波动光学
物理学中的波动光学理论
物理学中的波动光学理论波动光学是物理学中的一门重要分支，研究光的波动性质及其与物质相互作用的规律。
本文将从波的性质、光的干涉与衍射以及光的偏振等方面来论述物理学中的波动光学理论。
一、波的性质光是一种电磁波，具有粒子与波动的双重性质。
波的传播速度可以通过元波前观察获得，波的传播包括相位的传播和波的干涉。
波的传播速度与介质的性质密切相关，光在空气中的传播速度约为3×10^8m/s。
二、光的干涉与衍射光的干涉是指光波在相遇处叠加形成明暗相间的干涉条纹。
干涉现象可以通过双缝干涉、薄膜干涉等实验进行观察。
双缝干涉实验中，当两个狭缝之间的距离接近光波的波长时，会出现明暗相间的干涉条纹，这是由于光波的波动性质所引起的。
薄膜干涉则是通过介质边界的反射和折射引起的光的干涉。
光的衍射是指光波通过障碍物或孔径时发生弯曲扩散的现象。
衍射的特点是波传播到达的区域会出现明暗相间的衍射图样。
其中夫琅禾费衍射是波动光学中的重要现象，它是光波通过狭缝或边缘时发生的衍射，产生衍射波前的形状与狭缝的形状有关。
三、光的偏振光的偏振是指光波的振动方向在某一平面内的现象。
常见的偏振光有线偏振光和圆偏振光。
线偏振光是指光波的振动方向在一个平面上，它可以通过偏振镜实现制备。
而圆偏振光则是指光波的振动方向按照圆弧轨迹进行旋转，它可以通过一系列光学元件进行转换获得。
光的偏振现象广泛应用于光学仪器、光通信等领域中。
例如，偏振片可以用于调节显示屏的亮度和对比度，以及减少反光和反射。
偏振光还可以用于测量物质的性质，例如石英晶体的双折射现象。
总结起来，波动光学理论是物理学中研究光波传播和与物质相互作用的重要理论，它包括波的性质、光的干涉与衍射以及光的偏振等方面。
波动光学的研究对于理解光的行为和光学现象具有重要的意义，也促进了光学技术的发展与应用。
随着科技的进步，波动光学理论将会在更多的领域中得到应用和拓展。
物理中的波动光学
物理中的波动光学引言：波动光学作为物理学中的一个重要分支，研究的是光在传播过程中的行为和性质。
它是解释光的传播、衍射、干涉、偏振等现象的基础，对于理解光学现象、应用光学技术具有重要意义。
本教案将以波动光学为主题，探索波动光学的基本概念、原理和实际应用。
一、波动光学概述1. 光的波动性介绍a. 光的本质：电磁波b. 光的波动性体现：干涉、衍射等现象2. 光的传播与波动a. 光的传播介质：真空、介质b. 光的传播速度：光速与介质折射率的关系二、波动光学基本原理1. 光的最小分割单位：光子a. 波粒二象性：光既是粒子又是波动2. 光的波动性质a. 光的特性：波长、频率、振幅b. 光的传播方向：球面波、平面波3. 光的相位和相干性a. 相位差：定性描述光的波形差异b. 相干性：两个或多个光波之间的相位关系4. 光的干涉现象a. 光的叠加原理：干涉现象的基础b. 干涉的分类：分为构造干涉和破坏干涉c. 干涉的应用：光栅、干涉仪、光波导等5. 光的衍射现象a. 衍射的定义：光在通过一个绕过或遮挡障碍物后发生波的传播方向的偏折b. 衍射的特点：产生波动条纹、衍射极限等现象c. 衍射的应用：衍射光栅、衍射成像等6. 偏振光与偏振现象a. 偏振光的特点：仅在一个方向上振动的光b. 偏振现象的发生：透过偏振片、反射、折射等过程发生三、波动光学的实际应用1. 光的干涉与衍射在光学仪器中的应用a. 光学显微镜：干涉衍射成像原理b. 光栅光谱仪：利用干涉衍射原理实现光谱分析c. 激光干涉仪：利用激光的相干性进行精密测量2. 偏振光在光学技术中的应用a. 偏振滤波器：实现光的选择性吸收和透过b. 偏振显微镜：观察和分析材料的结构和性质c. 偏振光干涉仪：测量材料的特性和形貌3. 波动光学技术在通信领域的应用a. 光纤通信：利用光的波导特性传输信息b. 光栅、光波导器件：实现光的调制、分光和耦合等功能四、思考与延伸1. 如何利用波动光学的原理，设计更高效、更精密的光学仪器和设备？2. 波动光学与量子光学有哪些联系和区别？它们在光学研究和应用中的地位如何？3. 波动光学的发展对科技与人类社会有哪些深远影响？如何将其应用于解决现实生活中的问题？结语：波动光学是光学领域中一门重要的学科，对于我们理解光的本质和应用光学技术具有重要的意义。
波动光学
A
P
x
O
C
8
明、暗条纹的讨论
x D P点抵消： =d (2k 1) 或x (2k 1) D 2 2d
k=1﹑2、3﹑…
