(清华大学完整)波动光学(下)ppt课件
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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。
大学物理下册课件第十四章 波动光学
S 和 S’相当于两个相干光源
实验结果表明： 反射光的相位 光源
接收屏
此 处 出 现
改变了 π，称为半
暗 条
波损失
纹
干涉条纹与杨
氏实验结果的类似
MM’中镜像
整理课件
小平面镜
13
理论和实验证明：
▪ 光从光疏介质（折射率较小）向光密介质（折射
率大）表面入射时，如果入射角接近90（ 掠入射）
或为 0（正入射），则反射光的相位改变 π，即出
D2
2d
整理课件
16
第一级明纹位置 x1=0.225mm<OB，在干涉区外， 观察不到；
将 OB=0.333mm代入，得
k(D dx2)11.24
将 OA=3mm代入，得 k =7.17
所以在屏上可以看到2，3，4，5，6和7级，共6条 干涉明纹。
整理课件
17
四. 相位差与光程差
频率为 初相相同的两相干光源S1、S2 的振动
方程可写为
E 1 E 1 c 0 2 π o t s E 2 E 2 c 0 2 π o t ns 1
两列波在P点引起的振动为
P
E1E1co2sπ([tr11)] E2 E2co2sπ[(tr22)]
这两列波在P点的相位差为
S1 S2
r1
n2
r2
光程差
2πr22整r理11 课件 2πn2r2 n1r1
氖激光器产生的激光相干长度可达几千米，再加 上良好的单色性和方向性等，能产生易于观察和 测量的干涉现象。
一个正在辐射激光的激光器 激光产生的全息图像
整理课件
8
§14-7 由分波阵面法产生的光的干涉
一. 杨氏双缝实验
波动光学ppt课件
D
双缝屏
➢实现双缝干涉的条件：
像屏
d >>λ，D >> d (d 10 -4m, D 100 m)
波程差：
r2
r1
d
sin
d
tg
d
x D
dx
D
(几何路程差)
相位差： 2
(2 1 )
1.明条纹条件 2k
2
明条纹位置
xk
k
D d
(k 0,1,2…)
.10.
k 为条
(k 0,1,2…) 纹级次
的位相， 相当于反射光少走 / 2的光程.
*四、相干长度与相干时间
、
.13.
(一). 光的非单色性
1.理想的单色光
2.准单色光、谱线宽度
• 准单色光：在某个中心波长(频率)附近有一
定波长(频率)范围的光。
I
• 谱线宽度：
I0
• 造成谱线宽度的原因 自然宽度 I0 /2
谱线宽度
Ei+1
·
Ei+1
E2 0
E2 10
E2 20
2E10 E20
cos
E20
E0
E10
I E02
I1 E120
I2
E
2 20
.7.
I I1 I2 2 I1 I2 cos
2
1
2
(r2
r1 )
▲相干加强条件 2k , (k = 0,1,2,3…)
I Imax I1 I2 2 I1I2
▲相干减弱条件 (2k 1) , (k = 0,1,2,3…)
的辐射能量,称为 辐射强度,也称坡印廷矢量: S EH
《波动光学》PPT课件 (2)
焦面
是等厚膜，光
程差只决定于
入射角，相同
入射角的光线
光程差相同， 面
形成同一干涉
光 源
条纹——等倾
干涉条纹。
精选ppt
干涉图样
透镜
垂直入射 半透明玻璃片 等厚薄膜
35
平行平面薄膜干涉的应用
▪ 增透膜 为减弱反射光，在光学元件表面镀的一 层厚度适当的透明介质膜
反射光互相减弱时（约为入射光的1.3%），光
解 （1）cosε≈1，sinε≈ε=10-3
x (L 2 r r s cio ) ns (2 2 0 .5 0 ).5 0 .1 5 3 1 0 6 0 1 .2m 5 m
（2）当ε=10-2rad时，有
x(2 20 .5 0 ).5 0.1 5 0 2 10 60.12 m5m
程差为 2 n 2 d2 k 1 2 0
n2d 称为光学厚度
空气
1
n1=1
MgF2 2 d n2=1.38
玻璃
n3=1.50
k0 ,1 ,2 ,
照 相 机 镜 头
精选ppt
36
例如对波长 0 = 550 nm 的绿光，当光学厚度 为 n2d = 30 /4 = 412 nm时，反射率最小，但此时
该薄膜对其它波长的光，反射率一般不是最小。
▪ 两相干光波在同一介质中传播时，相位差仅决
定于波程差
δ= r2 - r1
▪ 两相干光波在不同介质中传播时，相位差应决
定于光程差
δ= n2 r2 - n1 r1
干涉条件为
(22kk21)
k0,1,2,3 相互加强 k0,1,2, 3 相互减弱
2
精选ppt
29
清华大学物理课件：波动光学衍射
在
0处，
0
sin
1
I
I0
Imax
此时所有子波的振幅矢量同相叠加 。
（与半波带法的结果相同）
(2) 极小（暗纹）位置：
令 sin=0I=0，
即 k，k 1,2,3时，sin 0 I 0
24
此时由 a sin k 得 a sin k
3
二、惠更斯——菲涅耳原理：
（Huygens—Fresnel principle）
惠——菲原理：波传到的任何一点都是 子波的波源，各子波在空间某点的相干 叠加，就决定了该点波的强度。
※该原理的 数学表达式如下：
dE( p)
a(Q) K ( )
r
dS
4
0，K Kmax
K ( ) ：方向因子 K( )
11
到什么时候光强降为零呢? 或者说,第一暗纹的是多大呢?
