机模拟和数学模型来预测和解释光的 偏振行为。这些方法可以帮助我们更好地理解光的波动性质和光学现象 。
04
偏振光干涉
干涉现象
01
02
03
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
相干光波、有相同的频率 、有恒定的相位差。
偏振光可以反映物质的电磁性质和光学性质，有助于深入理解光 与物质相互作用的机制。
提高光学仪器性能
利用偏振光可以优化光学仪器的性能，提高成像质量和使用效果。
推动科技发展
偏振光在光学通信、生物医学、物理实验等领域具有广泛的应用前 景，对推动相关领域的发展具有重要意义。
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
大学物理物理学波动光学PPT课件
一束光分解为振动面垂直的两束光。
S2
E
2、杨氏双缝干涉实验装置
1801年，杨氏巧妙地设计了一种把单个波阵面分解为两个 波阵面以锁定两个光源之间的相位差的方法来研究光的干涉现 象。杨氏用叠加原理解释了干涉现象，在历史上第一次测定了 光的波长，为光的波动学说的确立奠定了基础。
3、双缝干涉的光程差
两光波在P点的光程差为 = r2-r1
?人的眼睛不能区分自然光与偏振光用于鉴别光的偏振状态的器件称为检偏器2偏振片是一种人工膜片对不同方向的光振动有选择吸收的性能从而使膜片中有一个特殊的方向当一束自然光射到膜片上时与此方向垂直的光振动分量完全被吸收只让平行于该方向的光振动分量通过即只允许沿某一特定方向的光通过的光学器件叫做偏振片
绪言
一、光学的研究内容 二、光的两种学说
薄膜干涉属于分振幅法
1、等倾干涉：
实验装置
在空气（或真空）中放入上
下表面平行，厚度为 e 的均 匀介质 n
光a与光 b的光程差为：
n(AB BC) (AD / 2)
光a有半波损失。
a
iD
b
n
A r
C e
B
由折射定律和几何关系可得出：
sin i nsin
AD ACsin i AC 2e tan n AB BC e / cos 代入 n(AB BC) (AD / 2)
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
一、光波
1．光波的概念：
大学物理波动光学PPT课件
例2：例11-2
n3 n2 n1
23
n1
氟化镁 n2
玻璃
d
n3 n2
第11页/共44页
11.2 光的衍射
衍射现象： 只有当波长与障碍物的线度可比拟 时，才能观察到明显的衍射现象。
惠更斯-菲涅尔原理 子波干涉 夫琅和费单缝衍射：光源、单缝、屏幕距离无穷远 缝宽a、波长λ、焦距f、衍射角φ
S
L1 R
入射光之间附加了半个波长的波程差，称为半波损失。折射光 没有半波损失。
第7页/共44页
光程
真空中: C、 介质中: C' 、 '
同一束光在不同的介质中频率不变。
C C' '
n C C' '
'
n
2 r 2 nr '
即光在介质中传播r的波程与其在真空中
传播nr的波程产生的相位差相同.