K=1,2,3,…第一个、第二个、第三个…暗条纹
A
s1 S d M s2
N
r1
P
r2
x
O
D
9
C
明、暗条纹的讨论
x D P点加强： d k 或x k k=0、1﹑2、3﹑……。 D d x D P点抵消： =d (2k 1) 或x (2k 1) k=1﹑2、3﹑…
D 2 2d
屏上相邻明条纹或相邻暗条纹间距为
D xk 1 xk x d
11
讨论
D 条纹间距 xk 1 xk x d
(k 1)
D一定时，若 变化，则 1）d 、
x 将怎样变化？
λ =700nm
12
550nm
400nm
2）、 D 一定时， 条纹间距 x与
起偏：将自然光变成偏振光的过程称为起偏。
起偏器：能够把自然光变成偏振光的光学器件称为起偏器。
偏振化方向：偏振片只允许某一特定方向的光振动通过，这 个方向称为偏振片的透射轴或偏振化方向。
偏振片 自 然 光
偏 振 化 y或x 方 向 偏 振
光
27
竖直方向振动的光强，可以全部通过； 水平方向振动的光强，不能通过； 其它方向振动的光强，有部分可以通过。 自然光通过偏振片后，光强振动方向与偏振化方向相同。 偏振片 自 偏 振 化 y或x 方 向 偏
有半波损失：
波动光学
在夫
实琅
验禾 中费
S
L1
R
L2
P
实衍
现射
③夫琅和费单缝衍射
θ
L1 A L2
φ
S
φ
a
B C 衍射角：θ
P P0 E
单缝衍射公式
asinθ 2k λ 2
asinθ (2k 1) λ 2
k=1,2,3,… 暗纹 k=1,2,3,… 明纹
波带： 狭缝平面分为许多等面积的带状平面。
φ
波带
半波带：作一些平行于AC的平面，使相邻平面之间的 距离等于入射光的半波长即λ/2，则这些平面将单缝处
①空气中的薄膜反射 12 3
n
δ 2nd λ 2
±2k λ 2
±(2k-1) λ
2
k=0,1,2,… 明纹 k=1,2,3,… 暗纹
②光学面上的薄膜反射 1 2 3
n
δ 2nd
±2k λ 2
±(2k-1) λ 2
(n1>n) n1 k=0,1,2,… 明纹 k=1,2,3,… 暗纹
2k 1 λ 2a
f
(明纹位置)
θ
+3
+2
x
x0
+1
-1 -2
O
I
-3
中央条纹间距
x0
λ 2
a
f
条纹间距
x λ f
a
2.光栅衍射
①光栅：大量等间距、等宽的狭缝 构成的光学器件。
缝宽a
光栅常数d=a+b
刻痕宽b
②光栅衍射公式
d
P
θ
P0
E dsinθ =±kλ（k=0,1,2…） 明纹
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
感谢观看
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
物理学中的波动光学
物理学中的波动光学波动光学是在物理学中独特的分支。
它描述了光的特殊性质，包括光波的性质和如何与介质交互的过程。
它是研究灯光、阴影、色彩和镜头的科学基础。
波动光学作为物理学中的一个领域，它的原理和应用领域具有广泛的应用价值。
本文将详细探讨物理学中波动光学的原理和应用领域。
1. 波动光学的理论基础光的本质是电磁波，可以用波动模型解释。
与其他电磁波一样，光是由电和磁场交替传播的扰动，它们沿着空间中垂直于传播方向的方向震动。
光波经过物理空间的时间性变化，以规律的方式发生偏转。
这些偏转现象都可以通过波动光学解释。
光波的传播速度是非常快的，大约在每秒30万千米的速度下传播。
此外，它还可以在各种介质(如空气、水、玻璃等)中以不同的速度传播。
当光波穿过介质时，由于介质的密度不同，光波的传播速度也会受到影响。
这通常会导致光波的弯曲或偏转，这就是所谓的折射。
除了折射之外，光波还可以发生反射。
当光线遇到一个表面时，如果表面比较光滑，大部分光线将反射回来。
反射现象在镜面和光滑的物体表面上最为常见。
在物理学中，我们还可以通过衍射来了解光波的行为。
当光线通过一个小的孔或棱镜时，它将被分解成宽波谱的颜色。
这种现象被称为衍射，对于比较小和分散的光源来说，衍射现象越严重。
2. 波动光学的应用波动光学领域的研究结果以及技术发展对人类生活的影响是非常深远和广泛的。
以下是一些波动光学在实际生活中的应用：2.1. 摄影近代摄影术的起源正是靠着波动光学的理论来实现的。
在实际应用中，摄影师引导光线，通过相机镜头反射或折射到相片荧幕上，实现影像的捕捉。
