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《光学》PPT课件
6
•沈括（1031～1095年）所著《梦溪笔谈》中，论述了凹面镜、 凸面镜成像的规律，指出测定凹面镜焦距的原理、虹的成因。 培根（1214～1294年）提出用透镜校正视力和用透镜组成望 远镜的可能性。 阿玛蒂（1299年）发明了眼镜。 波特（1535～1561年）研究了成像暗箱。
沈括（1031～1095年） 培根（1214～1294年）
1、光的发射、传播和接收等规律 2、光和其他物质的相互作用。包括光的吸收、散射和色散。 光的机械作用和光的热、电、化学和生理作用（效应）等。 3、光的本性问题
4、光在生产和社会生活中的应用
三、研究方法
实验 ——假设 ——理论 ——实验
3
§0-2 光学发展简史
一、萌芽时期 世界光学的（知识）最早记录，一般书上说是古希腊欧
5
• 克莱门德（公元50年）和托勒玫（公元90～168年）研 究了光的折射现象，最先测定了光通过两种介质分界面 时的入射角和折射角。
• 罗马的塞涅卡（公元前3～公元65年）指出充满水的玻璃 泡具有放大性能。
• 阿拉伯的马斯拉来、埃及的阿尔哈金（公元965～1038 年）认为光线来自被观察的物体，而光是以球面波的形 式从光源发出的，反射线与入射线共面且入射面垂直于 界面。
几里德关于“人为什么能看见物体”的回答，但应归中国的 墨翟。从时间上看，墨翟（公元前468～376年），欧几里德 （公元前330～275年），差一百多年。
墨翟（公元前468～376年）
4
• 从内容上看，墨经中有八条关于光学方面的（钱临照， 物理通极，一卷三期，1951）第一条，叙述了影的定 义与生成；第二条说明光与影的关系；第三条，畅言 光的直线传播，并用针孔成像来说明；第四条，说明 光有反射性能；第五条，论光和光源的关系而定影的 大小；第六、七、八条，分别叙述了平面镜、凹球面 镜和凸球面镜中物和像的关系。欧几里德在《光学》 中，研究了平面镜成像问题，指出反射角等于入射角 的反射定律，但也同时反映了对光的错误认识——从 人眼向被看见的物体伸展着某种触须似的东西。
•沈括（1031～1095年）所著《梦溪笔谈》中，论述了凹面镜、 凸面镜成像的规律，指出测定凹面镜焦距的原理、虹的成因。 培根（1214～1294年）提出用透镜校正视力和用透镜组成望 远镜的可能性。 阿玛蒂（1299年）发明了眼镜。 波特（1535～1561年）研究了成像暗箱。
沈括（1031～1095年） 培根（1214～1294年）
1、光的发射、传播和接收等规律 2、光和其他物质的相互作用。包括光的吸收、散射和色散。 光的机械作用和光的热、电、化学和生理作用（效应）等。 3、光的本性问题
4、光在生产和社会生活中的应用
三、研究方法
实验 ——假设 ——理论 ——实验
3
§0-2 光学发展简史
一、萌芽时期 世界光学的（知识）最早记录，一般书上说是古希腊欧
5
• 克莱门德（公元50年）和托勒玫（公元90～168年）研 究了光的折射现象，最先测定了光通过两种介质分界面 时的入射角和折射角。
• 罗马的塞涅卡（公元前3～公元65年）指出充满水的玻璃 泡具有放大性能。
• 阿拉伯的马斯拉来、埃及的阿尔哈金（公元965～1038 年）认为光线来自被观察的物体，而光是以球面波的形 式从光源发出的，反射线与入射线共面且入射面垂直于 界面。
几里德关于“人为什么能看见物体”的回答，但应归中国的 墨翟。从时间上看，墨翟（公元前468～376年），欧几里德 （公元前330～275年），差一百多年。
墨翟（公元前468～376年）
4
• 从内容上看，墨经中有八条关于光学方面的（钱临照， 物理通极，一卷三期，1951）第一条，叙述了影的定 义与生成；第二条说明光与影的关系；第三条，畅言 光的直线传播，并用针孔成像来说明；第四条，说明 光有反射性能；第五条，论光和光源的关系而定影的 大小；第六、七、八条，分别叙述了平面镜、凹球面 镜和凸球面镜中物和像的关系。欧几里德在《光学》 中，研究了平面镜成像问题，指出反射角等于入射角 的反射定律，但也同时反映了对光的错误认识——从 人眼向被看见的物体伸展着某种触须似的东西。
《物理光学》PPT课件
h N / 2 单色光波长
M1走过的距离 视场中心移过的条纹的数目
6
3、泰曼干涉仪 结构原理 在迈克尔逊干涉仪的一个光路中加入了被测光学器件
单色准直光照明，使产生等厚干涉条纹，用于检验光 学零件的综合质量 检验原理 通过研究光波波面经光学零件后的变形确定零件质量
7
8
4、马赫－曾德干涉仪
结构和光路走向如图 适用于研究气体密度迅速 变化的状态
IG
Ii
1
F
s
Ii in
2
22
在F点，1＝2m
2
,
2
2 m
2
IF
1
2Ii F sin2 (
4)
1
2Ii F(
4)2
G1 G2
Dd
d1
d2
当IF 0.81IM时，
2Ii 1 F(
4)2
0.81
Ii
Ii
1 F(
2)2
得到 其中
＝4.15 2.07 Fs
s F ，为条纹精细度。 2
＝ 4 ＝21－，当 1时，变得很小。
F
(5) 条纹精细度s
定义：相邻条纹相位差2与 条纹锐度之比
s 2
F
2 1
反射率越趋近于1, s值越大，
条纹越精细，条纹锐度也越好。
二、法布里－泊罗干涉仪（一种多光束干涉装置）
（一）仪器结构
法布里－泊罗标准具（F-P)
玻璃板或石英板 隔圈
镀膜（提高表面的反射率）
......