l
dl
I I0
ln I l
I0
I I 0 e l
dl
I0
I
c I I0e cl
朗伯-比尔定律
第29页/共44页
令透射比 吸收度 消光系数
T I e cl I0
A logT cl loge
loge
比色计 分光光度计 光谱分析
A cl
第30页/共44页
本章小结
➢ 干涉：杨氏双缝干涉 薄膜干涉、半波损失、光程
I
0
一级光谱
ab
三级光谱 二级光谱
第40页/共44页
sin
光谱分析
由于不同元素（或化合物）各有自己特定的光谱，所以由谱线的成 分，可分析出发光物质所含的元素或化合物；还可从谱线的强度定量分 析出元素的含量．
《波动光学》ppt课件
物理意义
马吕斯定律是定量描述偏振光通过检偏器后透射光强与入射线 偏振光和检偏器透振方向夹角之间关系的定律，是波动光学中 的重要公式之一。
晶体中双折射现象解释
双折射现象
当一束光入射到各向异性的晶体时，会分成两束光沿不同方向折 射的现象。
产生原因
晶体内部原子排列的规律性使得晶体具有各向异性，导致不同方向 上折射率不同。
研究中的应用。
03
非线性波动光学应ห้องสมุดไป่ตู้领域
概述非线性波动光学在光通信、光计算、光信息处理等领域的应用前景。
量子波动光学发展动态
量子波动光学基本概念
阐述光的量子性质及其与波动光学的关系，包括光子、量子态、量子纠缠等。
量子波动光学研究方法
介绍量子光学实验技术、量子信息处理方法等在量子波动光学研究中的应用。
薄膜干涉实验操作
阐述薄膜干涉实验的基 本原理和实验方法，包 括等厚干涉和等倾干涉 的实现方式及条纹特征。
衍射实验数据处理方法分享
衍射实验基本概念
解释衍射现象的产生条件和基本原理，介绍衍射光栅、单 缝衍射等实验方法。
01
衍射光栅数据处理
分享衍射光栅实验的数据处理技巧，包 括光栅常数、波长等参数的测量方法和 误差分析。
03
复杂介质中波动光 学应用领域
概述复杂介质中波动光学在生物 医学成像、环境监测与治理、新 能源等领域的应用前景。
06
实验方法与技巧指 导
基本干涉实验操作规范介绍
干涉实验基本概念
阐述干涉现象的产生条 件和基本原理，解释相 干光波的概念及获得方 法。
双缝干涉实验操作
详细介绍双缝干涉实验 的实验装置、操作步骤 和注意事项，以及双缝 干涉条纹的特点和分析 方法。
马吕斯定律是定量描述偏振光通过检偏器后透射光强与入射线 偏振光和检偏器透振方向夹角之间关系的定律，是波动光学中 的重要公式之一。
晶体中双折射现象解释
双折射现象
当一束光入射到各向异性的晶体时，会分成两束光沿不同方向折 射的现象。
产生原因
晶体内部原子排列的规律性使得晶体具有各向异性，导致不同方向 上折射率不同。
研究中的应用。
03
非线性波动光学应ห้องสมุดไป่ตู้领域
概述非线性波动光学在光通信、光计算、光信息处理等领域的应用前景。
量子波动光学发展动态
量子波动光学基本概念
阐述光的量子性质及其与波动光学的关系，包括光子、量子态、量子纠缠等。
量子波动光学研究方法
介绍量子光学实验技术、量子信息处理方法等在量子波动光学研究中的应用。
薄膜干涉实验操作
阐述薄膜干涉实验的基 本原理和实验方法，包 括等厚干涉和等倾干涉 的实现方式及条纹特征。
衍射实验数据处理方法分享
衍射实验基本概念
解释衍射现象的产生条件和基本原理，介绍衍射光栅、单 缝衍射等实验方法。
01
衍射光栅数据处理
分享衍射光栅实验的数据处理技巧，包 括光栅常数、波长等参数的测量方法和 误差分析。
03
复杂介质中波动光 学应用领域
概述复杂介质中波动光学在生物 医学成像、环境监测与治理、新 能源等领域的应用前景。
06
实验方法与技巧指 导
基本干涉实验操作规范介绍
干涉实验基本概念
阐述干涉现象的产生条 件和基本原理，解释相 干光波的概念及获得方 法。
双缝干涉实验操作
详细介绍双缝干涉实验 的实验装置、操作步骤 和注意事项，以及双缝 干涉条纹的特点和分析 方法。
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
波动光学