随着技术的进步和科学的发展，摄影技术得到了不断的更新，从像片技术到电子影像技术，这些都证明了波动光学在摄影领域中的成功应用。
2.2. 光学设备在物理学领域中，许多光学器具也是基于波动光学的原理进行设计开发的。
例如，各种种类的镜片、光学棱镜、滤光片、激光器等都是波动光学原理所解释的。
2.3. 光纤通讯传统的通信方式都需要依靠电线，这样就会限制其占用空间。
大学物理-第十四章-波动光学
一部分反射回原介质即光线a1， 另一部分折入另一介质，其中一 部分又在Ｃ点反射到Ｂ点然后又 折回原介质，即光线a2。因a1,a2是
从同一光线S1Ａ分出的两束，故
满足相干条件。
S
S1
a
a1
iD
e
A
B
C
a2
n1
n2
n1
31
2 薄膜干涉的光程差
n2 n1
CDAD
sin i n2
跃迁 基态
自发辐射
原子能级及发光跃迁
E h
普通光源发光特 点： 原子发光是断续
的，每次发光形成一
长度有限的波列, 各 原子各次发光相互独
立，各波列互不相干.
10
3.相干光的获得：
①原则：将同一光源同一点发出的光波列，即某个原子某次 发出的光波列分成两束，使其经历不同的路程之后相遇叠加。
S2
r2
P
20
为计算方便，引入光程和光程差的概念。
2、光程
光在真空中的速度 光在介质中的速度
c 1 00
u 1
u1 cn
介质的 折射率
真空
u n c
介质中的波长
n
n
n n
21
介质中的波长
n
n
s1 *
r1
P
波程差 r r2 r1
k 0,1,2,
x
d
'
d
(2k
1)
k 0,1,2,
暗纹
d
2
k=0,谓之中央明纹，其它各级明（暗）纹相对0点对称分布
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。
医用物理学波动光学
用于疾病诊断、治疗监测和生物医 学研究等领域，如血氧饱和度监测 、癌症早期检测等。
03
波动光学在诊断与 治疗中应用
干涉法在医学诊断中应用
1 2 3
相干光干涉测量
利用相干光干涉原理，通过测量干涉条纹的移动 或变形，对生物组织或器官进行高精度、非接触 式的测量。
光学相干层析成像（OCT）
利用低相干干涉原理，获取生物组织内部结构的 二维或三维图像，用于眼科、皮肤科等领域的疾 病诊断。
干涉测量技术
利用光的干涉原理，通过测量干涉条纹的移 动或变形，实现对物体表面形貌或内部结构 的超分辨测量。
非线性光学在生物医学中应用前景
多光子显微镜
利用非线性光学效应，如双光子或三光子吸收，实现深层组织或细 胞的高分辨率成像，为生物医学研究提供有力工具。
光遗传学
结合非线性光学和遗传学技术，通过光控基因表达或细胞功能，实 现对生物体行为的精确调控和研究。
眼前节检查
利用偏振光照射眼前节，观察其房水、晶状体和玻璃体的透明度和 偏振状态，可以判断是否存在炎症、浑浊等病变。
激光治疗原理及实践
激光与生物组织的相互作用
激光照射生物组织时，会产生热效应、光化学效应和机械 效应等相互作用，这些效应可以用于疾病的治疗。
激光治疗原理
根据疾病的类型和严重程度，选择合适的激光参数（如波 长、功率、脉宽等），利用激光与生物组织的相互作用， 达到治疗疾病的目的。
显微镜种类
包括光学显微镜、电子显 微镜等，其中光学显微镜 又可分为透射式、反射式 等。
医学应用
用于观察细胞、组织、微 生物等微观结构，进行疾 病诊断和治疗。
激光在医学领域应用
激光原理
利用受激辐射产生的光放 大现象，具有单色性、方 向性、相干性等特点。
第14章-波动光学
39
14-6 单缝衍射
二 光强分布
bsin 2k k
b sin
(2k
2 1)
2
干涉相消（暗纹） 干涉加强（明纹）
I
3 2
bb b
o 2 3 sin
bbb
40
14-6 单缝衍射
S
L1 R
b
L2
Px
x
O
f
I
当 较小时，sin
x f
3 2 o 2 3 sin
b
b
栅）；偏振
1
第十四章 波动光学
14-1 相干光 14-2 杨氏双缝干涉 光程 14-3 薄膜干涉 14-4 迈克尔逊干涉仪 14-5 光的衍射 14-6 单缝衍射 14-7 圆孔衍射
光学仪器的分辨本领
14-8 衍射光栅 14-9 光的偏振性 马吕斯定律 14-10 反射光和折射光的偏振 *14-11 双折射现象 *14-12 旋光现象 14-13 小结 14-14 例题选讲
1）劈尖 d 0
Δ 为暗纹.
