大学物理学(第二版) 第13章 波动光学
大学物理之波动光学讲解
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25
未来发展趋势预测
2024/1/28
01 02 03
拓扑光子学
拓扑光子学是研究光在具有拓扑特性的材料中传播行为的 新兴领域。拓扑保护的光子态具有鲁棒性和缺陷免疫性， 为设计高性能、高稳定性的光学器件和系统提供了新的思 路和方法。
量子光学与量子信息
随着量子技术的不断发展，量子光学与量子信息已成为当 前研究的热点领域。利用光的量子特性，可以实现量子计 算、量子通信和量子精密测量等前沿应用。
6
02
干涉现象与原理
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7
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。
当两束光波的频率相同、振动方向相同、 相位差恒定时，它们叠加后会产生干涉现 象。
超材料
超材料是一种具有特殊物理性质 的人工复合材料，其性质往往超 越自然材料的限制。在波动光学 领域，超材料可用于实现负折射 率、完美透镜、隐身斗篷等奇特 现象和应用。
表面等离激元
表面等离激元是一种存在于金属 和介质界面上的电磁模式，具有 亚波长尺度的场局域和增强效应 。表面等离激元在纳米光子学、 生物光子学和光电子学等领域具 有广泛的应用前景。
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薄膜干涉及其应用实例
薄膜干涉原理
当光照射在薄膜上时，薄膜的前后两 个表面都会反射光，这两束反射光叠 加后会产生干涉现象。
应用实例
肥皂泡、水面上的油膜等都可以观察 到薄膜干涉现象。此外，在光学仪器 中，也常常利用薄膜干涉来增强或减 弱光的反射或透射。
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
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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
2024年大学物理波动光学-(带目录)
大学物理波动光学-(带目录)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。
大学物理(波动光学知识点总结)
大学物理(波动光学知识点总结)contents•波动光学基本概念与原理•干涉理论与应用目录•衍射理论与应用•偏振光理论与应用•现代光学技术发展动态简介波动光学基本概念与原理01光波是一种电磁波，具有横波性质，其振动方向与传播方向垂直。
描述光波的物理量包括振幅、频率、波长、波速等，其中波长和频率决定了光的颜色。
光波的传播遵循波动方程，可以通过解波动方程得到光波在不同介质中的传播规律。
光波性质及描述方法干涉现象是指两列或多列光波在空间某些区域相遇时，相互叠加产生加强或减弱的现象。
产生干涉的条件包括：两列光波的频率相同、振动方向相同、相位差恒定。
常见的干涉现象有双缝干涉、薄膜干涉等，可以通过干涉条纹的形状和间距等信息来推断光源和介质的性质。
干涉现象及其条件衍射现象及其分类衍射现象是指光波在传播过程中遇到障碍物或小孔时，偏离直线传播的现象。
衍射现象可以分为菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射两种类型，其中菲涅尔衍射适用于障碍物尺寸与波长相当或更小的情况，而夫琅禾费衍射适用于障碍物尺寸远大于波长的情况。
常见的衍射现象有单缝衍射、圆孔衍射等，可以通过衍射图案的形状和强度分布等信息来研究光波的传播规律和介质的性质。
偏振现象与双折射偏振现象是指光波在传播过程中，振动方向受到限制的现象。
根据振动方向的不同，光波可以分为横波和纵波两种类型，其中只有横波才能发生偏振现象。
双折射现象是指某些晶体在特定方向上对光波产生不同的折射率，使得入射光波被分解成两束振动方向相互垂直的偏振光的现象。
这种现象在光学器件如偏振片、偏振棱镜等中有重要应用。
通过研究偏振现象和双折射现象，可以深入了解光与物质相互作用的基本规律，以及开发新型光学器件和技术的可能性。
干涉理论与应用02杨氏双缝干涉实验原理及结果分析实验原理杨氏双缝干涉实验是基于光的波动性，通过双缝产生的相干光波在空间叠加形成明暗相间的干涉条纹。