Anr A(i)tt(r)(2n1) exp i(n 1) ,
r
t'
t
r'
r'
物理光学课件：1_4光的吸收色散和散射
所以透明是一个相对的概念。是由其内部原子结构和电磁波 穿透力决定的。
二,光的色散
❖ 光的色散的定义： 光在物质中传播时，其折射率（传播速度）随 光波频率（波长）而变的现象。 ❖ 光的色散分两种：正常色散、反常色散。
正常色散:折射率随光波长的 增大而减少,其色散曲线 n呈 单调下降。
色散率：dn/d，介质的折射率随波长的变化率
2．物理机制
光通过非均匀物质时，杂质微粒的线度一 般比光的波长小，它们彼此间的距离比波长大， 而且排列毫无规则。因此，当它们在光作用下 振动时彼此间无固定的相位关系，次级辐射的 不相干叠加，各处不会相消，从而形成散射光。
瑞利散射：1) 稀薄气体以及悬浮微粒的散射（d <λ/ 10）
2) 纯净气体或液体的散射（分子散射）
例2. 蜜蜂靠天空光的偏振性辨别方向（蜜蜂的眼睛中 有对偏振敏感的器官）
米氏散射的特点：
（1）散射光的强度与入射光波长的依赖关系不很显著， 因此散射光的颜色与入射光的颜色相近；（白云）
（2）前向散射较多（瑞利散射前后对称，中间最少）
( 极强光， 不再是常数，以上的布格尔定律不成立。)
自变透明现象，自变吸收现象: 非线性效应 比尔定律
比尔（A. Beer）于1852年从实验上证明，稀释溶液 的吸收系数a 正比于溶液的浓度C
C
I I0eCl
式中为与溶液浓度无关的常数，反映了溶液中吸收
物质分子的特征。
仅适用于稀释溶液。
(二) 吸收的波长选择性
选择吸收是光和物质相互作用的普遍规律，由于选择吸收， 任何光学材料在紫外和红外端都有一定的透光极限，这一 点对于制作分光仪器中的棱镜，透镜材料选取显得非常重 要。
光的吸收
❖ （1）对于可见光来说,各种物质的吸收系数
二,光的色散
❖ 光的色散的定义： 光在物质中传播时，其折射率（传播速度）随 光波频率（波长）而变的现象。 ❖ 光的色散分两种：正常色散、反常色散。
正常色散:折射率随光波长的 增大而减少,其色散曲线 n呈 单调下降。
色散率：dn/d，介质的折射率随波长的变化率
2．物理机制
光通过非均匀物质时，杂质微粒的线度一 般比光的波长小，它们彼此间的距离比波长大， 而且排列毫无规则。因此，当它们在光作用下 振动时彼此间无固定的相位关系，次级辐射的 不相干叠加，各处不会相消，从而形成散射光。
瑞利散射：1) 稀薄气体以及悬浮微粒的散射（d <λ/ 10）
2) 纯净气体或液体的散射（分子散射）
例2. 蜜蜂靠天空光的偏振性辨别方向（蜜蜂的眼睛中 有对偏振敏感的器官）
米氏散射的特点：
（1）散射光的强度与入射光波长的依赖关系不很显著， 因此散射光的颜色与入射光的颜色相近；（白云）
（2）前向散射较多（瑞利散射前后对称，中间最少）
( 极强光， 不再是常数，以上的布格尔定律不成立。)
自变透明现象，自变吸收现象: 非线性效应 比尔定律
比尔（A. Beer）于1852年从实验上证明，稀释溶液 的吸收系数a 正比于溶液的浓度C
C
I I0eCl
式中为与溶液浓度无关的常数，反映了溶液中吸收
物质分子的特征。
仅适用于稀释溶液。
(二) 吸收的波长选择性
选择吸收是光和物质相互作用的普遍规律，由于选择吸收， 任何光学材料在紫外和红外端都有一定的透光极限，这一 点对于制作分光仪器中的棱镜，透镜材料选取显得非常重 要。
光的吸收
❖ （1）对于可见光来说,各种物质的吸收系数
第一章 光学导论 物理光学课件
43二两个频率相同振动方向相同的单色光波的叠加一三角函数的叠加cos1tcoskr1akr1e令tkrae2kr1222111cosacostataeee得到的合振动cosa2a2212221122112121a2221a22acoscossinsincosaatgaate式中44二复函数的叠加exptiexpaetiae222111expexptiatiaeee22112122112211212122212coscossinsincosa2expaaaaaatgaaaetiaeti式中得到的合振动45三对叠加结果的分析主要对象为合成的光强cos2121222122位相差aaaaai21n合成光强的大小取决于210有当时有时当21122miimmiimmminmax2121212rrnrrrk分析叠加结果的重要物理量2光程差21r46三驻波两个频率相同振动方向相同而传播方向相反的单色光波的叠加将形成驻波
满眼生机转化钧， 天工人巧日争新。 预支五百年新意， 过了千年又觉陈。
虽然大器晚年成， 卓荦全凭弱冠争。 多识前言畜其德， 莫抛心力贸才名。
1
课程要求
• 课堂笔记 • 平时作业 • 考试成绩 • 严肃纪律
4
电磁波辐射是以两个互相耦合的波矢量方式来传递的，一 个是电场波，一个是磁场波。波动光学理论近似于电磁理论， 它只说明了光是一个具有时间和位置的标量函数（波函数）。 几何光学是在短波长范围的更进一步简化，因此，可以认为电 磁光学包含了波动光学，而波动光学又包含了几何光学。量子 光学的理论几乎可以解释所有光学现象，比电磁光学更具一般 性。全量子理论可以解释经典或半经典所不能解释的自发辐射、 光子统计和激光线宽等问题。
四、平面电磁波及其性质
（一）波动方程的平面波解
1、方程求解：
满眼生机转化钧， 天工人巧日争新。 预支五百年新意， 过了千年又觉陈。
虽然大器晚年成， 卓荦全凭弱冠争。 多识前言畜其德， 莫抛心力贸才名。
1
课程要求
• 课堂笔记 • 平时作业 • 考试成绩 • 严肃纪律
4