2
(k 1) （明纹）
d 2 2n k 2n （暗纹）
25
14-3 薄膜干涉
2）相邻明纹（暗纹）间的厚度差
di1
di
2n
n
2
3）条纹间距（明纹或暗纹）
D L n 2
b
b D n L L
2n
2b 2nb
b
n1 n
L
n n / 2 D
n1
b 劈尖干涉
b
b
b
b
3 f 2 f f
bbb
f b
2 f b
3 f b
x
41
14-6 单缝衍射
波动光学
第一节 波的干涉
1.1 光波 光的相干性
杨氏双缝干涉
光波：光是一种电磁波。光矢量是指电场强度E。 单色光：具有单一频率或波长的光。 非相干光：不能产生干涉的光叫做非相干光。 1.2 杨氏双缝干涉
1. 相干光的获得：同一光源在同一波阵面上的两个子 波源。
2、实验现象－－在接收屏上接收到一组等距的明、暗 相间的直条纹。 P r
1
3、分析 1）两列子波在P点相遇，空间 r2 r1 距离差为 由空间距离所产生的相位差为
S1
d
r2
x
S2
D
xd D
2 x d D
2）两列子波在P点相遇，产生明条纹的条件
D 2 x d 2k 即 x k d D
k 0, 1, 2
两束相干光的光程差
2h
2
2h是由于空间隙的厚度所产生的光程差，/2是附加光 程。光从光疏媒质进入光密媒质时要产生一个的相位 突变，对应于相位的光程是 /2 ，叫半波损失。 产生明条纹的条件： 2h 产生暗条纹的条件： 2h
2
k 2k 1
1）若单色光的波长一定，双缝间的间距d增大或双缝 至屏的距离D变小即条纹变密。 2）若d和D一定，则光波的波长越长，条纹间距超期 在。即红光的间距最大，紫光的间距最小。
第二节
2.1 光程：
光程
薄膜干涉
光在介质中传播时，其相位的变化不但与几何路程及 光在真空中的波长有关，而且还与介质的折射率有关。
定义：介质折射率与几何路程的乘积定义为光程nr。 由光程所产生的相位 光程差：
2
nr
2.2
波动光学 知识点总结
波动光学知识点总结一、波动光学基础理论1.1 光的波动性光既具有波动性，也具有粒子性。
但在波动光学中，我们更多地将光看作是一种波动。
光的波动性表现为它的波长、频率和波速等特性。
光的波动性对光的传播和相互作用提供了理论基础。
1.2 光的主要波动特性在波动光学中，我们需要了解光的一些主要波动特性，如干涉、衍射、偏振等。
这些特性是光学现象的基础，也是波动光学理论的重要内容。
1.3 光的传播规律波动光学还研究光的传播规律，如菲涅尔衍射、菲涅尔-基尔霍夫衍射等。
这些规律描述了光在不同介质中传播时的行为，为我们理解光学器件的原理和应用提供了基础。
二、干涉2.1 干涉现象干涉是波动光学的重要现象，它描述了两个或多个光波相遇时的相互作用。
我们可以通过干涉实验来观察干涉现象，如杨氏双缝干涉、薄膜干涉等。
2.2 干涉条纹干涉条纹是干涉现象的主要表现形式，它是由干涉光波在空间中的相互叠加而形成的明暗条纹。
通过研究干涉条纹，我们可以了解光的波动规律和光的相位特性。
2.3 干涉的应用干涉在科学研究和技术应用中有着广泛的应用，如干涉测量、干涉成像、干涉光谱等。
通过干涉技术，我们可以实现对光学性质和光学器件的精密测量和分析。
三、衍射3.1 衍射现象衍射是波动光学中的重要现象，它描述了光波在通过障碍物或孔径时的传播规律。
我们可以通过衍射实验来观察衍射现象，如单缝衍射、双缝衍射等。
3.2 衍射图样衍射图样是衍射现象的表现形式，它是光波经过衍射产生的明暗图案。
通过研究衍射图样，我们可以了解光波的传播特性和光的波前重构规律。
3.3 衍射的应用衍射在光学成像、光学通信、激光技术等领域有着重要的应用价值。
通过衍射技术，我们可以实现对微小结构的观测和分析，也可以实现光的调制和控制。
四、偏振4.1 偏振现象偏振是波动光学中的重要现象，它描述了光波振动方向的特性。
在偏振现象中，我们可以了解线偏振、圆偏振和椭圆偏振等不同偏振状态。
4.2 偏振光的特性偏振光具有独特的性质，如光振动方向的确定性、光强的调制特性等。
波动光学
一、杨氏双缝干涉
1801年，杨氏首先用实验方法
