清华大学物理光学课件(第3节)
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清华大学课件波动光学3
l
d
01
5
Iq Im
=
sin ( 5 )2 (cos )2
=
86%
5
27
（4）中央明纹的包线中，共包含了 几条完整的明条纹？
包线的第一极小的衍射角：a sin q1
=
kl
sin q1
=
l a
设中央明纹中共有 k 级明纹 d sinq1 = kl
d l = kl a
k = d = 01 = 5 a 0 02
P'
可以判断：P’处
E
q
I
H
G
Q 2l
F
k = 0,(q = 0)
也是暗纹！
以此类推，K级暗纹：
asinq= kl
(k =±1, ± 2 L )min k 0
a sin q = 0 中 央明纹 ！
8
其它明纹的位置近似认为： k 级明纹在 k 级暗纹和 k+1 级暗纹之间
k 级暗纹 a sin q = kl (k = 1,2L)Lmin(1)
一、双缝衍射现象：
a
d b
d =ab
P
19
二、双缝衍射的强度分布
杨氏双缝干涉强度分布 Iq = 4I0 cos2
单缝衍射强度分布
Iq单衍
=
I
m单衍
(
sin
)2
Iq双衍
=
4
I
m单衍
(sin
)2
cos2
衍射因子 干涉因子
其中 = d sinq = a sinq
l
l
Im = 4Im单衍
I I q Iq双衍
=
《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'
清华大学大物PPT课件
(1) 2kπ
讨 (k 0,1,2,)
论 (2) N 2k' π
(k' kN, k' 1,2,)
i A4 A5
O A6
A0
A3
A2
A1
x
第38页/共46页
x A cost
1
0
x A cos(t )
2
0
x 3 A0 cos(t 2)
xN A0 cos[t (N 1)]
π
3
v0 0
π
3
A
π 3
x/m
0.08 0.04 o 0.04 0.08
第26页/共46页
π
x
3 0.08
cos(π
t
π)
23
可求（1）t 1.0 s, x, F
t 1.0 s 代入上式得 x 0.069 m
F kx m 2x 1.70 103 N
m 0.01 kg
0.08 0.04
讨论 ➢ 相位差：表示两个相位之差
（1）对同一简谐运动，相位差可以给出 两运动状态间变化所需的时间．
x1 Acos(t1 ) x2 Acos(t2 )
(t2 ) (t1 )
t
t2
t1
第20页/共46页
x
Aa
A2
b
o A v
t A
tb
x o A ta A
2
π 3
t π 3T 1 T 2π 6
2k π
2
1
第34页/共46页
（2）相位差 2 1 (2k 1) π(k 0，1,)
x
x
A A1 A2
A1
2 o
o
2 Tt
讨 (k 0,1,2,)
论 (2) N 2k' π
(k' kN, k' 1,2,)
i A4 A5
O A6
A0
A3
A2
A1
x
第38页/共46页
x A cost
1
0
x A cos(t )
2
0
x 3 A0 cos(t 2)
xN A0 cos[t (N 1)]
π
3
v0 0
π
3
A
π 3
x/m
0.08 0.04 o 0.04 0.08
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π
x
3 0.08
cos(π
t
π)
23
可求（1）t 1.0 s, x, F
t 1.0 s 代入上式得 x 0.069 m
F kx m 2x 1.70 103 N
m 0.01 kg
0.08 0.04
讨论 ➢ 相位差：表示两个相位之差
（1）对同一简谐运动，相位差可以给出 两运动状态间变化所需的时间．
x1 Acos(t1 ) x2 Acos(t2 )
(t2 ) (t1 )
t
t2
t1
第20页/共46页
x
Aa
A2
b
o A v
t A
tb
x o A ta A
2
π 3
t π 3T 1 T 2π 6
2k π
2
1
第34页/共46页
（2）相位差 2 1 (2k 1) π(k 0，1,)
x
x
A A1 A2
A1
2 o
o
2 Tt
物理光学-3光的干涉303-精选文档80页
涉条纹，称为等倾干涉。
干涉条纹为同心圆环。
（2）光程差在 1＝0时最大，
最大干涉级在中心。
中心＝2nh
2
mo光程与条纹级 数
m0 m1 q
m1 最靠近中心的亮条纹的整数干 涉级，q是小于1的分数
2ncho 2 s2