电磁波辐射是以两个互相耦合的波矢量方式来传递的，一 个是电场波，一个是磁场波。波动光学理论近似于电磁理论， 它只说明了光是一个具有时间和位置的标量函数（波函数）。 几何光学是在短波长范围的更进一步简化，因此，可以认为电 磁光学包含了波动光学，而波动光学又包含了几何光学。量子 光学的理论几乎可以解释所有光学现象，比电磁光学更具一般 性。全量子理论可以解释经典或半经典所不能解释的自发辐射、 光子统计和激光线宽等问题。
四、平面电磁波及其性质
（一）波动方程的平面波解
1、方程求解：
《光学》全套课件 PPT
τ
cosΔ
dt =0
τ0
I = I1 +I2
叠加后光强等与两光束单独照射时的光强之和，
无干涉现象
2、相干叠加 满足相干条件的两束光叠加后
I =I1 +I2 +2 I1I2 cosΔ 位相差恒定，有干涉现象
若 I1 I2
I =2I1(1+cosΔ
)
=4I 1cos2
Δ 2
Δ =±2kπ I =4I1
r2
§1-7 薄膜干涉
利用薄膜上、下两个表面对入射光的反射和 折射，可在反射方向(或透射方向)获得相干光束。
一、薄膜干涉 扩展光源照射下的薄膜干涉
在一均匀透明介质n1中
放入上下表面平行,厚度
为e 的均匀介质 n2(>n1)，
用扩展光源照射薄膜，其
反射和透射光如图所示
a
n1
i
a1 D
B
n2
A
n1 C
2、E和H相互垂直，并且都与传播方向垂直，E、H、u三者满 足右螺旋关系，E、H各在自己的振动面内振动，具有偏振性．
3、在空间任一点处
εE = μH
4、电磁波的传播速度决定于介质的介电常量和磁导率，
为
u= 1 εμ
在真空中u= c =
1 ≈3×108[m ε0μ0
s 1]
5、电磁波的能量
S
=E
×H ,
只对光有些初步认识，得出一些零碎结论，没有形
成系统理论。
二、几何光学时期
•这一时期建立了反射定律和折射定律，奠定了几何光学基础。
•李普塞（1587～1619）在1608年发明了第一架望远镜。
•延森（1588～1632）和冯特纳（1580～1656）最早制作了复 合显微镜。 •1610年，伽利略用自己制造的望远镜观察星体，发现了木星 的卫星。 • 斯涅耳和迪卡尔提出了折射定律
物理光学PPT课件
• 例：
• 在可见光范围内，一般的光学玻璃，吸收都很小且不随波长而变， 它就是一般吸收。而有色玻璃则是在可见光范围内具有选择吸收 的媒质。例如，“红”玻璃是对红色微弱地吸收，而对绿色，蓝 色 及 紫 色 光 显 著 吸 收 的 玻第璃3页。/共若1有9页一 束 白 光 通 过 这 片 玻 璃 ， 就 只
而变。散射光强度随波长而变的关系已不是与成反
比了，而是与波长较低级次成反比，因此散射光强
度与波长的关系就不很显著。与小质点的情况相比，
散射光颜色与入射光较相近，是白色而不是蓝色，
而散射光的偏振度也随增加而减小，式中r是散射粒
子的线度，是入射光的波长。而散射光强度的角分
布随的变化则更为显著，当散射粒子的线度与光波
• 吸收和气体的压力、温度、密度等均有密切的关系， 一般是气体密度愈大，它对光的吸收也就愈严重。 在实际工作中应考虑上述因素对吸收的影响，例如 在激光通讯中，讨论大气对激光束的吸收时，就要 考虑这些问题。 第11页/共19页
5-2-6 固体和液体的吸收
• 固体和液体（包括染料溶液）对光吸收的特点，主要是具有很宽的 吸收带（即吸收系数随波长变化的曲线比较平滑），当然也有吸收 带很窄的物质。
dI adl I
l 0 I I0
I I0ea1
l
1 a
I I0 I0 e 2.72
第2页/共19页
§5-2 介质的吸收与色散
• 一般吸收：有些媒质，在一定波长范围内，吸收系数不 随波长而变（严格说来是随波长的变化可以忽略不计）， 这种吸收就称为一般吸收。
• 选择吸收：有些媒质，在一定波长范围内，吸收系数随 波长而变，这种吸收就称为选择吸收。
d
• 在实际工作中，选用光学材料时应注意其色散的大小，例如，同样
• 在可见光范围内，一般的光学玻璃，吸收都很小且不随波长而变， 它就是一般吸收。而有色玻璃则是在可见光范围内具有选择吸收 的媒质。例如，“红”玻璃是对红色微弱地吸收，而对绿色，蓝 色 及 紫 色 光 显 著 吸 收 的 玻第璃3页。/共若1有9页一 束 白 光 通 过 这 片 玻 璃 ， 就 只
而变。散射光强度随波长而变的关系已不是与成反
比了，而是与波长较低级次成反比，因此散射光强
度与波长的关系就不很显著。与小质点的情况相比，
散射光颜色与入射光较相近，是白色而不是蓝色，
而散射光的偏振度也随增加而减小，式中r是散射粒
子的线度，是入射光的波长。而散射光强度的角分
布随的变化则更为显著，当散射粒子的线度与光波
• 吸收和气体的压力、温度、密度等均有密切的关系， 一般是气体密度愈大，它对光的吸收也就愈严重。 在实际工作中应考虑上述因素对吸收的影响，例如 在激光通讯中，讨论大气对激光束的吸收时，就要 考虑这些问题。 第11页/共19页
5-2-6 固体和液体的吸收
• 固体和液体（包括染料溶液）对光吸收的特点，主要是具有很宽的 吸收带（即吸收系数随波长变化的曲线比较平滑），当然也有吸收 带很窄的物质。
dI adl I
l 0 I I0
I I0ea1
l
1 a
I I0 I0 e 2.72
第2页/共19页
§5-2 介质的吸收与色散
• 一般吸收：有些媒质，在一定波长范围内，吸收系数不 随波长而变（严格说来是随波长的变化可以忽略不计）， 这种吸收就称为一般吸收。
• 选择吸收：有些媒质，在一定波长范围内，吸收系数随 波长而变，这种吸收就称为选择吸收。
d
• 在实际工作中，选用光学材料时应注意其色散的大小，例如，同样