研究了光的干涉现象。该实验的成
功为光的波动理论奠定了实验基础。
1、实验原理
托马斯· 杨（Thomas Young）
S
S1 S2
(interference fringe)
图1 杨氏双缝干涉实验装置图
空气的折射率 n=1，由S1、 S2发出的两束光波到达P 点 处的光程差为：δ= r2－r1 由图中的几何关系可知:
真空中 的波长
真空中，相干光源S1和S2的初相位分别为1、2。这两束 相干光在P点相遇，P点距S1和S2的距离分别为r1和r2.则这 两束相干光传播到P点产生的相位差为：
1 2
2
若S1和S2发出的两束相干光分别在折射 2 率为n1和n2的介质中传播，则相位差为： *
(r2 r1 )
r ut
光程: 介质折射率乘以光在介质中传播的路程
n1
r1
r x ct c nr u
n2 ……
……
r nr
介质
真空
nr
nm
rm
光程 = ( ni ri )
r2
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。
介质中的波长
c ' n n u
s1 *
r1
n1 n2
s
P
r2
1 2
2
' 2
r2
2
' 1
r1 1 2
2
(n2 r2 n1r1 )
光程差：
n2 r2 n1r1
第九章波动光学
D 亮纹 x k 0 d D 0 暗纹 x (2k 1) d 2
讨论 相邻明条纹中心或相邻暗条纹中心间距
D x k 0 d
D x 0 d
Δx 正比 , 用此可以测波长。
用白光入射，在零级白色中央条纹两边对称排列着 由紫向红的彩色条纹
Effect of wave length on
X-ray
10
2
106 10
1
105 10
0
10
4 -1
10
3
10
2
ห้องสมุดไป่ตู้
10
1
10
0
10
-1
wavelength (nm)
可见光的波长范围是：
= (400—760)nm的窄小范围． 对应的频率范围是： = （7.5 4.3）1014 HZ ．
在可见光范围内，不同频率的光波引起人眼不同的颜色感觉． 760 630 600 570 500 450 430 400(nm))
红
橙
黄
绿
青
蓝
紫
单色光：具有单一频率的光波称为单色光。
可见光七彩颜色的波长和频率范围 光色 波长(nm) 频率(Hz) 中心波长 (nm)
红
橙 黄
760~622
622~597 597~577
3.9 1014 ~ 4.8 1014 4.8 1014 ~ 5.0 1014 5.0 1014 ~ 5.4 1014 5.4 1014 ~ 6.1 1014 6.1 1014 ~ 6.4 1014
x
D x 0 d
D x 0 d
Effect of distance between two slits on x
大学物理波动光学
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。
偏振光具有方向性，其电场矢量只在一个特定方向上振动。
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
物理学中的波动光学原理
物理学中的波动光学原理波动光学原理是指光在传播过程中表现出的波动性质。
在物理学中，光的波动性质是研究光学中最重要的一部分，它是从牛顿光学和戈斯桥实验中逐渐形成的。
波动光学原理由波动理论和光学理论组成，它涉及到波动现象、干涉、衍射、折射、反射等多个领域，是物理学中非常重要的一部分。
一、波动理论波动理论是指对于一些自然现象中体现出波动性质的物理问题进行研究的一种方法。
在波动理论中，一般会用到波长、频率、振幅等概念来描述波的特征。
在光学中，我们可以用波长来描述光的颜色，用频率来描述光的亮度，用振幅来描述光的强度。
除此之外，波动理论还可以用来解释一些光学现象，如雾虹、色散等等。
二、波动光学的基本原理1.光的干涉现象干涉现象是指多个光波在同一时刻、同一地方相遇并发生变化的现象。
在干涉现象中，颜色、强度、方向等多种因素会发生变化，这也是波动光学理论的基础之一。