结果分析实验结果表明，光波通过双缝后会在屏幕上产生明暗相间的干涉条纹，条纹间距与光波长、双缝间距及屏幕到双缝的距离有关。
大学物理13章-2
n1
d
n1
=
k
(k 1,2, ) 明纹
(2k 1)
(k 0,1,2, ) 暗纹
2
n
薄膜厚度相同的地方光程差相同，从而对应同一级
干涉条纹，故将此类干涉称为等厚干涉。
(演示 V 3.0 劈尖干涉装置和图样)
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6
大学
物理学 ➢劈尖干涉条纹的分布特点
第13章 波动光学
2nd
2D
km 141.1
考虑 d = 0 处出现 k = 0 暗条纹，所以共有142条暗纹。
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15
大学 物理学
另解：
第13章 波动光学
相邻条纹间距
b
2n
2
L
2D
L =12cm 的长度内呈现的
暗条纹数
L b
2D
141.1
n1
tan
D L
n
n1
n1
d
L
考虑棱边处出现 0 级暗条纹，所以共有142条暗纹。
(2) 检验光学元件 表面的平整度
d
工件表面是上凸的
l N
2
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10
大学 物理学
平晶 工件
第13章 波动光学
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11
大学
物理学 例13-7 课本P.136 例13-5
第13章 波动光学
利用劈尖干涉可以测量微小角度。折射率n=1.4的 劈尖在单色光垂直照射下，测得两相邻明纹之间的距离
增反膜
利用薄膜上、下表面反射光的光程差满足干涉相长 ，使反射光因干涉而加强，这种膜叫增反膜。
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大学物理波动光学总结
大学物理波动光学总结引言波动光学是大学物理中的一门重要课程，研究光的传播和干涉衍射现象。
本文将对大学物理中的波动光学进行总结和归纳，内容包括光的波动性质、干涉现象、衍射现象等。
光的波动性质光既具有粒子性质又具有波动性质，可以通过以下实验证明：- 杨氏双缝实验：将一个点光源照射到一个有两条细缝的屏幕上，观察到在屏幕背后的墙上出现一系列亮暗相间的干涉条纹。
实验证明光的干涉现象，说明光具有波动性质。
- 光的衍射现象：光通过某个孔洞或物体边缘时，会沿着扩散波的方式传播，形成衍射图样。
光的衍射现象同样证明了光的波动性质。
干涉现象干涉是两个或多个波相遇时产生的现象，具有以下特点： 1. 干涉是波动性质的直接表现，只有至少两束波才能产生干涉现象。
2. 干涉分为相干干涉和非相干干涉。
相干干涉是指波源的频率和相位相同或相近，非相干干涉指波源的频率和相位差异较大。
3. 干涉现象包括等厚干涉、薄膜干涉、牛顿环等。
等厚干涉等厚干涉是在等厚体（如平行板）两个表面之间形成的干涉现象，具有以下特点： - 干涉条纹的间距是由波长、介质折射率差和等厚体厚度决定的。
- 等厚干涉的应用包括测量薄膜厚度、判断材料性质等。
薄膜干涉薄膜干涉是在薄膜表面和基底表面之间形成的干涉现象，具有以下特点： - 薄膜干涉的颜色随着入射光的颜色和薄膜厚度的改变而改变。
- 薄膜干涉的应用包括光学镀膜、光学仪器等领域。
牛顿环牛顿环是一种由大气中的薄膜产生的干涉现象，具有以下特点： - 牛顿环是由于光的不同波长在大气中的衍射和干涉引起的。
- 牛顿环的中心位置与基座材料的折射率有关，可用于测量折射率。
衍射现象衍射是波传播过程中遇到障碍物或传播介质发生扰动时发生的现象，具有以下特点： 1. 衍射现象是波动性质的直接表现，与波的传播方式密切相关。
2. 衍射现象包括单缝衍射、双缝衍射、衍射光栅等。
单缝衍射单缝衍射是在缝隙较小的板上通过光时产生的衍射现象，具有以下特点： - 单缝衍射的衍射图样主要包括中央最亮的主极大和两侧的次级最暗区。
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
大学物理光学与波动
大学物理光学与波动在大学物理课程中，光学与波动是一个重要的研究领域。
光学研究光的传播、反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象，而波动研究波的特性和传播规律。