一、杨氏双缝干涉
1801年，杨氏首先用实验方法
研究了光的干涉现象。该实验的成
功为光的波动理论奠定了实验基础。
1、实验原理
托马斯· 杨（Thomas Young）
S
S1 S2
(interference fringe)
图1 杨氏双缝干涉实验装置图
空气的折射率 n=1，由S1、 S2发出的两束光波到达P 点 处的光程差为：δ= r2－r1 由图中的几何关系可知:
真空中 的波长
真空中，相干光源S1和S2的初相位分别为1、2。这两束 相干光在P点相遇，P点距S1和S2的距离分别为r1和r2.则这 两束相干光传播到P点产生的相位差为：
1 2
2
若S1和S2发出的两束相干光分别在折射 2 率为n1和n2的介质中传播，则相位差为： *
(r2 r1 )
r ut
光程: 介质折射率乘以光在介质中传播的路程
n1
r1
r x ct c nr u
n2 ……
……
r nr
介质
真空
nr
nm
rm
光程 = ( ni ri )
r2
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。
介质中的波长
c ' n n u
s1 *
r1
n1 n2
s
P
r2
1 2
2
' 2
r2
2
' 1
r1 1 2
2
(n2 r2 n1r1 )
光程差：
n2 r2 n1r1
波 动 光 学
波动光学
1
光学是研究光的传播以及它和物质相互作用 问题的学科。 光学通常分为以下三个部分：
以光的直线传播规律为基础，主要 ▲ 几何光学：
研究各种成象光学仪器的理论。 研究光的电磁性质和传播规律， 特别 ▲ 波动光学： 是干涉、衍射、偏振的理论和应用。 以光的量子理论为基础， 研究光与 ▲ 量子光学： 物质相互作用的规律。
I 4 I 0 cos 2
2
(
d si n
2π )
I
光强曲线
-4 -2 -2 -1
4I0
-2 /d - /d
x 2
x 1
0 0 0 0
2 1
4 2
/d 2 /d sin
x1
x2
k
x
15
三. 干涉问题分析的要点：
（1）搞清发生干涉的光束； （2）计算波程差（光程差）； （3）搞清条纹特点： 形状、 位置、 级次分布、条纹移动等； （4）求出光强公式、画出光强曲线。
16
△ 四.
其他分波面干涉实验（自学书P128—129）
要求明确以下问题： 1.如何获得的相干光； 2.明、暗纹条件； 3.干涉条纹特点： 形状、间距、 级次位置分布； 4.劳埃镜实验说明了什么？ 重点搞清劳埃镜实验。
17
（temporal coherence） §3.3 时间相干性 一. 光的非单色性
· ·
2 2 2 I E0 , 又 I1 E10，I 2 E20
光强 I I1 I 2 2 I1 I 2 cos
干涉项
7
非相干光源： cos 0
I = I
1
+ I
2
—非相干叠加
1
光学是研究光的传播以及它和物质相互作用 问题的学科。 光学通常分为以下三个部分：
以光的直线传播规律为基础，主要 ▲ 几何光学：
研究各种成象光学仪器的理论。 研究光的电磁性质和传播规律， 特别 ▲ 波动光学： 是干涉、衍射、偏振的理论和应用。 以光的量子理论为基础， 研究光与 ▲ 量子光学： 物质相互作用的规律。
I 4 I 0 cos 2
2
(
d si n
2π )
I
光强曲线
-4 -2 -2 -1
4I0
-2 /d - /d
x 2
x 1
0 0 0 0
2 1
4 2
/d 2 /d sin
x1
x2
k
x
15
三. 干涉问题分析的要点：
（1）搞清发生干涉的光束； （2）计算波程差（光程差）； （3）搞清条纹特点： 形状、 位置、 级次分布、条纹移动等； （4）求出光强公式、画出光强曲线。
16
△ 四.
其他分波面干涉实验（自学书P128—129）
要求明确以下问题： 1.如何获得的相干光； 2.明、暗纹条件； 3.干涉条纹特点： 形状、间距、 级次位置分布； 4.劳埃镜实验说明了什么？ 重点搞清劳埃镜实验。
17
（temporal coherence） §3.3 时间相干性 一. 光的非单色性