干涉现象很容易发生，如在咖啡中加入一些奶泡，可以看到不同颜色的光相互干涉形成彩虹色的泡沫。
2.光的衍射现象衍射现象是指光线经过物体缝隙或过程中遇到障碍物时，光波向周围散发、弯曲的现象。
这种现象是由于光的振动和扰动产生的。
光的衍射现象广泛存在于物理和生活中，它是波动光学理论的重要分支之一。
3.光的折射现象折射现象是指光通过一个介质时，由于介质的折射率受到光的波长、方向等多种因素影响，导致光线变化方向的现象。
折射现象常常发生在气体和液体交界处，如阳光在水面上形成的倒影，就是折射现象的典型例子。
4.光的反射现象反射现象是指光线在表面反射后发生变化的现象。
在反射现象中，光线发生反射会改变其方向，但不会发生任何变色等变化。
反射现象广泛存在于现实生活中，如我们在镜子前看到自己的影像，就是由于反射而产生的。
三、结语波动光学原理是物理学中非常重要的一部分，它与人们的日常生活密切相关。
波动光学原理是复杂而广泛的，它包含了许多不同领域的知识。
但正是由于波动光学原理的存在，我们才能够对光学的应用进行深入的研究和应用。
大学物理之波动光学讲解
晶体衍射在材料科学、化学、生物学等领域有广泛应用。例如，通过X射线晶体 衍射可以确定物质的晶体结构、化学成分等信息。
04
傅里叶光学基础知识
傅里叶变换在波动光学中应用
描述光波传播
通过傅里叶变换，可以将光波分 解为不同频率的平面波分量，从 而更直观地描述光波在空间中的
传播。
分析光学系统
利用傅里叶变换，可以对光学系统 的传递函数进行分析，进而研究光 学系统对光波的传播和变换特性。
04
振幅、频率与相位关系
对于同一光源发出的光波，其 频率相同，但振幅和相位可能 不同。当两束或多束光波叠加 时，它们的振幅和相位会影响 干涉条纹的分布和明暗程度。
偏振现象及偏振光类型
偏振现象
光波在传播过程中，其振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振。只有横波才能发生偏 振现象。
偏振光类型
根据光波振动方向与传播方向的关系，可将偏振光分为线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光 。其中，线偏振光的振动方向与传播方向垂直；圆偏振光的振动方向与传播方向成螺旋状 ；椭圆偏振光的振动方向与传播方向成椭圆形。
偏振光的产生与检测
偏振光可以通过反射、折射或特定晶体等产生。检测偏振光的方法包括使用偏振片、尼科 耳棱镜等。
02
干涉现象与原理
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。
空间频率域与时间频率域的联系
光波作为一种电磁波，其空间频率和时间频率之间存在内在联系。在波动光学中，可以通过傅里叶变换将光 波从空间域转换到频率域，或从时间域转换到频率域，从而揭示光波在不同域中的传播和变换特性。
波动光学_精品文档
波动光学第一节 光的干涉一、光波的相干叠加1、光波叠加原理：每一点的光矢量等于各列波单独传播时在该点的光矢量的矢量和。
2、光波与机械波相干性比较：（1)相同点：相干条件、光强分布。
（2)不同点：发光机制不同。
3、从普通光获得相干光的方法：(1)分波阵面法：将同一波面上不同部分作为相干光源。
(2)分振幅法：将透明薄膜两个面的反射（透射）光作为相干光源。
4、光程与光程差：（1）光程：即等效真空程：Δ=几何路程×介质折射率。
（2）光程差：即等效真空程之差。
5、光程差引起的相位差：Δφ=φ2-φ1+λ∆∏2，Δ为光程差，λ为真空中波长。
（1）Δφ=2k ∏时，为明纹。
（2）Δφ=（2k+1)∏时，为暗纹。
6、常见情况：（1）真空中加入厚d 的介质，增加（n-1)d 光程。
（2）光由光疏介质射到光密介质界面上反射时附加λ/2光程。
（3）薄透镜不引起附加光程。
二、分波面两束光的干涉1、杨氏双缝实验：（1）Δ=±k λ时，（k=0,1,2,3……）为明纹。
Δ=±（2k-1)2λ时，（k=1,2,3……）为暗纹。