由中心向外计算，第 N 个亮环 的干涉级数为[ml - (N - 1)]，该
（3）条纹间隔
＝2nh cos2
2
m
光程与条纹级数
d 2nhsin2d2 dm
相邻条纹dm m 1,
则有：
d2
2nh sin 2
将2变成1：因为nsin1 nsin2
ncos1d1 ncos2d2
cos1 cos2 1
亮环的张角为1N，它可由
2 n h c o s2 N 2 [m l (N 1 ） ] (1 )
与折射定律 n'sin1N= nsin2N 确
定。将(1)式与(2)式相减，得到
中 心 ＝ 2nh2mo(2)
2 n h ( 1 c o s 2 N ) ( N 1 q ） ]
例题 阳光垂直照射在空气中的肥皂膜上，膜厚e=3800Å, 折 射率n2=1.33 ，问：肥皂膜的正面和背面各呈什么颜色？
解 正面反射加强，有
2en2
2
k
2 en 2 k1
=
7600Å×1.33
k1
2
2
在可见光范围内(7700Å～3900Å)的解为
k=1,…
k=2, =6739Å 红色
定域深度的大小 与光源宽度成反比
光源为点光源时，定域深度无限大，干涉变为非定域的
干涉条纹为同心圆环。
（2）光程差在 1＝0时最大，
最大干涉级在中心。
中心＝2nh
2
mo光程与条纹级 数
m0 m1 q
m1 最靠近中心的亮条纹的整数干 涉级，q是小于1的分数
2ncho 2 s2
由中心向外计算，第 N 个亮环 的干涉级数为[ml - (N - 1)]，该
（3）条纹间隔
＝2nh cos2
2
m
光程与条纹级数
d 2nhsin2d2 dm
相邻条纹dm m 1,
则有：
d2
2nh sin 2
将2变成1：因为nsin1 nsin2
ncos1d1 ncos2d2
cos1 cos2 1
亮环的张角为1N，它可由
2 n h c o s2 N 2 [m l (N 1 ） ] (1 )
与折射定律 n'sin1N= nsin2N 确
定。将(1)式与(2)式相减，得到
中 心 ＝ 2nh2mo(2)
2 n h ( 1 c o s 2 N ) ( N 1 q ） ]
例题 阳光垂直照射在空气中的肥皂膜上，膜厚e=3800Å, 折 射率n2=1.33 ，问：肥皂膜的正面和背面各呈什么颜色？
解 正面反射加强，有
2en2
2
k
2 en 2 k1
=
7600Å×1.33
k1
2
2
在可见光范围内(7700Å～3900Å)的解为
k=1,…
k=2, =6739Å 红色
定域深度的大小 与光源宽度成反比
光源为点光源时，定域深度无限大，干涉变为非定域的
清华大学大学物理-光的衍射-3
两条谱线能分辨（或不能分辨） 有没有定量的标准？ 答：有。就是瑞利判据。
瑞利判据:一条谱线的中心与另一条谱线 的第一极小重合时,这两条谱线刚刚能分辨。
刚可分辨 不可分辨
0.8
1.0
按照这瑞利判据，如何衡量一个光栅的 分辨本领的大小？
二 .光栅的（色）分辨本领 设入射波长有两种，为 和 若 的 k 级谱线处 刚可分辨 二者的谱线刚刚能分开。
1 = = 589 nm ， 2 = + = 589.6nm，
589 R 982 Nk 0.6
若 k = 2，则 N = 491
若 k =3， 则 N = 327
都可分辨出Na双线
§4.6
X 射线的衍射
一. X 射线的产生 1895年德国物理学家伦琴发现了高速电子撞 击固体可产生一种能使胶片感光、空气电离、
定义： 光栅的色分辨本领为
0.8
1.0
，
R
+
越小, R 就越大，
说明色分辨本领越大。
光栅色分辨本领的常用计算公式:
R Nk
推导
按瑞利判据： 和 的第 k 级谱线 刚刚能分辨时， 的第 k 级主极大，应与 的第 k 级主极大的边缘（第一极小）重合。
准直缝 晶体 X射线 劳厄斑
· ·· ·
d
2. 粉末法： 2d sinΦ k ( k 1,2,) 用确定 的X射线入射到多晶粉末上。 大量无规的晶面取向， 总可使布拉格条件得 到满足。 这样得到的衍射图叫德拜 (Dedye)相。 此法通常用来定晶格常数。
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。
第一课物理光学第3章
f y sin
dx0dy0 r0dr0d 0
0 0 ~ 2
r0 0 ~ a
23
3-4 夫琅和费圆孔衍射
光强分布公式
u(x, y)
ie iKz
e
ik 2z
(
x12
y12
)
z
u
(
x0
y
0
)e
i
2
(
f
x
x0
f
y
y0
)
dxo
dy0
U (x1,
26
3-4 夫琅和费圆孔衍射
夫琅和菲圆孔衍射的极值
27
3-5 巴俾涅原理