当 光程差 = a sin = 2×/2 时,
我们说将缝分为了 两个“半波带”：
光线1与1’在P点的 相位差为，
光线2与2’在P点的
相位差为 ，
------
12
所以两个“半波带”上发的光在P处干涉相消， 形成第一暗纹。 当再 ，=3/2时，可将缝分成三个 “半波带”，其中两个相邻的半波带发的光 在 P 处干涉相消，剩一个“半波带”发的光在 P 处合成，P 处即为中央亮纹旁边的那条 亮纹的中心。
13
当=2 时，可将缝分成四个“半波带” 它们发的光在P处两两相消，又形成暗纹……
14
一般情况：
a sin 0
——中央明纹(中心)
a sin k，k 1,2,3… ——暗纹(中心)
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14章 波动光学.ppt
水中
s1 sd
x
x
o
s2
d
n 1.33
x d d
dn 1 0.20 0.15
nd n 1.33
波动光学习题课选讲例题
例 如图两同相的相干点光源 S1和 S2 ，发出波
e 长为 的光，A 是连线中垂线上的一点，S1 与A 间插
入厚度为 的薄片，求 1）两光源发出的光在 A 点的
相位差；2）已知 500nm , n 1.5 , A为第四级
明纹中心, 求薄片厚度 e 的大小.
S1 * n e
2 (n 1)e
*A
S2 *
(n 1)e 4
e 4 4500 nm 4103nm
质膜镀了多少nm厚度的透明介质膜
（1）300 ,（2）600 ,（3）250
t 2n2e (2k 1) 2
k 2, e 300nm
,（4）420
e
n1
n2
波动光学习题课选讲例题
例 用波长为 的单色光垂直照射折射率
为 n2 的劈尖薄膜如图.图中各部分折射率的关
系是 n1 n2 n3，观察反射光的干涉条纹，
油滴展开时，条纹间距变
大，条纹数减少.
R2 r2 [R (h d)]2
r2 2R(h d) R r2
2(h d)
波动光学习题课选讲例题
例：单缝衍射图中，各条入射光线间距相等，那
么光线 1 与 3 在幕上 P 点相遇时的位相为 2π ，
P 点应为 暗 点.
bsin 2k
b2 2n
b
b1
b2
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刚好能分辨时，S1 、S2 两点间的距离是光学仪器的 可分辨的最小距离 x，R 是最小分辨角。
分理辨论率证（明分辨本领R）：si nR122 D
定义为
1 D
R
1 22
1 R
越大越好
最小分辨距离：
xuR
另： x'RfR12. f2D
第 一极小 D
R
17
15
例4、人眼的瞳孔 D3mm 用 55 n0 m 的光考虑，
（3）主极大是各缝出来的衍射光干涉而成的，其 位置：
.
5
4
dsi n k (k0,1,2)ma光x栅方程
dsink'()( k ' 1 ,2 , N 1 ,N 1 , 2 N 1 ,2 N 1 , ) m N
N 为缝数 d=a+b 为缝间距. （光栅常数）
6
5
dsi n k (k0,1,2)max
邻天线中心间的距离 d= /2 ，问：离天线很远处什么方向 上， （与天线列阵 的法线夹角=? ）天线列阵发射的电 磁 波最强?
1
d
?
…..
N
.
11
10
1
d
P
300
…..
解: =? N
d s i n k ？ 最强
sin0
2
4
(24)
sin 1 2
300
实际上‘中央明纹’在 = -300
（5）主极大特别明亮而且尖细，是因为缝多。
k
Ndco sk
k
N为缝数,d 为缝间距，k 为
k
k 级主极大的半角宽度
d 一定时，缝数越多，条纹越尖细
中央主极大
0
Nd
.
可以证明，主极大强度 I N2
8
8
例1、波长为 =590nm 的平行光正入射到每毫米 500条 刻痕的光栅上时，屏幕上最多可以看到多少条明纹？
B 转 90 0 后
波不能通
过
—— 偏
振现象.
实验1：演示
偏振化 方向
观察太阳光或灯光，
看到偏振片透明，将偏振
片转过900后 ，情况不变。
问题： 光波是不是横波？!