《光学》全套课件
干涉现象及其条件分析
干涉现象定义
干涉是指两列或几列光波在空间某些区域 叠加时，相互加强或减弱的现象。
干涉条件
两列光波的频率相同、振动方向相同、相 位差恒定。
常见干涉类型
杨氏双缝干涉、薄膜干涉等。
干涉现象应用
测量光波波长、检测光学元件表面质量等 。
衍射现象及其分类讨论
衍射现象定义
衍射是指光波在传播过程中，遇
黑体辐射概念及历史背景
01
阐述黑体辐射的定义、历史背景以及与经典物理学的矛盾。
普朗克黑体辐射公式
02
介绍普朗克为解决黑体辐射问题提出的能量量子化假设，以及
由此导出的黑体辐射公式。
公式验证及意义
03
通过实验验证普朗克公式的正确性，并探讨其在物理学史上的
重要意义。
光电效应实验原理及结果分析
1 2 3
光电效应实验装置及原理
到障碍物或穿过小孔时，偏离直
线传播的现象。
01
衍射分类
02 根据障碍物或孔的尺寸与光波长
的相对大小，可分为菲涅尔衍射
和夫琅禾费衍射。
常见衍射现象
单缝衍射、圆孔衍射、光栅衍射 等。 03
衍射现象应用
04 光谱分析、光学成像等。
偏振现象及其产生原因分析
偏振现象定义
偏振是指光波中电场矢量方向在传播过程中有规则变化的 现象。
介绍量子光学的研究内容，包括光的量子态、量子纠缠、量子通信等，
以及该领域的研究进展和未来发展方向。
03
量子光学在现代科技中应用前景
探讨量子光学在现代科技中的应用前景，如在量子计算、量子通信、量
子精密测量等领域的应用潜力。
05
非线性光学简介
物理光学讲课课件
物理光学讲课课件
目录
• 引言 • 光的干涉 • 光的衍射 • 光的偏振 • 光的吸收、色散和散射 • 现代光学技术及应用
01
引言
光学的发展历程
早期光学
从反射和折射定律的发现到光的波动理 论的提出。
几何光学
建立光的直线传播、反射和折射定律， 以及透镜成像等理论。
物理光学
从光的干涉、衍射和偏振等现象的研究 ，到光的电磁理论的确立。
非线性光学简介
非线性光学现象
阐述非线性光学中的基本 现象，如二次谐波产生、 和频与差频产生、光整流 、光克尔效应等。
非线性光学材料
介绍常见的非线性光学材 料，如晶体、半导体、有 机材料和光纤等，并分析 其特性。
非线性光学器件
概述非线性光学器件的原 理和应用，如光开关、光 限幅器、光逻辑门等。
量子光学简介
衍射条纹。
04
光的偏振
偏振现象和分类
偏振现象
光波在传播过程中，光矢量（即 电场强度矢量E）的振动方向对于 光的传播方向失去对称性的现象 。
分类
根据光矢量末端在垂直于传播方 向的平面上描绘出的轨迹形状， 可分为线偏振光、圆偏振光和椭 圆偏振光。
马吕斯定律和布儒斯特角
马吕斯定律
描述线偏振光通过偏振片后的透射光强与入射光强及偏振片透振方向之间的关 系，即$I = I_0 cos^2 theta$，其中$I_0$为入射光强，$theta$为透振方向与 入射光振动方向之间的夹角。
光电转换
将光能转换成电能或其他形式的能 量，应用于太阳能电池、光电探测 器等器件中。
02
光的干涉
干涉现象和条件
01
干涉现象
两列或多列波在空间某些区域 振动加强，在另一些区域振动 减弱，形成稳定的强弱分布的
目录
• 引言 • 光的干涉 • 光的衍射 • 光的偏振 • 光的吸收、色散和散射 • 现代光学技术及应用
01
引言
光学的发展历程
早期光学
从反射和折射定律的发现到光的波动理 论的提出。
几何光学
建立光的直线传播、反射和折射定律， 以及透镜成像等理论。
物理光学
从光的干涉、衍射和偏振等现象的研究 ，到光的电磁理论的确立。
非线性光学简介
非线性光学现象
阐述非线性光学中的基本 现象，如二次谐波产生、 和频与差频产生、光整流 、光克尔效应等。
非线性光学材料
介绍常见的非线性光学材 料，如晶体、半导体、有 机材料和光纤等，并分析 其特性。
非线性光学器件
概述非线性光学器件的原 理和应用，如光开关、光 限幅器、光逻辑门等。
量子光学简介
衍射条纹。
04
光的偏振
偏振现象和分类
偏振现象
光波在传播过程中，光矢量（即 电场强度矢量E）的振动方向对于 光的传播方向失去对称性的现象 。
分类
根据光矢量末端在垂直于传播方 向的平面上描绘出的轨迹形状， 可分为线偏振光、圆偏振光和椭 圆偏振光。
马吕斯定律和布儒斯特角
马吕斯定律
描述线偏振光通过偏振片后的透射光强与入射光强及偏振片透振方向之间的关 系，即$I = I_0 cos^2 theta$，其中$I_0$为入射光强，$theta$为透振方向与 入射光振动方向之间的夹角。
光电转换
将光能转换成电能或其他形式的能 量，应用于太阳能电池、光电探测 器等器件中。
02
光的干涉
干涉现象和条件
01
干涉现象
两列或多列波在空间某些区域 振动加强，在另一些区域振动 减弱，形成稳定的强弱分布的
《物理光学》课件
过一定时间以后，电磁振动所到达的各点将构成一个以O点为中
心的球面，如图所示。这时的波阵面是球面，这种波就称为球
面波。
光线
波面
O
R
设图中的球面波为单色光波。由于球面波波面上各点的位相相 同，因此只需研究从O点发出的任一方向上各点的电磁场变化规 律，即可知道整个空间的情况。 取沿OR方向传播的光波为对象。设O点的初相为0，则距O点为r 的某点P的位相为
nc v
代入c、v各自的表达式，有
n c v
00
rr
r为相对介电常数，r为相对磁导率。
对除磁性物质以外的大 多数物质而言， r 1,故 n r
这个表达式称麦克斯韦 关系。
§3 平面电磁波 本节根据波动的两个偏微分方程，结合边界条件、初始条件，
得出其中的平面波解－平面波的波函数。