如果把单缝换成同样宽度的不透光窄带，例如直径为的细丝 （透光屏上的不透光窄条）。这时平行光通过这不透光的窄 条以后，也要发生衍射，而且屏上的衍射条纹和单缝的衍射 条纹类似。
i
e ikz
ik
e 2Z
x12
z
A
b
2 b
dy0
e dx a
2
k i Z x1x0
a
0
2
2
i z
eikz
ik x12 2z
Ab
e dx a
2
k i z x1x0
a
0
2
sin( K a X1 ) a 2 z
K a X1 2z
15
3-3-1衍射光强的计算
8
3-2-3 夫琅和费衍射和菲涅耳衍射
若在离很近的处观察透过的光，将看到边缘比较锐利的光斑， 其形状、大小和圆孔基本相同，可看作是圆孔的投影。这时光 的传播大约可看作是直线进行的。若距离再远些，例如，在K2 面上观察时，将看到一个边缘模糊的略大的圆光斑，光斑内有 一圈圈的亮暗环，这时光斑已不能看作是圆孔的投影了。随着 观察平面距离的增大，光斑范围将不断扩大，但光斑中圆环数 目则逐渐减少（如K3面的情况），而且环纹的中心也表现出从 亮而暗，又从暗而亮的变化，当观察平面距离很远时，如在K4 面，将看到一个较大的中间亮边缘暗且在边缘外有较弱的亮暗 圆环的光斑。此后，观察距离再增大时，只是光斑扩大，但光 斑形状不变。
清华大学大学物理-光学-1c剖析
21
三 . 相干长度与相干时间 1. 相干长度（coherent length） 两列波能发生干涉的最大波程差叫相干长度。
相干长度
若 I1 = I2 = I0 ，
则
I
4I0
cos2
2
I
光强曲线
4I0
( d sin 2 π )
-4 -2 0 2 4
-2 -1 0 1 2 k
x2 x1 0 x1 x2 x
-2 /d - /d 0 /d 2 /d sin
13
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。
在P点，各原子 相同干涉结果的
非相干叠加
*实际：从点光源所发光分波面、分振幅而相干8 。
§2 双缝干涉及其他分波面干涉实验
（书3.1和3.2节）
一. 双缝干涉 单色光入射
r1 P ·x
r2
x
d
0
D
d >> ，D >> d （d 10 -4m， D m）
波程差： 相位差：
r2 r1
2 π
= (E2-E1) / h
•
E1
完全一样（传播方向，频率， 相位，振动方向）
3
二. 光的相干性
1. 两 列光波的叠加（ 只讨 论电振动）
E 光矢量，令 E1 // E2 ， 1 2
P：E1 E10 cos( t 1 )
E2 E20 cos( t 2 ) E E1 E2 E0 cos( t )
18
§3.3 时间相干性 （temporal coherence）
三 . 相干长度与相干时间 1. 相干长度（coherent length） 两列波能发生干涉的最大波程差叫相干长度。
相干长度
若 I1 = I2 = I0 ，
则
I
4I0
cos2
2
I
光强曲线
4I0
( d sin 2 π )
-4 -2 0 2 4
-2 -1 0 1 2 k
x2 x1 0 x1 x2 x
-2 /d - /d 0 /d 2 /d sin
13
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。
在P点，各原子 相同干涉结果的
非相干叠加
*实际：从点光源所发光分波面、分振幅而相干8 。
§2 双缝干涉及其他分波面干涉实验
（书3.1和3.2节）
一. 双缝干涉 单色光入射
r1 P ·x
r2
x
d
0
D
d >> ，D >> d （d 10 -4m， D m）
波程差： 相位差：
r2 r1
2 π
= (E2-E1) / h
•
E1
完全一样（传播方向，频率， 相位，振动方向）
3
二. 光的相干性
1. 两 列光波的叠加（ 只讨 论电振动）
E 光矢量，令 E1 // E2 ， 1 2
P：E1 E10 cos( t 1 )
E2 E20 cos( t 2 ) E E1 E2 E0 cos( t )
18
§3.3 时间相干性 （temporal coherence）
《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。
清华大学大学物理课程讲义PPT课件
31
“ 怒 发 冲. 冠 ”
32
二. 电通量e
定义：
Φe
Eds
S
1.Фe是对面而言，不是点函数。
S
2.Фe 是代数量，有正、负。
ds
Φ e 的几何 意义：
d Φ e E d s E co d s s
EdsdN
cos ds=ds E 线 对Φ 闭e合曲N （ 面，Φe穿 S的 E E线 过 ds 条
.