本文将从不同角度探讨大学物理中的光学与波动。
一、光的传播与光速度光的传播是指光在真空和介质中的传播过程。
根据光的波动理论，光是一种经典电磁波，具有特定的波长和频率。
光的传播速度通常用光速来表示，即299,792,458米每秒。
光速的确定为物理学提供了一个重要的基准，也被用来定义其他基本物理量（如电磁学中的电磁波速度）。
二、光的反射和折射光的反射是指光从一个介质界面上的入射角等于反射角的现象。
根据斯涅尔定律，光在两个介质交界处发生折射时，入射角、折射角和两个介质的折射率之间存在一个数学关系。
这个关系可以用来解释光在水中折射时出现的折射现象。
三、光的干涉和衍射光的干涉是指两束或多束光波相互叠加形成明暗相间的干涉条纹的现象。
光的干涉现象可以通过杨氏实验来观察和解释。
光的干涉现象在光学中具有重要应用，如干涉仪、薄膜干涉等。
光的衍射则是指光通过一个或多个小孔或尺寸比光的波长大得多的孔径时，光波发生弯曲和重新扩散的现象。
衍射现象可以用夫琅禾费衍射公式来计算和描述。
四、光的偏振与波片偏振光是指只在一个特定方向上振动的光。
偏振光的特点是具有固定的振动方向，可以通过使用波片（如偏振片）来实现对光的偏振处理。
波片是一种光学元件，可以选择性地使特定方向的光通过，而阻止其他方向的光通过。
五、声波与光波除了电磁波中的光波之外，波动学还研究其他类型的波，比如声波。
声波是一种机械波，是由物体的振动引起的压力变化在介质中传播而成的。
与光波不同，声波需要介质提供承载的媒介来传播。
总结：光学与波动作为大学物理的重要内容，涵盖了光的传播、反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象以及其他类型的波动现象。
通过研究光学与波动，我们可以更好地理解光的性质、波的传播规律和光与物质之间的相互作用。
在应用方面，光学与波动在激光技术、光纤通信、光学显微镜等领域都有广泛的应用。
大学物理波动光学 ppt课件
• 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
r2 r1
d D , x D
很小
r2
r1
d
sin
dtg
d
x D
r2
r1
xd D
S1 • d
S2 •
r1 r2
D
x
• P(x) x
O
2 /
2 /
xd / D
x（条纹中心坐标）
ni
由光程差计算 相位差
r1 r2
ri
[n(r2 d) nd] nr1
S1
光程差
r1
n
2 0
真空中 光波长
S2 r2
n
d
•P
2
n(r2
d)
nd
nr1
光程1
物象之间等光程原理 S •
光程2 • S
结论：透镜不造成附加光程差
光程3
光程1=光程2=光程3
例 用折射率 n =1.58 的很薄的云母片覆盖在双缝实验中的一条
传播的路程应为
x ct cr nr u
改变相同相位的条件下
2πr 2πx 0
光程 x 0r nr
u c 0 n n
真空中 光波长
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
多种介质
光程 niri
i
n1 n2
… …
S2 •
O
N
（洛埃镜实验结果与杨氏双缝干涉相似）
• 计算方法同双缝实验，但仅在直射光和反射光相遇区域 出现干涉条纹.
大学物理(波动光学知识点总结)
A）自然光 。 B） 完全偏振光且光矢量的振动方向垂直于入射面。 C）完全偏振光且光矢量的振动方向平行于入射面。 D ）部分偏振光。
单击此处添加标题
8、两偏振片堆叠在一起，一束自然光垂直入射其上时没有光 线通过，当其中一偏振片慢慢转动1800时透射光强度发生的 变化为：
单击此处添加标题
10、一自然光通过两个偏振片，若两片的偏振化方向间夹角 由A转到B，则转前和转后透射光强之比为 。
单轴
速度
二、选择题：
2、一束波长为 的单色光由空气入射到折射率为 n 的透明介 质上，要使反射光得到干涉加强，则膜的最小厚度为：
3、平行单色光垂直照射到薄膜上，经上下表面反射的两束光 发生干涉，若薄膜厚度为 e，且 n1< n2 > n3， 1 为入射光在 折射率为n1的媒质的波长，则两束光在相遇点的相位差为：
作业：
10-9．如图所示，用波长为的单色光垂直照射折射率为n2的劈尖。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，从劈尖顶端开始向右数第5条暗纹中心所对应的厚度是多少?