（2）x=λdD k ±时，为明纹。
x=2)12(λd D k -±时，为暗纹。
(k=0,1,2,……) （3）条纹形态：平行于缝的等亮度、等间距、明暗相间条纹。
（4）条纹亮度：Imax=4I1,Imin=0.（5）条纹宽度：λdD x =∆. 2、其他分波阵面干涉：菲涅耳双棱镜、菲涅耳双面镜。
三、分振幅干涉1、薄膜干涉：2sin 222122λ+-=i n n e Δ反（2λ项：涉及反射，考虑有无半波损失） 透Δi n n e 22122sin 2-=（无2λ项） 讨论：（1）反Δ/透Δ=k λ时，(k=1,2,3……）为明纹，（2k+1)2λ时，（k=0,1,2……）为暗纹。
（2）等倾干涉：e 一定，Δ随入射角i 变化。
（3）等厚干涉：i 一定，Δ随薄膜厚度e 变化。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第十四章波动光学
光的干涉
一、选择题
1、来自不同光源的两束白光，例如两束手电筒光照射在同一区域内，是不能产生干涉图样的，这是由于[ ]
(A)白光是由不同波长的光构成的(B)两光源发出不同强度的光
(C)两个光源是独立的，不是相干光源(D)不同波长的光速是不同的
2、杨氏双缝干涉实验是：[ ]
(A) 分波阵面法双光束干涉(B) 分振幅法双光束干涉
(C) 分波阵面法多光束干涉(D) 分振幅法多光束干涉
3、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
(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
4、光在真空中和介质中传播时，正确的描述是: [ ]
(A)波长不变，介质中的波速减小(B) 介质中的波长变短，波速不变
(C) 频率不变，介质中的波速减小(D) 介质中的频率减小，波速不变
5、一束波长为λ的光线，投射到一双缝上，在屏幕上形成明、暗相间的干涉条纹，那么对应于第一级暗纹的光程差为：[ ]
(A) 2λ(B) 1/2λ (C) λ(D) λ/4
6、在双缝干涉实验中，为使屏上的干涉条纹间距变大，可以采取的办法是[ ]
(A) 使屏靠近双缝(B) 把两个缝的宽度稍微调窄
(C) 使两缝的间距变小(D) 改用波长较小的单色光源
7、用单色光做杨氏双缝实验，如现将折射率n=1.5的薄透明玻璃片盖在上侧缝上，此时中央明纹的位置将：[ ]
(A)向上平移且条纹间距不变(B)向下平移，且条纹间距不变
(C)不移动，但条纹间距改变(D)向上平移，且间距改变
8、.光波从光疏媒质垂直入射到光密媒质，当它在界面反射时，其[ ]
(A)相位不变(B)频率增大(C)相位突变(D)频率减小
9、.如图所示，折射率为n2、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n1和n3，已知n1 ＜n2 ＞n3，若用波长为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（用①②示意）的光程差是：[ ]
(A) 2n 2e (B) 2n 2e －/(2 n 2 ) (C) 2n 2e － (D) 2n 2e －/2
10、两个几何形状完全相同的劈尖：一个由空气中的玻璃形成，一个由玻璃中的空气形成。
用相同的单色光分别垂直照射它们时，从入射光方向观察到干涉条纹间距
[ ]
(A)玻璃劈尖干涉条纹间距较大 (B)空气劈尖干涉条纹间距较大
(C)两劈尖干涉条纹间距相同 (D)已知条件不够，难以判断
二、填空题
1、波长为λ的单色光在折射率为n 的媒质中，由a 点传到b 点相位改变了π，则对应的光程差（光程）为 。
2、在双缝干涉实验中，用白光照射时，明纹会出现彩色条纹，明纹内侧呈 色。
3、用白光进行双缝实验时，如果用纯红色滤光片和纯蓝色滤光片分别盖住两缝，则 产生干涉条纹。
（填能或不能）
4、若在杨氏双缝其中一缝后加一透明媒质薄片，使原光线光程增加λ5.2，则此时屏中心处将变为 纹。
（填明或暗）