24
几种电荷的 E线分布
带正电的 点电荷
电偶极子
.
均匀带电 的直线段
25
几种电荷的 E线分布的实验现象
单个点. 电 极
26
正 负 点. 电 极
27
两 个 同 号 的. 点 电 极
28
单 个 带 电. 平 板 电 极
29
正 负 带 电 平. 行 平 板 电 极
30
正 点 电 极 和 .负 平 板 电 极
.
6
二. 点电荷的场强（intensity of point charge）
·
E p ×场点
r
q “源”点电荷 （相对观测者静止）
由库仑定律和电场 强度定义给出：
E
q
4
er
or2
点电E荷 分布 . 特E点 r1： 2 7
三.
······ q1
点q2 电rEi 荷× p系Ei的场电由强荷叠q加i E的原 场理强，i：总4E场qi i强eor：ri4i2qieorri i2
已知：均匀带电环面， ，R1，R2
R2
求：轴线上的场强 E
P
解：─
0 R1
x x（1）划分电荷元
dqds
物理光学》第3章光的干涉和干涉仪
教学ppt
2
5. 牢固掌握分振幅等厚干涉的条纹形状、光强分布规 律、定域问题及其应用；
6. 牢固掌握迈克耳逊干涉仪的结构特点，改变间隔d 时的干涉条纹变化以及干涉仪的应用；
7. 牢固掌握干涉场可见度的定义，光波场的空间相 干性和时间相干性对于干涉可见度的影响；
8. 掌握光的相干条件，相干光的获得方法，光源 的相干性。
11
结论：只有两个光波有着紧密关联，这两个光波才会发生
干涉。具体条件为：
必要
1、两迭加光波光矢量频率相同；
条件
2、两迭加光波光矢量的振动方向相同；
3、两迭加光波的位相差固定不变。
以上所述三个必要条件通常称为相干条件，满足这三个 条件的光波称为相干光波，相应的光源称为相干光源。只 有相干光波才可能产生光的干涉现象。
∵ ∴
不相干(不同原子发的光)
不相干(同一原子先后教发学p的pt 光)
9
如图所示，两同频 同振动方向光波迭加区 域内某点P,在极短时间 内合光强为：
Ia1 2a2 22a1a2co s
式中a1和a2为两光波的振幅，δ为两光波的位相差。在 观测时间τ内，应该有许多波列通过P点，并且每对波列 都可能产生不同的强度，因此在P点观察到的强度是时间 τ内的平均强度：
物理光学
第三章 光的干涉和干涉仪
邓晓鹏
教学ppt
1
教学目的：
1. 深入理解两个光波的非相干叠加和相干叠加， 深入理解相干条件和光的干涉定义；
2. 了解光干涉的本质及双光束干涉的一般理论；
3. 牢固掌握扬氏双光束非定域分波前干涉装置的 干涉光强分布的各种规律；
4. 牢固掌握分振幅等顷干涉的条纹形状、光强分 布规律、定域问题及其应用；
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
精品物理光学PPT课件(完整版)
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
【精品】物理光学PPT课件(完整版)
② 可以简化运算。
三维简谐波的复指数表示
复振幅：
下面讨论一下平面简谐波投射在一个平面上，这个平面上
的光场分布。
x
波矢k的方向余弦为
在z=0（XOY）平面上光场复振幅：
O
z
这表明，z=0平面上任意两点的位相差仅 仅由Δx来决定。
如图所示： x
O
z 4π
2π
0 -2π
可以利用复振幅方便-4地π 求光强度，
• 对光导纤维的研究形成了光纤光学或导波光学; • 导波光学,电子学和通讯理论的结合使得光通信得到迅
速发展和应用,成为人类在20世纪最重要的科技成就; • 非线性光学,信息光学及集成光学等理论与技术的结合
可能会导致新一代计算机—光计算机的诞生.