[解] 因
故在劈尖上下表面的两反射光无因半波损失引起的附加光程差，干涉暗纹应满足
习题10-9图
n1
n2
n3
在该范围内能看到的主极大个数为5个。
所以，第一次缺级为第五级。
在单缝衍射中央明条纹宽度内可以看到0、±1、 ± 2 级主极大明条纹共5 条。
单缝衍射第一级极小满足
光栅方程：
解（1）由二级主极大满足的光栅方程：
由第三级缺级，透光缝的最小宽度为： 可能观察到的主极大极次为：0，±1，±2
例题 波长 λ=6000埃单色光垂直入射到一光栅上，测得第二级主极大的衍射角为30度，且第三级缺级。① 光栅常数（a+b)是多大？ ②透光缝可能的最小宽度是多少？ ③在选定了上述(a+b)和a之后，求在衍射角-π/2<φ<π/2范围内可能观察到的全部主极大的级次。
第13章 波动光学(习题)
−2
条纹角间距 ∆θ ′ =
λ
d
480 ×10−9 ∆x′ = f ∆θ ′ = 50 × 10 × = 2.4mm −3 0.1× 10
条干涉主极大， （3）单缝衍射的中央包线内共有 条干涉主极大，两端处出现缺级 ）单缝衍射的中央包线内共有9条干涉主极大
波长为500nm和 520nm的两种单色光同时 例 13-15 波长为 和 的两种单色光同时 垂直入射在光栅常量为0.002cm的光栅上 ， 紧靠光栅 的光栅上， 垂直入射在光栅常量为 的光栅上 后用焦距为2m的透镜把光线聚焦在屏幕上 的透镜把光线聚焦在屏幕上。 后用焦距为 的透镜把光线聚焦在屏幕上。求这两束 光的第三级谱线之间的距离。 光的第三级谱线之间的距离。 x2 解： (a + b) sin ϕ = kλ x
A2o A2e C
d(no − ne ) 4300 ∴λ = = k k M 满足上式的波长λ即是在透射光中缺少的光波波长 即是在透射光中缺少的光波波长， 满足上式的波长 即是在透射光中缺少的光波波长， 的可见光范围内， 在400~700nm的可见光范围内，有： 的可见光范围内 k =10, λ10 = 430(nm) k = 9, λ9 = 478(nm)
4.薄膜干涉 4.薄膜干涉
2 δ = 2n2 e cos γ + δ 0 = 2e n2 − n12 sin 2 i + δ 0
5.迈克尔逊干涉仪 5.迈克尔逊干涉仪
三、光的衍射
1.惠更斯1.惠更斯-菲涅尔原理 惠更斯 2.单缝的夫琅和费衍射 2.单缝的夫琅和费衍射 3.圆孔的夫琅和费衍射 3.圆孔的夫琅和费衍射 4.多缝的夫琅和费衍射 4.多缝的夫琅和费衍射 5.X射线衍射 5.X射线衍射 亮纹 asin θ = ±(2k +1) λ , 2 λ θ 0 ≈ 1.22 爱利斑角半径
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。
THANKS
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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。
2024版大学物理物理学波动光学ppt教案
大学物理物理学波动光学ppt教案•波动光学基本概念与原理•干涉现象及其应用•衍射现象及其应用•偏振光及其应用目录•波动光学实验方法与技巧•课程总结与拓展延伸01波动光学基本概念与原理光具有电磁波的基本性质，包括电场和磁场的振动以及传播速度等。
光是一种电磁波光的波动性表现光的波粒二象性光具有干涉、衍射、偏振等波动性质，这些性质是光作为波动现象的重要表现。
光既具有波动性质，又具有粒子性质，这种波粒二象性是量子力学中的基本概念。
030201光的波动性质1 2 3描述光波传播的基本方程，包括振幅、频率、波速等参数。
波动方程波速等于波长乘以频率，这一关系在波动光学中具有重要意义。
波速、波长、频率关系不同波长的光在介质中传播速度不同，导致光的色散现象。
色散现象波动方程与波速、波长、频率关系光的偏振现象及原理偏振现象光波中电场矢量的振动方向对于光的传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志。