· ·
2 2 2 I E0 , 又 I1 E10，I 2 E20
光强 I I1 I 2 2 I1 I 2 cos
干涉项
7
非相干光源： cos 0
I = I
1
+ I
2
—非相干叠加
大学物理-波动光学-光的偏振(ppt模板)
解：设两光源的强度分别为I01、I02 I 01 I1 cos 2 30 2 I 02 I2 cos 2 60 2 I1 I 2
I 01 cos 2 60 1 2 I 02 3 cos 30
3偏振光的应用——旋光现象
线偏振光通过某些透明介质后，它的光振动方 向将绕着光的传播方向旋转某一角度 的现象，称 为旋光现象。这种介质称为旋光物质。如石英、糖 等。 迎着光的传播方向观察，光通过旋光物质时， 光矢量的振动方向按逆时针方向旋转，称为左旋偏 振光，相应物质称左旋物质；反之为右旋偏振光， 相应物质称右旋物质。
(i0 i )
n1 n2
i
n1 n2
i0
i
n1 n2
i
n1 n2
i0
n1 n2
n1 n2
i0
i i0
n2 i0 arctg n1
i0
i0
（C） （A） 玻璃门表面的 反光很强 （B） 用滤光镜减弱 了反射偏振光 用滤光镜消除了 反射偏振光 使 玻璃门内的人物 清晰可见
（2）二向色性—偏振片起偏 某些晶体（电气石、硫酸金鸡钠碱晶体等）对光 振动有强烈的选择性吸收能力，这种性质称为二向 色性。如电气石晶体对自然光的某一振动方向上的 光振动几乎完全吸收，而垂直于该方向的光振动只 稍微减弱后通过。 利用物质的二向色性制成的 起偏装置称为偏振片。
反射和折射过程会使入射的自然光有一定程 度的偏振化，因为反射光对光振动方向有选择性， 与入射面垂直的光振动容易反射。
自然光
i
部分 偏振光
n1
部分 偏振光
n2
布儒斯特定律 反射光的偏振化程度和入射角有关，当入射 n 角等于某一特定值i0 ，且满足： tg i 0 2 n1 这时反射光成为线偏振光。 sin i 0 n2 tgi0 起偏振角 cos i 0 n1 i0 布儒斯特角 sin i 0 n2 又 sin n1 线偏振光 自然光 所以sin cos i 0 i0
I 01 cos 2 60 1 2 I 02 3 cos 30
3偏振光的应用——旋光现象
线偏振光通过某些透明介质后，它的光振动方 向将绕着光的传播方向旋转某一角度 的现象，称 为旋光现象。这种介质称为旋光物质。如石英、糖 等。 迎着光的传播方向观察，光通过旋光物质时， 光矢量的振动方向按逆时针方向旋转，称为左旋偏 振光，相应物质称左旋物质；反之为右旋偏振光， 相应物质称右旋物质。
(i0 i )
n1 n2
i
n1 n2
i0
i
n1 n2
i
n1 n2
i0
n1 n2
n1 n2
i0
i i0
n2 i0 arctg n1
i0
i0
（C） （A） 玻璃门表面的 反光很强 （B） 用滤光镜减弱 了反射偏振光 用滤光镜消除了 反射偏振光 使 玻璃门内的人物 清晰可见
（2）二向色性—偏振片起偏 某些晶体（电气石、硫酸金鸡钠碱晶体等）对光 振动有强烈的选择性吸收能力，这种性质称为二向 色性。如电气石晶体对自然光的某一振动方向上的 光振动几乎完全吸收，而垂直于该方向的光振动只 稍微减弱后通过。 利用物质的二向色性制成的 起偏装置称为偏振片。
反射和折射过程会使入射的自然光有一定程 度的偏振化，因为反射光对光振动方向有选择性， 与入射面垂直的光振动容易反射。
自然光
i
部分 偏振光
n1
部分 偏振光
n2
布儒斯特定律 反射光的偏振化程度和入射角有关，当入射 n 角等于某一特定值i0 ，且满足： tg i 0 2 n1 这时反射光成为线偏振光。 sin i 0 n2 tgi0 起偏振角 cos i 0 n1 i0 布儒斯特角 sin i 0 n2 又 sin n1 线偏振光 自然光 所以sin cos i 0 i0
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。
第十三章_波动光学
·p
S *
薄膜
反射光1和2干涉加强、减弱的条件.