2. 物理光学的应用
测控，通信，医疗，信息处理，光学设计。
• 薄膜光学的建立，源于光学薄膜的研究和薄膜技 术的发展；
• 傅立叶光学的建立源于数学、通讯理论和光的衍 射的结合；它利用系统概念和频谱语言来描述光 学变换过程，形成了光学信息处理的内容．
• 集成光学源于将集成电路的概念和方法引入光学 领域；
• 非线性光学源于高强度激光的出现、它研究当介质已不 满足线性叠加原理时所产生的一些新现象，如倍频,混 频,自聚焦等;
• 基本问题：在各种条件下的传播问题。 • 基本原理：惠更斯-菲涅耳原理。 • 波前：原为等相面，现泛指波场中的 任一曲面，
更多的是指一个平面。
• 主要方法：如何描述、识别、分解、改造、记录 和再现波前，构成了波动光学的主要方法。
量子光学：研究光与物质的相互作用的问题。
• 把光视为一个个分立的粒子（光子）,它主要用于 分析辐射、光发射以及光与物质的相互作用。
三维简谐波的复指数表示
复振幅：
下面讨论一下平面简谐波投射在一个平面上，这个平面上
的光场分布。
x
波矢k的方向余弦为
在z=0（XOY）平面上光场复振幅：
O
z
这表明，z=0平面上任意两点的位相差仅 仅由Δx来决定。
如图所示： x
O
z 4π
2π
0 -2π
可以利用复振幅方便-4地π 求光强度，
• 对光导纤维的研究形成了光纤光学或导波光学; • 导波光学,电子学和通讯理论的结合使得光通信得到迅
速发展和应用,成为人类在20世纪最重要的科技成就; • 非线性光学,信息光学及集成光学等理论与技术的结合
可能会导致新一代计算机—光计算机的诞生.
2. 物理光学的应用
测控，通信，医疗，信息处理，光学设计。
• 薄膜光学的建立，源于光学薄膜的研究和薄膜技 术的发展；
• 傅立叶光学的建立源于数学、通讯理论和光的衍 射的结合；它利用系统概念和频谱语言来描述光 学变换过程，形成了光学信息处理的内容．
• 集成光学源于将集成电路的概念和方法引入光学 领域；
• 非线性光学源于高强度激光的出现、它研究当介质已不 满足线性叠加原理时所产生的一些新现象，如倍频,混 频,自聚焦等;
• 基本问题：在各种条件下的传播问题。 • 基本原理：惠更斯-菲涅耳原理。 • 波前：原为等相面，现泛指波场中的 任一曲面，
更多的是指一个平面。
• 主要方法：如何描述、识别、分解、改造、记录 和再现波前，构成了波动光学的主要方法。
量子光学：研究光与物质的相互作用的问题。
• 把光视为一个个分立的粒子（光子）,它主要用于 分析辐射、光发射以及光与物质的相互作用。
清华大学 大学物理 普通物理 课件3光偏振
不相干
没有优势方向
自然光的分解
一束自然光可分解为两束振动方向相互
垂直的、等幅的、不相干的线偏振光。
Ex Ey
自然光的表示法：
IIxIy2Ix
·
·
·
5
三、部分偏振光
自然光和完全偏振光的混合，就构成了部分
偏振光。
部分偏振光可看成是自然光和线偏振
光的混合，
天空中的散射光和水面的反射光
就是这种部分偏振光，
d
光轴
光轴
Ae
1、四分之一波(晶)片（quarter-wave plate）
厚度满足
neno d 4
π 2
可从线偏振光获得椭圆或圆偏振光（或相反）
偏光分束棱镜：
可由自然光获得分开的两束线偏振光
沃拉斯顿棱镜
·
2 方解石 1o
o
· ·· ·
··
光轴
e
e·
·
方解石
光进入到第1块方解石后，o光和e光在方向上 光轴 没有分开。
由于方解石2和方解石1二者光轴垂直，当光进入到方解石2时，o 光变成e光（no>ne）：光密光疏；而e 光变成o 光：光疏光密
16
二、玻璃片堆起偏和检偏
1、起偏：
i i 当 时反射光是线偏振的，可用来起偏。 0
但单次反射的反射光强太低（只占15％），而且方向发生变化，使用不方便。因此更多利用 起偏，并采用玻璃片堆增大透射光的偏振度。
i i0
时的折射光
·
··
·
· ·
i0
线偏振光
·
· · ·· · ·
·
·
·
·
· ·
·
·
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E = E1 + E2
= a1 cos (α1 − ωt ) + a2 cos (α 2 − ωt ) = (a1 cos α1 + a2 cos α 2 ) cos ωt + (a1 sin α1 + a2 sin α 2 )sin ωt
2013/5/3
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发生全反射的条件：n1 > n2 光波由光密 ⇒ 光疏介质 全反射临界角：θ c = sin −1
