光的性质

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1

光和物质的相互作用
光和物质的相互作用有三个主要过程： (1) 自发辐射 (2) 受激辐射 (3) 受激吸收
4
光的双折射现象
光在两种各向同性的媒质的分界面上折射 时，只有一束折射光线。
但是，当一束自然光折入各向异性晶体时，
例如光线进入方解石晶体后，会分裂成为
两束折射光线，它们沿不同方向折射，称
为双折射现象。
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2.5 光的吸收、色散和散射
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光电效应和爱因斯坦光量子假说 由于光的照射，使电子从金属中逸出 的现象称为光电效应。 为了解释光电效应现象，爱因斯坦于 1905 年提出了光量子假说：光是由一粒 粒运动着的光子组成的，每个光子具有 确定的能量，只能作为一个整体被吸收 或产生。 E=hν (2-6-3)
3
光栅衍射 为了提高测量精度，必须提供一种 又亮又窄、间隔又很大的明条纹。利用 衍射光栅可以做到这一点。 (1) 衍射光栅 衍射光栅分为：反射光栅和透射光栅 它是近代物理实验中时常用到的一种重 要光学元件，是一种分光装置主要用来 形成光谱。 衍射光栅也常用于光纤通信。
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2.2


光的干涉
1
光的相干性
(1) 光矢量 在光波中，产生感光作用与生理作用的 主要是电场强度 E，所以电矢量 E称为光 矢量。
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(2) 干涉现象是波动过程的基本特征之一。 由频率相同，振动方向相同，位相相同或 位相差保持恒定的两个相干波源所发出的 波是相干波，在两束相干波相遇的区域里， 有些点振动始终加强，有些点的振动始终 减弱或完全抵消，即产生干涉现象。 光波也具有相干性
光因干涉而加强，以减少透射光的强度，这种薄
膜称为增反膜。
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4

法布里－珀罗干涉仪
(1) 法布里－珀罗干涉仪的结构 法布里－珀罗干涉仪简称F－P干涉仪。它是由 两块互相平行的平面玻璃板或石英板组成。 (2) 法布里－珀罗干涉仪的性能参数 法布里－珀罗干涉仪所产生的多光束等倾干涉 条纹因其亮纹的宽度极窄，因此，它在光学上 是一种高分辨率的光谱仪器。 在光纤通信领域有广泛的应用。
(2) 光栅衍射条纹的形成
光栅衍射条纹是衍射和干涉的总效果。 光衍射角φ
(a+b)sinφ =±kλ
k=0,1,2,…(2-3-10)
形成亮度很大的明条纹。
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2.4
1
光的偏振
光的偏振现象证明了光是横波。
自然光和偏振光
(1) 线偏振光 如果光矢量只沿一个固定的方向振动的光 (2) 平均来看，光矢量对于光的传播方向呈轴对 称均匀分布，没有任何一个方位更占优势，这 种光称为自然光。

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(3) 获得相干光的基本方法

一般光源发出的光是不相干的，但是可
以采用下列两种方法来获得相干光：

①

② 分振幅法
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2 杨氏双缝实验和洛埃镜实验 (1) 杨氏双缝干涉 杨氏双缝实验是最早利用单一光源形成 两束相干光，从而获得干涉现象的典型 实验。它是利用分波阵面法获得的。 (2) 洛埃镜实验不但显示了光的干涉现象， 而且还显示了当光由光疏媒质射到光密 媒质并在其表面反射时，反射光的位相 发生了变化。
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k=1,2,… ， k=1,2,…，

(3) 增透膜和增反膜 薄膜干涉原理在镀膜技术中的应用主要有两个方 面：

一方面是利用薄膜反射时，使某些波长的光因干
涉而减弱，以增加透射光的强度，这种薄膜称为
增透膜；

另一方面是利用薄膜表面反射时，使某些波长的

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3 (1) 光的散射 当光通过不均匀介质时，会偏离原来的方向而 向四周传播，这种现象称为光的散射。 (2) 线性散射 散射光的频率等于入射光的频率，散射光中没 有新频率的光产生，这类散射称为线性散射。 (3) 非线性散射 散射光中除了入射光的频率或谱线之外，还有 新频率的光或新谱线产生，这类散射称为非线 性散射。拉曼散射和布里渊散都属于非线性散 射。
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2.3 光的衍射


1
光的衍射现象·惠更斯－菲涅耳原理
光波绕过障碍物而传播的现象叫做光的衍射现 象。 按照光源、衍射物、接收屏三者的相互位置可 把衍射分为两种： 当光源、接收屏与衍射物之间的距离有限 时，这种衍射叫做菲涅耳衍射。 当光源、接收屏都距衍射物无限远时，这 种入射光和衍射光都是平行光的衍射称为夫琅 和费衍射。
第二章
光的性质
2Biblioteka Baidu1光的电磁理论 2.2光的干涉 2.3光的衍射 2.4光的偏振 2.5光的吸收、色散和散射 2.6光的量子性 2.7激光
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2.1 光的电磁理论
1 波动基本方程 1865 年麦克斯韦在总结前人实验的基础上， 得出麦克斯韦方程组，并预言电磁波的存在。 在无源空间可得到光在非磁性的、各向同性 的极化介质中传输的波动方程式 2 亥姆霍兹方程 由麦克斯韦方程组的微分形式，可以推导真 空中亥姆霍兹方程
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3 薄膜干涉 (1) 光程与光程差 折射率n与光波在该媒质中传播的几何路 程r的乘积nr叫做光程。 两束相干光在不同媒质中传播时，对干 涉加强(亮纹)和减弱(暗纹)条件起决定作 用是这两束光的光程差。