对积分得
2E z 2
1 v2
2E t 2
2E 4
0
即
E
0
E g
g 是的任意矢量函数
再对 积分得
E
g
d
f2
f1
f2
f1z vt f2 z vt
vt
取周期为2的余弦函数作为波动方 程的特解：
E
A cos
2
z
vt
3
B
A
cos
2
z
vt
4
二 平面简谐波
（3）（4）式是平面简谐波的波函数，即我们认定研究的电磁 波为平面简谐波。
《光学》全套课件 PPT
[美]机载激光系统
•近年又产生了付立叶光学和非线性光学。 •付立叶光学：将数学中的付立叶变换和通讯中的线性系 统理论引入光学。
§1-1 光的电磁理论
一、光的电磁理论 按照麦克斯韦电磁场理论，变化的电场会产生变化 的磁场，这个变化的磁场又产生变化的电场，这样变化 的电场和变化的磁场不断地相互激发并由近及远地传播 形成电磁波。
•1610年，伽利略用自己制造的望远镜观察星体，发现了木星 的卫星。
• 斯涅耳和迪卡尔提出了折射定律
三、波动光学时期
• 1801年，托马斯· 杨做出了光的双缝干涉实验 • 1808年，马吕发现了光在两种介质界面上反射时的偏振性。
托马斯· 杨
பைடு நூலகம்
惠更斯
牛顿
• 1815年，菲涅耳提出了惠更斯——菲涅耳原理 • 1845年，法拉弟发现了光的振动面在强磁场中的旋转，揭 示了光现象和电磁现象的内在联系。 • 1865年，麦克斯韦提出，光波就是一种电磁波 通过以上研究，人们确信光是一种波动。
三、研究方法
实验 ——假设 ——理论 ——实验
§0-2 光学发展简史
一、萌芽时期 世界光学的（知识）最早记录，一般书上说是古希腊欧 几里德关于“人为什么能看见物体”的回答，但应归中国的 墨翟。从时间上看，墨翟（公元前468～376年），欧几里德 （公元前330～275年），差一百多年。
墨翟（公元前468～376年）
红 橙 黄 绿 青 蓝 紫
760nm~630nm 630nm~590nm 590nm~570nm 570nm~500nm 500nm~460nm 460nm~430nm 430nm~400nm
光在不同媒质中传播时，频率不变，波 长和传播速度变小。 折射率 n = c = ε μ r r
物理光学PPT课件02.球面波
进一步验证了球面波的理论预测。
衍射实验
衍射实验原理
衍射实验是利用波的衍射现象来验证球面波的存在和性质。当球面波遇到障碍物时，它会 产生衍射现象，通过观察衍射图样可以验证球面波的性质。
实验步骤
首先，需要设置一个球面波源和一个障碍物，使球面波遇到障碍物。然后，通过测量衍射 图样，可以计算出球面波的波长、波速等参数。
球面波的动量是指波所携带的动量，它与波的幅度和波数成 正比，是描述波动现象的另一个重要物理量。
03
球面波的应用
Hale Waihona Puke 光学成像透镜成像球面波在透镜的聚焦作用下，可以形成清晰的实像或虚像，这是光学显微镜、 望远镜等光学仪器的基本原理。
全息成像
全息技术利用球面波的干涉和衍射原理，能够记录并再现物体的三维信息，广 泛应用于光学存储、三维显示等领域。
频谱分析实验
频谱分析实验是利用光谱分析仪来测量球面波的频谱，通过分析频谱可以计算出球面波的波长、波速等参数，进 一步验证了球面波的理论预测。
THANKS
感谢观看
波前形状
平面波的波前是平面，而球面波的波 前是球面。
柱面波与球面波的比较
01
02
03
传播方向
柱面波沿垂直于传播方向 的平面扩散，而球面波则 以波源为中心向四周扩散。
波前形状
柱面波的波前是柱面，而 球面波的波前是球面。
能量分布
柱面波在传播过程中能量 分布较为集中，而球面波 的能量随距离增加而减小。
其他复杂波动形式的比较
球面波的传播方向
01
球面波的传播方向与波前的法线 方向一致，即波前的曲率中心为 波的传播方向。
02
在自由空间中，球面波的传播方 向与发射点位置有关，距离发射 点越远，波的传播方向越接近于 直线。
《物理光学》课件
《物理光学》课件一、教学内容本节课我们将学习《物理光学》的第三章“光的干涉”部分。
详细内容包括干涉的基本理论、杨氏双缝干涉实验的原理与操作、干涉条纹的观察与分析以及薄膜干涉现象。
二、教学目标1. 让学生理解并掌握光的干涉的基本原理。
2. 通过杨氏双缝干涉实验，培养学生的实验操作能力和观察能力。
3. 使学生了解并掌握干涉条纹的成因及其应用。
三、教学难点与重点重点：光的干涉原理、杨氏双缝干涉实验、干涉条纹的观察与分析。
难点：干涉条件及干涉条纹的计算。
四、教具与学具准备1. 教具：光学演示仪、激光器、杨氏双缝干涉装置、薄膜干涉装置。
2. 学具：笔记本、铅笔、计算器。
五、教学过程1. 实践情景引入（5分钟）利用激光器和光学演示仪展示干涉现象，引导学生思考光为什么会产生干涉。
2. 理论讲解（15分钟）讲解干涉的基本原理，解释干涉条件及干涉条纹的成因。
3. 例题讲解（10分钟）以杨氏双缝干涉实验为例，讲解如何计算干涉条纹间距。
4. 随堂练习（10分钟）让学生根据干涉原理，计算给定条件下的干涉条纹间距。
5. 实验操作（20分钟）学生分组进行杨氏双缝干涉实验，观察并记录干涉条纹。
6. 结果分析（10分钟）分组汇报实验结果，讨论并分析实验中出现的问题。
7. 课堂小结（5分钟）六、板书设计1. 光的干涉原理2. 杨氏双缝干涉实验干涉条件干涉条纹间距的计算3. 薄膜干涉现象七、作业设计1. 作业题目：计算给定条件下的干涉条纹间距。
答案：根据干涉公式，计算出干涉条纹间距。
2. 作业题目：分析实验中可能出现的问题，并提出解决方案。
答案：列出可能出现的问题及解决方案。