补充：薄透镜的等光程性
A B F
A、B光线 在F点 会聚，互相加强
解 释
AF的光程与BF的光程相等， AF比BF经过的几 何路程长，但BF在透镜中经过的路程比AF长， 透镜折射率大于1，因此光程相等。
结论：与光束正交的波面上各点到透镜焦平面 上像点的光程相同。
四、劳埃德镜(Lloyd mirror)实验
P'
P
s1
d
s2
M
L
d'
四、劳埃德镜(Lloyd mirror)实验
思考： 光屏移到 紧贴住反 射镜的端 面处，该 处会出现 眀纹还是 暗纹？
反射光发生了相位为π的突变，相当于光波多走 了（或少走了）半个波长的距离，此现象称为半 波损失（half-wavelength loss）。
在入射单色光一定时，劈尖的楔角θ愈小，则l愈大，
干涉条纹愈疏； θ 愈大，则l愈小，干涉条纹愈密。
当用白光照射时，将看到由劈尖边缘逐渐分开的 彩色直条纹。
劈尖干涉的应用
1 检测工件是否平整
等厚条纹 平晶
待测工件
劈尖干涉的应用
2 测定样品的热膨胀系数
平板玻 璃 石英圆 环
样品
物件向上平移λ/4的距离，上下表面的两反射光的
太阳光
大量光波列形成 了光。太阳光即 由大量的不同波 长、振动方向各 异的波列组成。
2. 获得相干光的途径（方法）
分波阵面方法
从同一波阵面上的不同部分产生次级波相干
分振幅的方法
利用光的反射和折射将同一光束分割成振幅 较小的两束相干光 分波面法 分振幅法 p · 薄膜
第13次课-光的偏振
第三块的偏振片化方向相互垂直，第二块
和第一块的偏振化方向相互平行，然后第
二块偏振片以恒定的角速度 w 绕光传播的
方向旋转，设入射自然光的光强为 I0。试 证明：此自然光通过这一系统后，出射光
的光强为 I I 0 (1 cos 4wt ) /16
I0
w
I
自然光
P1
P2
P3
I0
I1 w
I2
I
自然光
立体电影
例1.两偏振片堆叠在一起，一束自然光垂直 入射其上时没有光线透过。当其中一偏振 片慢慢转动180 时透射光强度发生的变化 为:
（A）光强单调增加；
（B）光强先增加，后又减小至零；
（C）光强先增加，后减小，再增加；
（D）光强先增加，然后减小，再增加再 减小至零。
[B]
例2.有三个偏振片堆叠在一起，第一块与
A
I A 2， I1 A12，
I2
A
2 2
I2
A
2 2
I 1 A12
A12 cos 2
A12
cos2
马吕斯定律
I2
I1
cos2
1 2
I0
cos2
I0
I1
I2
P1
P2
马吕斯定律 讨论：
I2
I1
cos2
1 2
I0
cos2
1.当 0或 时，
2.当 或 3 时，
2
2
I2 I1 I2 0
1.光程
n
L niri i 1
2.光程差
L2 L1
3.相干光条件 两束光
•频率相同； •方向一致； •有恒定的相位差；
光的衍射偏振
瑞利判据 物点 S1 的爱里斑中心恰好与另一个物点
S2 的爱里斑边缘（第一衍射极小）相重合时， 恰可分辨两物点。
26
大学物理 第三次修订本
第13章 波动光学基础
S1
S2
θ
S1
S2
θ
S1
S2
θ
大学物理 第三次修订本
可分辨 1
刚可分辨 2
不可分辨 3
27
第13章 波动光学基础
光学仪器的最小分辨角
34
大学物理 第三次修订本
第13章 波动光学基础
光栅衍射是衍射与干涉的综合结果
单缝衍射 多缝干涉
光栅衍射
35
大学物理 第三次修订本
第13章 波动光学基础
缺级处同时满足：
光栅明纹条件
a bsin k , k 0 ,1, 2 ,
单缝暗纹条件
a sin k , k 1, 2 ,
两式相除，得 a b k a k
A1
C A2
•
B
/2
•P
•
P0
E
波带上的对应点
所发出的次波到达 P 点处的光程差均为λ/ 2 。
对于某一确定的衍射角 ，若 BC 恰好
为半波长的偶数倍，则在P点处各相邻两个子
波带干涉相消，整体将呈现为暗条纹中心。
9
大学物理 第三次修订本
第13章 波动光学基础