5、薄钢片上有两条紧靠着的平行细缝，用双缝干涉方法来测量两缝间距。
如果用波长nm 1.546=λm)10nm 1(9-=的单色光照射，双缝与屏的距离mm 300=D 。
测得中央明条纹
两侧的两个第五级明条纹的间距为m m 2.12。
则两缝间距离为 mm 。
6、一束波长为 的单色光由空气垂直入射到折射率为n 的透明薄膜上，透明薄膜放在空气中，要使透射光得到干涉加强，则薄膜最小的厚度为 。
7、在垂直照射的劈尖干涉实验中，当劈尖的夹角变大时，干涉条纹将向劈尖棱方向移动，相邻条纹间的距离将 。
（填变大、变小或不变）
8、在空气中有一劈尖形透明物，其劈尖角rad 100.14-⨯=θ，在波长700=λnm 的单色光垂直照射下，测得干涉相邻明条纹间距l=0.25cm ，此透明材料的折射率n =_________。
9、波长为λ的单色光垂直照射在由两块玻璃迭合形成的空气劈尖上，其反射光在劈棱处产生暗条纹。
这是因为空气劈下表面的反射光存在 。
三、判断题
1、普通光源发光特点是断续的，每次发光形成一个短短的波列, 各原子各次发光相互独立，各波列互不相干。
（ ）
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的路程相等，走过的光程不相等。
（ ）
3、光在真空中和介质中传播时，波长不变，介质中的波速减小。
（ ）
4、.真空中波长为500nm 绿光在折射率为1.5的介质中从A 点传播到B 点时，相位改变了5π，则光从A 点传到B 点经过的光程为1250nm 。
（ ）
5、若将在双缝干涉实验放在水中进行，和空气中相比，相邻条纹间距将减小（ ）
6、波长为λ的单色光垂直照射在由两块玻璃迭合形成的空气劈尖上，其反射光在
劈棱处产生暗条纹，这是因为空气劈上表面的反射光存在半波损失。
（ ）
四、计算题
1、如图所示，双缝干涉实验中21SS SS =，用波长λ
的光照射1S 处为第三和2S ，通过空气后在屏幕上形成干涉条纹，已知P 点
装置放在级亮条纹，求1S 到P 和2S 到P 点的光程差，若将整个
某种透明液体中，P 点为第四级亮条纹，求该液体的折射率。
2、有一劈尖折射率4.1=n ，尖角rad 410-=θ。
在某一单色光的垂直照射下，可测得相邻明条纹间的距离为cm 25.0，试求：（1）此单色光的波长；（2）如果劈尖长为cm 5.3，那么总共可出现多少条明条纹？
3、如图所示：检查一玻璃平晶（标准的光学玻璃
平板）两表面的平行度时，用波长nm 8.632=λ的氦-氖激光器垂直照射，得到20条干涉条纹， 且两端点M 与N 都是明条纹，设玻璃的折射率50.1=n ，求平晶两端的厚度差。
光的干涉答案
选择题： 1-5 CACCB 6-10 CACDB
填空题：1、λ/2；2、紫；3、不能；4、暗；5、m m 134.0；6、
/ (2 n )；
7、变小；8、1.4；9、半波损失。
判断题：1、对；2、错；3、错；4、对；5、对；6、错。
计算题：
1、解：因为P 点处为第三级亮条纹，由定义：
λδ3)(121122=-=+-+=P S P S P S SS P S SS
放在某种透明液体中时，光波长会变为'λ，
此时有 λλ3'4=所以 λλ43'=，但n λλ=' 故33.13
4==n 2、解：（1）劈尖干涉的条纹间距为θλθλn n x 2sin 2≈=∆ 因而光波长nm m m x n 700107.01025.0104.122624=⨯=⨯⨯⨯⨯=∆⋅=---θλ
（2）在长为cm 5.3劈尖上，明条纹总数为 141025.0105.32
2
=⨯⨯=∆=--x L N 3、解：设玻璃的宽度为l ，厚度差为d ，则d ≈θsin 。
劈尖干涉的条纹间距为 nd
l n x 2sin 2λθλ==∆ 由于端点M 与N 都是明条纹，间隔数目为)1(-N 个。
由题意：
1-=∆N x l 于是玻璃厚度差为
m m m n N x l n d μλλ
01.41001.45.12)120(1043282)1(2610=⨯=⨯-⨯⨯=-=∆⋅=--。