偏振光的产生通过反射、折射、双折射和选择性吸收等方法可以获得偏振光。
偏振光的检测通过偏振片、尼科耳棱镜等可以检测偏振光。
干涉和衍射现象概述干涉现象01两列或几列光波在空间某些区域相遇时相互加强，在某些区域相互减弱，形成稳定的强弱分布的现象。
产生干涉的条件是波的频率相同，振动方向一致，相位差恒定。
衍射现象02光绕过障碍物继续向前传播的现象叫做光的衍射。
产生明显衍射现象的条件是障碍物的尺寸与波长相差不大或比波长小。
干涉和衍射的应用03干涉和衍射现象在光学测量、光学信息处理等领域有广泛应用。
02干涉现象及其应用03干涉条纹特点等间距、等光程差、明暗相间。
01双缝干涉实验装置与原理通过双缝的相干光源产生干涉现象，观察干涉条纹的分布和变化。
02干涉条件分析满足相干条件的光源，如单色光、点光源等，以及合适的双缝间距和屏幕距离。
双缝干涉实验及条件分析光在薄膜上下表面反射后产生干涉现象，形成彩色条纹。
薄膜干涉原理肥皂泡、油膜等薄膜干涉现象的观察和分析。
《大学物理》波动光学选择判断题库
一、选择题1.在双缝干涉实验中，两缝间距为d ，双缝与屏幕的距离为D(D>>d)，单色光波长为λ，屏幕上相邻明条纹之间的距离为A 、λD/dB 、λd/DC 、λD/(2d)D 、λd/(2D)2.在相同的时间内，一束波长为λ的单色光在空气中和在玻璃中传播，下列说法正确的是A 、传播的路程相等，走过的光程相等B 、传播的路程相等，走过的光程不相等C 、传播的路程不相等，走过的光程相等D 、传播的路程不相等，走过的光程不相等3.将杨氏双缝干涉实验装置放入水中，则干涉条纹间距A 、变小B 、变大C 、不变D 、不能确定4.如图所示，1S 、2S 是两个相干光源，他们到P 点的距离分别为1r 和2r ．路径P S 1垂直穿过一块厚度为1t 、折射率为1n 的一种介质；路径P S 2垂直穿过一块厚度为2t 、折射率为2n 的另一介质；其余部分可看作真空．这两条光路的光程差等于A 、)()(111222t n r t n r +-+B 、])1([])1([121222t n r t n r -+--+C 、)()(111222t n r t n r ---D 、1122t n t n -5.在双缝干涉实验中，入射光的波长为λ，用玻璃纸遮住双缝中的一个缝，若玻璃纸中光程比相同厚度的空气的光程大2.5λ，则屏上原来的明纹处A 、仍为明条纹B 、变为暗条纹C 、既非明条纹也非暗条纹D 、无法确定是明纹还是暗纹6.当单色光垂直照射杨氏双缝时,屏上可观察到明暗交替的干涉条纹．若减小A 、缝屏间距离,则条纹间距不变B 、双缝间距离,则条纹间距变小C 、入射光强度,则条纹间距不变D 、入射光波长,则条纹间距不变7.在保持入射光波长和缝屏距离不变的情况下,将杨氏双缝的缝距减小,则A 、干涉条纹宽度将变大B 、干涉条纹宽度将变小C 、干涉条纹宽度将保持不变D 、给定区域内干涉条纹数目将增加8.用波长可以连续改变的单色光垂直照射一劈形膜,如果波长逐渐变小,干涉条纹的变化情况为A 、明纹间距逐渐减小,并背离劈棱移动B 、明纹间距逐渐变小,并向劈棱移动n 2n 1n 3e①②C 、明纹间距逐渐变大,并向劈棱移动D 、明纹间距逐渐变大,并背向劈棱移动9.当空气劈尖的劈尖角增大时，干涉条纹将A 、远离劈棱，且变密集；B 、远离劈棱，且变稀疏；C 、向劈棱移动，且变密集；D 、向劈棱移动，且变稀疏10.如图所示，折射率为2n 、厚度为e 的透明介质薄膜的上方和下方的透明介质的折射率分别为1n 和3n ，已知321n n n ><．若用波长为λ的单色平行光垂直入射到该薄膜上，则从薄膜上、下两表面反射的光束①与②的光程差是A 、222λ-e n B 、en 22C 、2222λn e n -D 、2222n e n λ-11.一种塑料透明薄膜的折射率为1.85，把它贴在折射率为1.52的车窗玻璃上，根据干涉原理，以增强反射光强度，从而保持车内比较凉快。
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