若 BC 恰好为半波长的奇数倍，则 P 点
爱里斑。 通常，光学仪
物点S
器中所用的光阑和 透镜都是圆的，所
像S´
L
以研究圆孔夫琅禾费衍射，对评价仪器成像质
量具有重要意义。
当两个物点距离足够小时，就存在能否分 辨的问题。
S2 的爱里斑边缘（第一衍射极小）相重合时， 恰可分辨两物点。
26
大学物理 第三次修订本
第13章 波动光学基础
S1
S2
θ
S1
S2
θ
S1
S2
θ
大学物理 第三次修订本
可分辨 1
刚可分辨 2
不可分辨 3
27
第13章 波动光学基础
光学仪器的最小分辨角
34
大学物理 第三次修订本
第13章 波动光学基础
光栅衍射是衍射与干涉的综合结果
单缝衍射 多缝干涉
光栅衍射
35
大学物理 第三次修订本
第13章 波动光学基础
缺级处同时满足：
光栅明纹条件
a bsin k , k 0 ,1, 2 ,
单缝暗纹条件
a sin k , k 1, 2 ,
两式相除，得 a b k a k
A1
C A2
•
B
/2
•P
•
P0
E
波带上的对应点
所发出的次波到达 P 点处的光程差均为λ/ 2 。
对于某一确定的衍射角 ，若 BC 恰好
为半波长的偶数倍，则在P点处各相邻两个子
波带干涉相消，整体将呈现为暗条纹中心。
9
大学物理 第三次修订本
第13章 波动光学基础
若 BC 恰好为半波长的奇数倍，则 P 点
爱里斑。 通常，光学仪
物点S
器中所用的光阑和 透镜都是圆的，所
像S´
L
以研究圆孔夫琅禾费衍射，对评价仪器成像质
量具有重要意义。
当两个物点距离足够小时，就存在能否分 辨的问题。
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（A）玻璃门表 面的反光很强
（B）用偏光镜减 （C）用偏光镜消除了 弱了反射偏振光 反射偏振光,使玻璃门
内的人物清晰可见
四、双折射现象
1.双折射晶体
入射光
e光
o光
服从折射定律，寻常光，o光
不服从折射定律，非常光，e 光
二者均为线偏振光
o光折射线一定在入射面内 e光折射线不一定在入射面内
方解石晶体（CaCO3）
i
折射光中平行入射面振动占优 布儒斯特定律
i0
r0
nnnn1212
入射角满足 i0 arctgnn12 时
反射光是线偏振光，振动垂直入射面 用玻璃片堆起偏
i0 布儒斯特角 起偏角
由折射讨论下列光线的反射和折射（起偏角 i 0 ）.
i0
i0
i0
i
i
i
在拍摄玻璃窗内的物体时，加偏振片可去掉反射光的干扰。
若P1与P2平行
P1 , P2
A1
Ao
A2e
A2o
Ae
单色
P1
自然光I0
光轴 P 2
甲区
C 乙区
丙区
A 2oA osinA 1si2 n d
2.自然光
y
x
一束自然光可分解为两束振动方 向相互垂直的、等幅的、不相干 (无固定相位关系)的线偏振光
I Ix Iy 坐标轴任意选择 Ix Iy 12I
3.部分偏振光 本质上同自然光 但显示出某个方向的振动较强些 ⊥分量占优 ∥分量占优
分解
可看作线偏振光 与自然光的混合
二、偏振片的起偏和检偏 马吕斯定律
惠更斯作图法(负晶体为例) 光轴 界面，自然光正入射
自然光
光轴 界面，自然光正入射
自然光
光轴
o光
o光
光轴
e光
e光
e 光的速度等于o光速度 光轴 界面，自然光斜入射
e 光的速度大于o 光速度 光轴与界面斜交，自然光正入射
光轴
o光 e光
波射线
光轴
o光
晶体
e光
3.尼克耳棱镜
将天然的方解石晶体按一定的要求加工成两块直角棱镜， 然后再用特种树胶把它们粘合起来制成一块斜长方形的光学 棱镜。
光光
光光
光轴
晶体内的一个特殊方向， 在此方向上不发生双折射
光轴在晶体内 光轴是一个方向
分类：
单轴晶体 方解石（冰洲石） 石英 红宝石
方解石晶体
102 0
102 0 102 0
双轴晶体
云母
710
蓝宝石
硫磺
78 0 78 0
光轴方向
磨光，可得到与光轴垂直的表面
主截面 光轴与晶体表面的法线构成的平面 一组相互平行的平面