2013/5/3
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n2 。 n1
3
精密仪器与机械学系 精密仪器系 全反射现象的特点： Ø Ø Ø 无透射能量损失 反射时有位相变化 存在隐失波
2013/5/3
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17
精密仪器与机械学系 精密仪器系 3. 光波传播的 独立性 ： 两列 光波相 遇 ， 每列 波 仍然保持 原有的特性（频率、波长、振动方向、传播方向等）不变 。 两/多列波在相交处 振动独立
2013/5/3
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精密仪器与机械学系 精密仪器系
三、驻波
两个频率相同、振动方向相同而传播方向相反 的单色光波叠加形成驻波
E1 = a cos(kz + ωt ) E2 = a cos(kz − ωt + δ )
22
精密仪器与机械学系 精密仪器系 2、对叠加结果的分析： 合光强的大小取决于两光波在p点的相位差δ
2π 2π δ ＝α1－α 2＝k(r1 − r2 ) = n(r1 − r2 ) = ∆ λ λ 光程差： ∆＝n( r1 − r2 )
分析叠加结果的重要物理量 当 a1 = a2 = a ，记 I 0 = a 2 (单个光波在p点的光强) p点合振动光强 I ( p ) = 4 I 0 cos2
2 1 θ1 sin 代入：sin θ 2 = sin θ1 ，cos θ 2 = i −1 2 n n
得： E = A exp(− k z sin 2 θ − n 2 ) exp i (k x sin θ − ωt ) 2 2 1 1 1 1 沿x方向传播 振幅在z方向指数衰减 非均匀波
2013/5/3
——干涉现象 ——驻波 ——椭圆偏振 ——光学“拍”
2013/5/3
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19
精密仪器与机械学系 精密仪器系
二、两个同频率、同振动方向 单色光波的叠加
1、三角函数的叠加 2、对叠加结果的分析
2013/5/3
②
产生椭圆偏振光（菲涅耳棱体） 利用全反 射时的位 相变化
2013/5/3
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11
精密仪器与机械学系 精密仪器系 ③ 利用倏逝波产生受抑全反射 受抑全反射： 控制进入第二媒质的倏逝波的深度 以影响第一媒质中的全反射效应 变化d，控制输出光路，可调光分束器 测出输出光强，求微小位移d，倏逝波位移传感器
（1）当 δ = ±2mπ 时，I=4I0 振动加强 1 （m + ） 2π 时， I=0 振动减弱 （2）当 δ = ± 2 （3）当位相处于两者之间时，P点光强介于0~4I0间 只要两光波的位相差保持不变， 在叠加区域内各点的光强分布也是不变的。 光的干涉：在叠加区域内, 光强稳定的强弱分布的现象 两相干光波叠加后，光的能量重新分布 有点地方变亮，有点地方变暗。
2 2 A2＝a1 + a2 + 2a1a2 cos(α1 − α 2 )
a1 sin α1 + a2 sin α 2 tgα = a1 cos α1 + a2 cos α 2
P点合振动：简谐振动
S1 S2
r1
y p
r2
振动频率、振动方向与单色光波相同
2013/5/3
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精密仪器与机械学系 精密仪器系
单色平面电磁 波入射到电介 质表面时，传 播方向、振幅、 相位、能量及 偏振态的变化
2013/5/3
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1
精密仪器与机械学系 精密仪器系
四、全反射及其应用
1、反射比 2、相时，透过界面进入第二媒质约波长量级， 沿着界面流过波长量级距离后返回第一媒质， 沿着反射波方向出射
Goos-Haenchen 位移
2013/5/3
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10
精密仪器与机械学系 精密仪器系 4、全反射的应用 ① 转折光路（全反射棱镜）