大学物理波动光学总结
大学物理波动光学总结光学是物理学中的一个重要分支，涉及到光的传播和相互作用。
其中，波动光学是光学中的一块重要内容。
波动光学研究的是光的波动性质，探究光的传播和现象。
1. 光的波动性质光既可以被看作粒子，也可以被看作波动。
然而，在波动光学中，我们主要探究的是光的波动性质。
光的波动包括波长、频率、振幅等方面。
波长是指光波的一个周期所对应的距离。
频率则代表了单位时间内光波的周期数。
振幅是指光波振动的最大值。
2. 光的干涉现象光的干涉是波动光学研究领域中的重要内容。
干涉是指两个或多个光波叠加形成干涉图样的现象。
干涉现象可以分为两种类型：建立在同一光源上的相干光干涉和来自不同光源的非相干光干涉。
在干涉实验中，我们通常会使用干涉仪来观察干涉现象，如杨氏双缝实验、劈尖实验等。
3. 杨氏双缝实验杨氏双缝实验是波动光学中著名的实验之一，用于研究光的干涉现象。
实验中，一束单色光射在一块挡板上，挡板上有两条细缝。
通过这两条细缝，光波通过后形成干涉图样。
干涉图样具有一系列亮纹和暗纹，亮纹表示光的干涉增强区域，暗纹则表示光的干涉减弱或完全抵消的区域。
4. 劈尖实验劈尖实验也是一个常见的波动光学实验，用于研究光的干涉现象。
该实验中，一束单色光通过一个小孔射到屏幕上，形成一个波前。
在波前上放置一个劈尖，劈尖上有一只细缝。
细缝缝宽约为光的波长数量级，从而使光通过细缝后发生衍射，形成一系列干涉图样。
通过这些干涉图样，我们可以研究光的波动性质。
5. 衍射现象衍射是波动光学中的重要现象之一。
通过衍射实验，可以观察到光波通过细缝等物体后，逐渐分散出来，形成一系列交替的明暗区域。
这些明暗区域就是衍射图样。
衍射图样的形态取决于光的波长、衍射物体的大小和形状。
6. 光的偏振现象在波动光学中，我们还需要了解光的偏振。
光的偏振是指光波中的电矢量在空间中的偏振方向。
常见的光偏振现象有线偏振光和圆偏振光。
线偏振光是指光波中的电矢量在空间中只沿一个方向振动；而圆偏振光则是指电矢量在空间中以圆周方式振动。
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光波是是一看种得电见磁的现电象磁，波即，光其是波看长得在见3的90电0n磁m~波76，0n把m之光间现，象频与
率在电7磁.5现×象10做14了~完4美.1的×统10一14H。z之爱间因。斯这坦个在范19围05之年间创的立光狭波义就
此时，光强将是位置的函数。光波在空间不同的区域的叠加， 将形成强弱分布稳定的光强分布，即为相干叠加
这种现象称为光的干涉，形成的空间周期性的分布图像称为 干涉花样
⑶干涉明暗条件
(a) 相长干涉（明）
2kπ ,
I Imax I1 I2 2 I1I2
k 0,1,2,3...
(b) 相消干涉（暗）
3.量子光学：从光量子性质出发研究光的辐射及光与 物质的相互作用的问题。
13.1 光的电磁理论
13.1.1 光的微粒学说与波动学说之争
微粒说：认为光是按照惯性定律沿直线飞行的粒子流。可解 释了光的直线传播定律,并能对光的反射,折射作一定的解释。 代表：牛顿
波动说：认为“光同声一样，是以球形波面传播”，光是
光源的分类：
激光光源 普通光源
热光源：利用热能激发的光源 电致发光：由电能直接转换为光能 光致发光：由光激发引起的发光现象
化学发光：由化学反应引起的发光现象
以后讨论的光波如不特别说明都是普通光源发出的。
13.2.2 光波的叠加
⑴.光波的叠加 设频率相同、振动方向相同的两列简谐光波， 在同一均匀介质中传播至空间任意点P处相遇时，其光矢量振 动方程分别为
在一种特殊弹性媒质中传播的机械波，并且是纵波。代表：
惠更斯和菲涅耳
通过实验验证：
•干涉 •衍射 •偏振
13.1.2 光的电磁理论
旧根波据动麦理克论斯和韦微电粒磁学波说理一论样，，电都场是强建度立矢在量机与械磁论感的应基强础 之度上矢，量把周光期现性象变看化作在是空一间种的机传械播运形动成过电程磁，波认。为电光磁是波在中 某能种引特起殊视弹觉性和介使质感一光“材以料太感”光中的传原播因的主弹要性是波振。动这着就的产电 生场一强系度列，矛并盾把电场的振动称为光振动，电场强度称为光 矢量。