八、课后反思及拓展延伸2. 拓展延伸：了解光的干涉在其他领域的应用，如光纤通信、激光技术等。
探究薄膜干涉现象在实际生活中的应用，如眼镜片、光盘等。
重点和难点解析1. 教学难点与重点的确定2. 教具与学具的准备3. 例题讲解与随堂练习的设计4. 实验操作的过程5. 作业设计一、教学难点与重点的确定（1）光的干涉原理：理解干涉现象的产生条件，掌握光波的叠加原理。
物理光学基础知识ppt课件
04
光源与光谱分析
光源类型及特性
1 2 3
热辐射光源
通过加热物体产生光辐射，如白炽灯、黑体辐射 源等。具有连续的光谱分布，色温与发光体温度 相关。
气体放电光源
利用气体放电产生光辐射，如荧光灯、钠灯等。 光谱分布与放电物质及条件有关，可实现特定波 长的光输出。
激光光源
通过受激辐射产生相干光，具有单色性、方向性 和高亮度等特点。广泛应用于科研、工业、医疗 等领域。
光谱分析原理及方法
光谱分析原理
01
不同物质具有不同的光谱特征，通过对物质发射、吸收或散射
的光进行分析，可以了解物质的成分、结构等信息。
光谱分析方法
02
包括发射光谱分析、吸收光谱分析、拉曼光谱分析、荧光光谱
分析等。各种方法具有不同的特点和适用范围。
光谱仪器
03
常用的光谱仪器有分光光度计、光谱仪、原子发射光谱仪等。
衍射现象
单缝衍射
单色光通过单缝时，在屏幕上形成中央亮纹、两侧明暗相 间的衍射条纹，表明光在传播过程中遇到障碍物或小孔时 会发生偏离直线传播的现象。
圆孔衍射
单色光通过小圆孔时，在屏幕上形成明暗相间的圆环状衍 射条纹，揭示了光的波动性。
泊松亮斑
当单色光照射到不透光的小圆板上时，在圆板后面的屏幕 上会出现一个亮斑，即泊松亮斑，这是光的衍射现象的一 个著名实例。
于携带和使用。
智能化
结合人工智能和机器学习技术 ，实现光学设备的自动化和智 能化操作。
多功能化
将多种光学功能集成在一个设 备上，提高设备的综合性能。
高精度化
提高光学设备的测量精度和稳 定性，满足高精度测量和实验
需求。
06
总结与展望
《物理光学》课件
《物理光学》课件一、教学内容本节课我们将学习《物理光学》第四章——光的干涉。
详细内容包括干涉现象的基本概念、干涉条件、双缝干涉实验、光程差、干涉条纹的观察与分析。
二、教学目标1. 理解光的干涉现象，掌握干涉条件及其应用。
2. 学习双缝干涉实验的原理和操作，能够分析干涉条纹的形成原因。
3. 能够运用所学知识解释实际生活中的干涉现象。
三、教学难点与重点重点：双缝干涉实验的原理、光程差的计算。
难点：干涉条纹的观察与分析，以及干涉现象在生活中的应用。
四、教具与学具准备教具：激光器、双缝干涉仪、光屏、白纸。
学具：笔记本、铅笔、计算器。
五、教学过程1. 实践情景引入：使用激光器和双缝干涉仪展示干涉现象，引导学生观察并思考。
2. 理论讲解：讲解干涉现象的基本概念、干涉条件，解释双缝干涉实验的原理。
3. 例题讲解：以双缝干涉实验为例，讲解光程差的计算方法，分析干涉条纹的形成。
4. 随堂练习：让学生分组操作双缝干涉仪，观察干涉条纹，并计算光程差。
5. 分析讨论：分组汇报观察结果，讨论干涉条纹的特点及其影响因素。
六、板书设计1. 光的干涉定义及条件2. 双缝干涉实验原理3. 光程差的计算4. 干涉条纹的分析七、作业设计1. 作业题目：结合双缝干涉实验，计算光程差，并分析干涉条纹。
答案：见附件。
2. 拓展题目：生活中有哪些光的干涉现象？请举例说明。
八、课后反思及拓展延伸本节课通过实践情景引入、例题讲解、随堂练习等方式，使学生掌握了光的干涉原理及其应用。
课后，教师应反思教学效果，针对学生的掌握情况，进行针对性的辅导。
同时，鼓励学生关注生活中的光学现象，提高其学以致用的能力。
重点和难点解析1. 双缝干涉实验的原理和操作。
2. 光程差的计算。
3. 干涉条纹的观察与分析。
4. 生活中的干涉现象举例。
一、双缝干涉实验的原理和操作实验原理：1. 光源（如激光）发出的光波经过两个非常接近的狭缝，分别形成两束相干光。
2. 这两束光在狭缝后的光屏上相遇，发生干涉现象，形成明暗相间的条纹。
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物理光学
绪论
1. 物理光学的研究对象和内容
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
几何光学 物理光学 现代光学
波动光学 量子光学
几何光学：基于“光直线传播”的概念讨论光的传播规律 几何光学三个基本定律（直线传播，折射、反射定律）。
是光波衍射规律的短波近似。
它们在方法上是几何的，在物理上不涉及光的本质。
f ( ) 1 cos Ts ( )
在三个坐标轴方向上方向的空间频率为：
fx
cos
fy
cos
fz
cos
f x , f y , fz 又称为三维简谐波固有空间频率 f 的坐标轴分量。
f
2 x
f
2 y
f
2 z
1
2
f
2
光波的空间频率分量反映了波的传播方向， 所以可以根据光的波长和空间频率分量写出 波函数：
I A2 E(r ) E*(r )
此公式也适用于非单色光。
x 2π
O
0 y
-2π
共轭光波，也就是与原复振幅共轭的复振幅所描述的光波。 以图1.5的情形为例，z=0平面上的复振幅为：
E(r ) Aexp(ikx sin )
其中的γ也是入射光波的入射角。 其共轭为：
E*(r) Aexp(ikxsin ) Aexpikxsin( )
波面为球面的波被称为球面波。
理想点光源发出的波为球面波。