1、 反射比 ① θ1 ≥ θ c ,ρ=1 ② θ c 附近,ρ急剧变化
2013/5/3
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4
精密仪器与机械学系 精密仪器系 2、相位变化
sin 2 θ1 1 −1 全反射时， sin θ 2 = sin θ1 , cos θ 2 = ±i 2 n n
能量的流动沿界面x方向 流过波长λ量级 又重返第一媒质 如：n1=1.5,n2=1 θ1=45°时
z 0 = 0.67λ1， lx = 0.9λ1
2013/5/3
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9
精密仪器与机械学系 精密仪器系
› 倏逝波：沿着第二媒质表面传播的波
2013/5/3
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6
精密仪器与机械学系 精密仪器系 3、倏逝波
› 全反射时的表观现象：第二媒质中没有折射波 › 问题：场在界面上不连续?
实 验 分 析
荧光液体层 斜面薄层有荧光 有折射光波进入第二媒质 透入深度与入射波长有关
耦合 棱镜 薄膜波导
波导衬底
2013/5/3
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12
精密仪器与机械学系 精密仪器系 ④ 光纤和光纤传感器 光纤利用全反射传光 传导光能 传递光学图象 光纤面板 光纤传感 光通信 精密测量
光 通 信
2013/5/3
= rs exp(iδ s ) rs = 2 2 有： cos θ1 + i sin θ1 − n rp = n2 cos θ1 − i sin 2 θ1 − n2 n cos θ1 + i sin θ1 − n
2 2 2
cos θ1 − i sin 2 θ1 − n2
rs = rp = 1
= rp exp(iδ p )
sin 2 θ1 − n2 δs tg = − 2 cos θ1 sin 2 θ1 − n2 tg =− 2 n2 cos θ1
5
δs、δp：s波和p波的相位变化
δp
2013/5/3
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精密仪器与机械学系 精密仪器系 反射光中s与p波的相位差δ：
21
精密仪器与机械学系 精密仪器系
(a1 cos α1 + a2 cos α 2 ) = A cos α (a1 sin α1 + a2 sin α 2 ) = A sin α
∴合振动 E = E1 + E2 = A cos(α − ωt ) 其中 A2 = ( a1 cos α1 + a2 cos α 2 ) 2 + (a1 sin α1 + a2 sin α 2 ) 2
2013/5/3
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红外光 d=5μm，有透光 可见光 d=5μm，无光
d≤1μm，有光
7
精密仪器与机械学系 精密仪器系 分析
r r 透射光: E2 = A2 exp[i (k ⋅ r − ωt )] = A2 exp i[k2 ( x sin θ 2 + z cos θ 2 ) − ωt ]
16
精密仪器与机械学系 精密仪器系
r v v 波的叠加原理 E ( p ) = E1 ( p ) + E2 ( p )
合振动是各个波在该点产生振动的矢量和。 1、叠加结果：光波振幅的矢量和（非光强和） Note：真空中普遍成立 介质中有条件成立，线性条件 ： 照射场强小于 1010V/m（原子外层电子电场） 2、叠加的合矢量仍然满足波动方程的通解， 一个实际的光场是许多个简谐波叠加的结果
δs − δ p δ tg = tg 2 2 cos θ1 sin θ1 − n =− sin 2 θ1
2 2
4 3.142 3.2
φs( θ ) φp ( θ )
2.4
1.6
0.8 0.059
①
θ1=90°或θc 时
0 40 41.847
50
60 θ⋅ 180 3.14
70
80 90
90
δ=0，入射线偏光→反射线偏振光 ② θ1>θc 时，且入射光的α≠0或π/2时， δ≠0或π，反射光一般为椭圆偏振光
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20
精密仪器与机械学系 精密仪器系 1、三角函数的叠加