.
28
6
实验2：演示
A//B
说明了光波是横波。
AB
问题：如何解释实验 1、2 ？.
偏振片透明
偏振片全黑 （消光现象）
B绕轴旋转， 强度发生变化
解：光栅常数
d 1 200n0m 500
d s i n k k 0 , 1 , m
900时 d si9 n 0 0 k
k d 20 0 3 0 4 3 590
可以看到 2 ×3 1 7 条明纹
例2、在上题条件下，平行光斜入射 i =300 时，屏幕上
最多可以看到哪些条明纹？ .
.
1
一、光栅 反射式光栅 透射式光栅
.
2
1
.
3
2
二、光栅衍射的特点
（1）光栅衍射的强度 被一个单缝图样调制
双缝衍射强度分布
光栅衍射强度分布
IIm (s i n .)2(ssiiN n n )24 3
（2）主极大是明亮 纤细的亮纹， 相邻亮纹间是 一片宽 广的暗区， 暗区中存在一些微弱的明条纹， 称 次极大。
29
7
二、自然光与偏振光 偏振光
1、线偏振光： 光波的振动方向只有一个方向 表示法：
线偏振 （完全偏振） 部分偏振 椭圆（圆）偏振
2、部分偏振光：各振动方向都有，有一个方向占优势。
表示法：
.
30
8
3、椭圆（圆）偏振光： 一个振动方向，但振动方向随时间变化（变化沿椭圆）
表示法：
4、自然光：实际的光源中许多原子同时跃迁独立发光， 方向 各不相同，但机会均等。
设 u9m求：
(1) R ?
x
D
R
(2) x ?
u
解： ( 1 ) R 1 2 D 2 1 2 5 3 2 1 1 5 3 9 0 0 0 2 2 1 3 4 r 0 a 0 8 'd
( 2 ) x u R 9 2 2 1 3 4 0 2 mm
2、光栅的分辨率
dsink'()( k ' 1 ,2 , N 1 ,N 1 , 2 N 1 ,2 N 1 , ) m N
k 0
1
2
k' 1 , 2 ,N 1 ,N N 1 2 N 1 ,2N 2 N 1 m
N-1 条暗纹 K 级明纹旁是 KN-1和 KN+1级暗纹
4条缝
.
5条缝
7
6
（4）缺级现象： m a 为整数比时，缺 k 级。 k d
注意：
平行光
斜入射时， 光栅方程为
d s i d n sii n k k 0 , 1 ma
总共见到7条，上方. 1 条，下方 5 条
10
10
例3、天线列阵由一沿水平直线等距排列的 N 个天线 组成，每个天线均发射波长为 的球面电磁波.
但从第 一个天线到第 N 个天线,位相依次落后 /2 , 若相
9
9
解：光栅方程为
d sin d sin i ±k k 0,1L max
当900时
d (s9 i0 n 0 si3 n 0 ) 0 k
k51 5级
i
当900时
d [s 9 i0 n ) 0 s (3 i0 n ] 0 k
k 1 6 1 级
总共见到7条，上方 5 条，下方1条
A C CB
2dsink
k1,2,
作用： （1）已知晶格常数d 及亮斑的位置，可求 x 射线的 波长。
（2）根据图样及 ，可研究晶格结构和 x 射线本身的
性质
.
22
20
演示：单缝衍射、双缝衍射、多缝衍射、圆孔衍射…...
.
23
1
X射线：=1A0 一、衍射现象
用晶体作三维光栅
劳厄斑
.
24
2
劳 厄 斑
.
25
3
二、布喇格公式
亮斑的位置：
A C CB
2dsink
k1,2,
作用：
（1）已知晶格常数 d 及亮斑的位置，可求 x 射线的 波长
（2）根据图样及 ，可研究晶格结构和 x 射线本身的
性质
.
26
4
.
27
§23—1、偏振光与自然光
一、光的偏振现象： 偏振是横波特有的现象，如机械横波
A
B
如光波能发生这种现象，就是横波。
光栅、棱镜等类光学仪器的分辨率是指把波长靠得很近的两条谱线 1 来自 2 分辨清楚的本领。定义为：
R
1 2 2
2 1
,R ; N ,R
R kN
.
18
16
.
19
17
X射线：=1A0 一、衍射现象
用晶体作三维光栅
劳厄斑
.
20
17
劳 厄 斑
.
21
19
二、布喇格公式
亮斑的位置：
dsin k 4
的方向. 上。
12
11
.
13
11
一、圆孔夫琅和费衍射
.
14
12
一、圆孔夫琅和费衍射
爱里斑
能够 区分多么近的两个物点,是光学仪器的重要性能。 二、光 学仪器的分辨率
1、透镜的分辨率
瑞利判据
刚好可以辨别
.
15
13
瑞利判据
.
16
14
f
S1
x
S2
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