一个在真空或各向同性介质中的 理想点光源，它向外发射的光波 是球面光波，等相位面是以点光 源为中心、随着距离的增大而逐 渐扩展的同心球面。
1.3.1 球坐标系中的波动微分方程
球面波具有球对称性，在球坐标系中，球面波的波
绪论
1. 物理光学的研究对象和内容
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
几何光学 物理光学 现代光学
波动光学 量子光学
几何光学：基于“光直线传播”的概念讨论光的传播规律 几何光学三个基本定律（直线传播，折射、反射定律）。
是光波衍射规律的短波近似。
它们在方法上是几何的，在物理上不涉及光的本质。
f ( ) 1 cos Ts ( )
在三个坐标轴方向上方向的空间频率为：
fx
cos
fy
cos
fz
cos
f x , f y , fz 又称为三维简谐波固有空间频率 f 的坐标轴分量。
f
2 x
f
2 y
f
2 z
1
2
f
2
光波的空间频率分量反映了波的传播方向， 所以可以根据光的波长和空间频率分量写出 波函数：
I A2 E(r ) E*(r )
此公式也适用于非单色光。
x 2π
O
0 y
-2π
共轭光波，也就是与原复振幅共轭的复振幅所描述的光波。 以图1.5的情形为例，z=0平面上的复振幅为：
E(r ) Aexp(ikx sin )
其中的γ也是入射光波的入射角。 其共轭为：
E*(r) Aexp(ikxsin ) Aexpikxsin( )
波面为球面的波被称为球面波。
理想点光源发出的波为球面波。
一个在真空或各向同性介质中的 理想点光源，它向外发射的光波 是球面光波，等相位面是以点光 源为中心、随着距离的增大而逐 渐扩展的同心球面。
1.3.1 球坐标系中的波动微分方程
球面波具有球对称性，在球坐标系中，球面波的波
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实验装置
激光源、双缝、屏幕。
实验现象
在屏幕上观察到明暗相间的干涉条纹。
理论分析
通过双缝的光波在屏幕上叠加，形成干涉图样。根据干涉条件，可推 导出条纹间距与光源波长、双缝间距及屏幕距离的关系。
薄膜干涉原理及应用
01
薄膜干涉
光波在薄膜前后表面反射后叠加形成的干涉现象。
02 03
原理分析
光波在薄膜前后表面反射时，相位发生变化，当光程差为半波长的奇数 倍时，反射光相互加强，形成亮纹；当光程差为半波长的偶数倍时，反 射光相互减弱，形成暗纹。
光的偏振现象
光波是横波，其振动方向 垂直于传播方向。通过偏 振片可以观察到光的偏振 现象。
几何光学基本概念
光线和光束
光线表示光传播的路径和 方向，光束是由无数条光 线组成的集合。
光的反射和折射
光在两种不同介质的交界 面上会发生反射和折射现 象，遵循反射定律和折射 定律。
透镜成像
透镜是一种光学元件，可 以改变光线的传播方向。 通过透镜可以形成实像或 虚像。
光的色散
色散是指复色光分解为单色光的现象 。牛顿的棱镜实验揭示了光的色散现 象。
02
光的干涉现象
干涉现象及其条件
干涉现象
干涉图样
两列或多列光波在空间某些区域相遇 时，光强在空间重新分布的现象。
明暗相间的条纹，反映了光波的振幅 和相位信息。
干涉条件
两列光波的频率相同、振动方向相同 、相位差恒定。
双缝干涉实验分析
量子光学应用与前景
列举量子光学在量子通信、量子计算、量子精密测量等领域的应 用，以及未来可能的发展趋势和挑战。
06
实验方法与技巧指导
基本实验仪器使用说明
分光计
激光源、双缝、屏幕。
实验现象
在屏幕上观察到明暗相间的干涉条纹。
理论分析
通过双缝的光波在屏幕上叠加，形成干涉图样。根据干涉条件，可推 导出条纹间距与光源波长、双缝间距及屏幕距离的关系。
薄膜干涉原理及应用
01
薄膜干涉
光波在薄膜前后表面反射后叠加形成的干涉现象。
02 03
原理分析
光波在薄膜前后表面反射时，相位发生变化，当光程差为半波长的奇数 倍时，反射光相互加强，形成亮纹；当光程差为半波长的偶数倍时，反 射光相互减弱，形成暗纹。
光的偏振现象
光波是横波，其振动方向 垂直于传播方向。通过偏 振片可以观察到光的偏振 现象。
几何光学基本概念
光线和光束
光线表示光传播的路径和 方向，光束是由无数条光 线组成的集合。
光的反射和折射
光在两种不同介质的交界 面上会发生反射和折射现 象，遵循反射定律和折射 定律。
透镜成像
透镜是一种光学元件，可 以改变光线的传播方向。 通过透镜可以形成实像或 虚像。
光的色散
色散是指复色光分解为单色光的现象 。牛顿的棱镜实验揭示了光的色散现 象。
02
光的干涉现象
干涉现象及其条件
干涉现象
干涉图样
两列或多列光波在空间某些区域相遇 时，光强在空间重新分布的现象。
明暗相间的条纹，反映了光波的振幅 和相位信息。
干涉条件
两列光波的频率相同、振动方向相同 、相位差恒定。
双缝干涉实验分析
量子光学应用与前景
列举量子光学在量子通信、量子计算、量子精密测量等领域的应 用，以及未来可能的发展趋势和挑战。
06
实验方法与技巧指导
基本实验仪器使用说明
分光计
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所谓平面波，是指电场和磁场在垂直于传播方向的平面内各点
具有相同值的波。
设平面波沿三维坐标系的Z轴正向传播，如图1－4所示。产生平
面波的电磁场波动方程简化为
2E 1 2E 0
1
z
2
v2
t
2
2B z 2
1 v2
2B t 2
0
2
引入中间变量对方程化简，令 z vt
z vt
对（1）式代换变量，得
nc v
代入c、v各自的表达式，对介电常数，r为相对磁导率。