偏振片的用途：“起偏”和“检偏”
光强 I0/2
马吕斯定律
A0
A2 A1
I0
I
光强为I0的线偏振光，透过偏振片后，透射强度为：
I I0co2s
证明： A1A0cos I0 A 0 2 , I A 1 2
I I0
A12 A02
co2s
I I0co2s
三、反射和折射起偏 布儒斯特定律
反射光中垂直入射面振动占优
椭圆偏振光 部分偏振光
一 线偏振光* 波 片 部分偏振光
转 动
有消光 I 变 无消光
六、偏振光的干涉
1.典型装置
单色
P1
自然光I0
甲区
光轴
C 乙区
线偏振光
光轴 方向
I1
P2
?d
o光 e光
丙区
甲区： 乙区：
线偏C 振2光(，no振ne)幅d dA与1，晶光体强种I1类 12、I0波长、波片厚度有关
Ao A1sin Ae A1cos
2.惠更斯原理对双折射的描述 光的传播速度取决于光矢量振动方向与晶体光轴的夹角
o光、e光的波阵面
o光：各方向的传播速度相等
no
c vo
常数
e 光：传播速度与方向有关
沿光轴方向上，e 光与o光速度相等
垂直光轴方向上，e 光与o光速度差别最大
光轴
ne
c ve
光轴
vo t ve t
vo t ve t
正晶体 如：石英、冰 负晶体 如：方解石、红宝石
二向色性 ——某些物质能吸收某一方向的光振动 , 而只 让与这个方向垂直的光振动通过, 这种性质称二向色性 .
偏振片 ——涂有二向色性材料的透明薄片 .
偏振化方向 ——当自然光照射在偏振片上时，它只让某 一特定方向的光通过，这个方向叫此偏振片的偏振化方向 .
偏振化方向
允许通过的光振 动方向。
光强 I0
主平面 晶体中光线与光轴方向构成的平面
o光
服从折射定律 线偏振光 振动方向垂直o光主平面 振动方向垂直光轴
光轴
e光
o光
71 o
方解石
e光
o光主平面与e光主 平面并不一定重合
不服从折射定律 线偏振光 振动方向平行e 光主平面 振动方向与光轴夹角及传播有关
当入射面与某个主截面重合 时，o光主平面、e 光主平面 都在主截面内，o光和e光振动 方向严格垂直
P1
丙区： A 2 oA oco sA 1sin cos A 2eA esin A 1sin cosA2o C 2(n o n e )d
Ao
A2o
A1
C Ae
A2e P2
A A 2 2eA 2 2o2A 2eA 2oco Δ s
I1 2I0si2n 2si2n 2
y
A x 1 2 2 A y 2 2 2 2 A 1 x A 2c yo 2 s1 )( s2 i(n 21 )
x仍
= 0
为 线
偏
4
2
3
4
0
右旋
=
振
光
5
4
3
2
7
4
2
左旋
椭圆偏振光
合成轨道是圆——称为圆偏振光(特殊的椭圆偏振光)
2. 晶体波片
晶体薄片，光轴平行于薄片表面
线偏振光
y
光线正入射
光偏振状态的检验 线偏振光，自然光，圆偏振光，部分偏振光，椭圆偏振光
第一步：用偏振片
线偏振光 偏 I 变、有消光
部分偏振光 椭圆偏振光
振 片
I 变、无消光
()
圆偏振光 自然光
转 动
I 不变
第二步：再用1/4波片 + 偏振片
自然光 四
自然光 偏 I 不变
分
振
圆偏振光 之 线偏振光 片 有消光
()
A
Ao x
Ae
z 椭圆偏 振光
Ao Asin (none)d
Ae Acos
2(none)d
两束光出现固定的相位差—相干光
光轴
线偏振光
椭圆偏振光
d
? 椭圆偏振光
线偏振光
1 波片 4 1 波片 2
全波片
(none)d1 4 2 (none)d2
(none)d1 2 2 (none)d
(none)d 2 (none)d2
自然光 48o e 光
68o 光轴 O 光
no 1.6584 ne 1.4864
尼科耳棱镜可用于起偏和检偏
nc 1.55
五、椭圆偏振光和圆偏振光 波片
1. 椭圆偏振光和圆偏振光
偏振方向垂直、频率相同、相位差恒定的线偏振光的合成
x A 1 co t 1 s ) ,( y A 2 co t 2 s )(