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2 色散 (1) 色散的概念 色散是介质的折射率n随光波波长λ 变化的 现象 (2) 介质的折射率n是随波长λ 的增加而减小的 色散叫正常色散。 (3) 反常色散 反常色散是介质的折射率n随着波长λ 的增 加而增加，与正常色散正好相反。
(2) 薄膜干涉 在日常生活中，常常看到水面上的油膜或肥皂 泡导在日光照射下出现美丽的花纹，这些都是 薄膜的干涉现象。 薄膜干涉原理在实际中的应用非常广泛，例如 全反射膜、增透膜、干涉仪等都是利用薄膜干 涉现象制成的。

满足δ =2n2e+λ /2=kλ 反射光的干涉加强。 满足δ=2n2e+λ/2=（2k+1）λ/2 反射光的干涉减弱。
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(3) 部分偏振光 自然光在传播过程中，由于外界的某 种作用，造成各个振动方向上的强度不 等，使某一方向的振动比其他方向占优 势，这种光叫作部分偏振光。
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2
夫琅和费单缝衍射
① 单缝衍射条纹是一系列平行于狭缝的明 暗相间的直条纹，它们对称地分布在中 央明纹两侧； ② 明纹亮度不均匀，中央明纹最亮，其它 各级明纹的亮度将随着级数的增高而逐 步减弱。 ③ 条纹宽度。
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F－P干涉仪的性能参数有:
① ② 自由光谱范围Δ λ FSR ③ 分辨本领可以用 F － P 干涉仪能分开的最小波 长差Δ λ min表示 。 Δ λ min越小，仪器的分辨能力就越大。 ④ 角色散D 仪器的角色散是指单位波长间隔经分光仪器 后所分开的角度。 其定义为: D= dθ /dλ 角色散D愈大，不同波长的光经仪器后就分得 愈开。
从自然光获得偏振光的过程叫起偏。 检验偏振光的过程，称为检偏。 自然光入射到偏振片上，透射光满足： 马吕斯定律： I=I0cos2α
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3
反射光和折射光的偏振儒斯特定律
(1) 反射起偏 布儒斯特定律 自然光入射在两种各向同性介质的分界面 上时，反射光和折射光都成为部分偏振光。 1812 年，布儒斯特在实验中发现：反射光 的偏振化程度与入射角有关。当入射角自然光 以起偏振角入射时，其反射光和折射光的传播 方向相互垂直，且反射光成为线偏振光。
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3 电磁波的性质 真空中的电磁波具有以下性质： (1)电磁波是横波 (2)E和H (3)E和H (4)电磁波的传播速度与光相同，表明光波也 是一种电磁波 (5)电磁场的能量和能流可以用能量密度和能 流密度来描述
光的吸收、色散、散射都是光波与 物质的相互作用过程。 1 光的吸收 (1) 光的吸收是指光波通过介质后，光强 因为减弱现象。 吸收的线性规律为： I=I0e-αl
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(2) 光的吸收与波长的关系 物质对某些波长的光具有选择吸收性 在无线通信中，就要考虑大气对电磁波 的吸收问题。 光纤对于某种波长的光波也具有强烈的 选择吸收性 (3) 吸收光谱 光的吸收和光波的波长有关，吸收随光 波波长的变化就构成吸收光谱。
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(2) 折射起偏
玻璃片堆
自然光以起偏振角入射到两种介质界面 时，折射光是以平行振动为主的部分偏
振光。射光的偏振化程度，可采用玻璃
片堆，它由多片平行玻璃片叠合在一起
构成。
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2
偏振片的起偏和检偏 马吕斯定律
(1) 偏振片 把具有选择吸收性的晶体(例如硫酸碘奎 宁)的细微晶粒涂在聚氯乙烯膜上，并沿 某一方向拉伸薄膜，使细微晶粒沿拉伸 方向整齐排列，然后将薄膜夹在两玻璃 片之间，便制成了偏振片。 偏振片允许通过的光振动方向，这个方 向称作偏振化方向，也叫透光轴。
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2.6光的量子性
对光的量子性的认识导致了激光技术 的发展，更导致了通信史上的革命。 1 黑体辐射和普朗克能量子假说 1900 年普朗克为了得到与实验相符合的公 式，提出了著名量子假设 ε0=hν (2-6-2)


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2
3 光的波－粒二象性 它是指光在不同场合下表现出来两种同样 属性：当光在空间传播时主要表现出波动 性；当光与物质相互作用时，光的行为又 表现出粒子性。 1924年德布罗意在普朗克、爱因斯坦假说 的基础上提出了物质波假说：一切实物粒 子波动－微粒二象性。

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2.7

激光
激 光 Laser （ Light amplification by stimulated emission of radiation ） ， 是指光的受激辐射放大。 1960年梅曼研制了第一台激光器——红 宝石激光器。