对除磁性物质以外的大 多数物质而言， r 1,故 n r
这个表达式称麦克斯韦 关系。
§3 平面电磁波 本节根据波动的两个偏微分方程，结合边界条件、初始条件，
得出其中的平面波解－平面波的波函数。
一 沿某一坐标轴方向传播的平面波
2E 2E
2E 2E
2
z 2 2 2
2E t 2
v
2
2E
2
2 2E
2E
2
因此（1）式化简为
对积分得
2E z 2
1 v2
2E t 2
2E 4
0
即
E
0
E g
g 是的任意矢量函数
再对 积分得
E g d f2 f1 f2
f1z vt f2 z vt
f1、f 2是z和t的两个任意函数，代表沿Z轴正、负方向传播的两个平面波。
I
0
D t
d
（1） （2） （3） （4）
（2）式的意义是：单位正电荷沿闭合回路移动一周时，交变的
涡旋电 场所作的功等于回路中产生的感应电动势。（4）式中的
D t
d
ID
为位移电流。
二 微分形式的麦克斯韦方程组 为方便地求解电磁场的某一场量，实际中常使用麦克斯韦方程 组的微分形式。
D
在各向同性物质中，有以 下关系成立：
D E 为介质的介电系数
B H
j E
为介质的磁导率
导电物质中，还有
的关系。为电导率。
以上三式合称为物质方程。麦克斯韦方程组与物质方程结合，
构成一组完整的反映电磁场普遍规律的方程组。
§2 电磁场的波动性
一 电磁场的传播 用麦克斯韦电磁理论的基本概念，可以将电场和磁场的相互关 系表述为： 空间某区域内有变化的电场，则在临近的区域内印起变化的磁 场；这个变化的磁场又在较远的区域内引起新的变化的电场， 并在更远的区域内引起新的变化的磁场。这个过程持续地继续 下去，变化的电场和变化的磁场交替产生，构成统一的电磁场。 在这种交替产生过程中，电磁场由近及远、以有限的速度在空 间内传播，形成电磁波。 二 电磁场的波动方程 由麦克斯韦方程组可导出关于电场基本量E和磁场基本量B的两 个偏微分方程，从而证明电磁场的波动性。为简化讨论，假设 所讨论的空间为无限大且充满各向同性的均匀介质，故、均 为常数；又设讨论的区域远离辐射源，因此=0，j=0。
在此条件下，麦克斯韦方程组简化为
E 0
1
B 0
E
B
2 3
B
t
E
4
t
取第三式的旋度
E
B
将（4）式代入上式右侧 由场论公式，上式左侧可变为
E
t
2E
t 2
E
E
2
E
由于 E 0，所以 E 2 E
由此可得：
2E
2E
0
t 2
由相似的数学运算2 B可得到关2 B于 B0的方程
B E
0
B
1 2
3
H
t j D
4
t
式中
x0
x
y0
y
z0
z
称哈密顿算符
是电荷分布的体密度，j是传导电流密度。从积分式变换到微 分式依据的数学定理，可参见课本后的附录。
三 物质方程
麦克斯韦方程组中共出现两个电场量E、D和两个磁场量B、H。 其中的E、B是基本量，D、H是辅助量。对应的基本量与辅助量 的关系取决于电磁场所在的物质。
t 2
令 v 1
两方程变为
2E
1
2E
0
2B
v2 1 v2
t
2
2B
t 2
0
这两个偏微分方程称波动方程，它们的解为各种波动，这表明 电场和磁场是以波动的形式在空间传播的，传播速度为v。
三 电磁波
1 电磁波的速度
电磁波在介质中的传播速度取决于介质的介电常数和磁导率，
关系式为：
v 1
当电磁波在真空中传播时，速度为c
§1 麦克斯韦方程组
麦克斯韦方程组描述了电磁场的基本规律，它有积分和微分两种 表达形式。 一 积分形式的麦克斯韦方程组 1 静电场和静磁场的麦克斯韦方程组
D d Q
E
dl
0
B d 0
H dl I
静电场的高斯定理 静电场的环路定律 静磁场的高斯定理 静磁场的环路定律
这一方程组只适用于稳恒场。若电场和磁场是交变场，则其中 的部分表达式不适用
上式还可进一步简化。 设沿Z轴正向传播的平面波v 0，沿Z轴负向传播的平面波v 0， 则可将f1、f 2两函数合二为一。 故电波的波函数最终为
第 一 章 光的电磁理论
1864年，麦克斯韦在总结安培、法拉第等人关于电场、磁场的 研究工作的基础上，归纳得出了描述统一的电磁场规律的麦克 斯韦方程组，建立了完整的电磁场理论。1865年他进一步提出 了光是一种电磁波的设想并在1888年为赫兹的实验所证实，光 的电磁理论由此得以确立。光的电磁理论的建立推动了光学及 整个物理学的发展，尽管在理论上有其局限性，但它仍是阐明 众多光学现象的经典理论。
物理光学
绪论
一 光学的两大分支 光学是物理学最古老的学科之一，它分为几何光学和物 理光学两大部分。
几何光学：以光的直线传播模型为基础，研究光的传播 规律、 成象规律，是光学系统设计的基础。
物理光学：以光的电磁理论为基础，研究光的本性、光 的传播规律及光与物质的相互作用。
二 物理光学的内容
1 波动光学 2 薄膜光学 3 非线性光学 4 傅立叶光学 5 集成光学
2 交变电磁场的麦克斯韦方程组 麦克斯韦假定在交变电场和交变磁场中，高斯定理依然成立。
变化的磁场会产生涡旋电场，故静电场的环路定律应代之以涡
旋电场场强的环流表达式；对静磁场的环路定律则引入了位移
电流的概念后进行了修改，这样，就得出了适用于交变电磁场
的麦克斯韦方程组。
ED dld QBt d
H
B d dl
c 1 00
2 电磁波谱 电磁波包含许多波长成分，除了我们熟知的无线电波和光波以 外，还包括X射线、射线等。按照波长或频率的顺序把这些电 磁波排列成，称为电磁波谱，如图1－3所示。
3 介质的绝对折射率 电磁波在真空中的速度与在介质中的速度是不等的。为了描述 不同介质中电磁波传播特性的差异，定义了介质的绝对折射率：