r1 )
r12 ) 2
2
(
n2 r2
2
1
n2 2
s1* s 2*
n1r1 )
n11
r1
n1
P
r2
n2
2 (n2r2 n1r1 )
2
可见，两列光波的位相差，不仅与它们经过 的几何路程有关，还与介质有关。
13.3.3 薄透镜的等光程性
A F
o
B A
F'
B
焦平面
13.3.4 半波损失
当光波从光疏介质正入射或掠入射到光密介质时，介质的 分界面上，反射光的相位与入射光的相位之间产生的相位 突变，这一变化相当于反射光光程变化了半个波长
r2
根据几何关系：
r22
D2
(x
d )2 2
r12
D2
(x
d )2 2
D
(r2 r1 )(r2 r1 ) 2dx
ndx D
k
(k
1 2
)
明纹 暗纹
ndx D
k
(k
1 )
2
明纹 暗纹
s
s1
d
s2
是可相见对光论。，人根眼本感上知否的定颜了色“由以频太率”决的定存。在，光波可以在自
由空间传播。
表13.1.1 可见光七彩颜色对应的波长和频率范围
光色 波长范围 (nm)
红 760~622
橙 622~597 黄 597~577
绿 577~492
青 492~470 兰 470~455 紫 455~400
(2k 1)π ,
I Imin I1 I2 2 I1I2
k 0,1,2,3...
(c) 若相位差为其他任意值时，光强介于明暗之间。
(20
10
)
2 n
(r2
r1)
13.2.3 获得相干光的方法
⑴.分波阵面法
在光源发出的光的某一波面上， 分割出两个（多个）子波源，他们 发出的光可产生干涉现象，此法称 为分波阵面法。
中心 频率(Hz)
4.5 1014 4.9 1014
5.3 1014 5.5 1014
6.5 1014
6.8 1014
7.3 1014
中心波长 (nm)
660 610 570 540 480 460 430
13.2 光源 光波的叠加 13.2.1 光源 普通光源的发光机制
⑴ 光源 能发光的物体称为光源。
第13章 波动光学
绪论
光学：是研究光的本性,光的传播以及它和物质相互作 用的学科。
光学可分为三个分支： 1.几何光学：几何光学主要是从直线传播，折射、反射 定律等实验定律出发，基于光线模型讨论光的传播规律， 主要用于处理光学成像问题 。
2.波动光学：以光波这一模型研究光的波动性的干涉、 衍射、偏振等的学科。
例：光程差为
附加光程差为
12
0 2n2e
n11
n1
22
总光程差光程为
0
2n2e
2
n2
n3
e
相位差为
2
2
(2n2e
)
2
4n2e
13.4 双缝干涉
13.4.1 杨氏双缝干涉
⑴ 干涉装置
s s1
缝 s2
光双 源缝
干
涉
条
光
纹
屏
⑵ 光程差计算
n(r r )
2
1
s1
r1
s
P
x
d
s2
路程。光程就是折算到真空中的路程。
⑵ 光程差
两束光的光程之差。 n2r2 n1r1
13.3.2 光程差和位相差的关系
两振动初相相同的相干光，经过
n2r2 n1r1
不同的介质到达P点，两光波在P
点引起的振动为：
t
E1
E10
cos
2π ( T
E2
E20
cos
2π ( t T
2 r2 2 r1
E1
E10cos(2t
2r1 n
10
)
E2
E20cos(2t
2r2 n
2)
在P点叠加形成光波的振幅为
P
E0
E2 10
波的相位差，有
r1
· 1 r2
(
20
10
)
2 n
(r2
r1
)
0
p
2·
(2) 相干叠加 若 0 恒定， 就仅是位置的函数，则
I I1 I2 2 I1I2 cos
⑵.分振幅法 一列光波经过反射、折射后，形
成的两列光波就是相干光产生干涉 的方法称为分振幅法。
光 源
*
s1 s2
波阵面分割法
振幅分割法
13.3 光程 光程差
13.3.1 光 程
⑴ 定义：光通过的几何路程与介质折射率之积。
nr
光程的物理意义：
r
n
nr c r c r c t
v
v
即光程nr等于在相同的时间内光在真空中传播的几何