南开大学姚江宏特色大学物理课件光学3-2
大学物理光学与现代物理课件
大学物理光学与现代物理课件光学是研究光的传播、传输和相互作用的一门学科，是物理学的重要分支之一。
本课程将介绍光学基础知识以及现代物理领域中涉及到的一些光学原理和应用。
一、光学基础知识1. 光的本质及传播特性光是一种电磁波，能够在真空和介质中传播。
它具有波粒二象性，既可以被看作波动现象，又可以被看作粒子（光子）。
2. 光的干涉和衍射干涉是指两束或多束光相遇时的叠加效应，衍射则是光通过开口或者物体边缘时发生的偏折现象。
干涉和衍射实验是研究光波性质的重要手段。
3. 光的偏振光的偏振是指光中的电场矢量在特定方向上的振动。
线偏振、圆偏振和椭偏振是常见的偏振现象，它们在光学仪器和材料的应用中具有重要作用。
4. 光的折射和反射折射和反射是光线经过界面时发生的现象。
根据斯涅尔定律和光的反射定律，可以计算光线的折射角和反射角。
这在光学元件的设计和应用中有着重要的意义。
二、现代物理中的光学应用1. 激光原理和应用激光是一种具有高度一致性和单色性的光源。
它在光通信、医疗、科学研究等领域都有广泛的应用。
本节将介绍激光的产生原理、特性以及常见的应用领域。
2. 光纤通信光纤通信是一种利用光纤进行信息传输的技术。
光纤具有传输速度快、带宽大、抗干扰能力强等优点，被广泛应用于现代通信系统中。
3. 光电子学光电子学是研究光与电子相互作用的学科。
在光电子学中，光电效应、光电倍增管、光电二极管等器件的原理和应用是重点内容。
4. 光谱学光谱学是研究光的频谱和与物质相互作用的学科。
通过光谱分析，可以研究物质结构、物质的化学成分、天体物理等问题。
5. 光学成像光学成像是利用光通过光学元件对物体进行成像的技术。
其应用广泛涉及到光学显微镜、望远镜、相机等领域。
结语本课程介绍了光学的基础知识和现代物理中的光学应用。
通过学习本课程，可以加深对光学原理和现代光学技术的理解，为进一步深入研究和应用光学奠定基础。
同时，希望本课程对学生的物理学习和科学研究有所帮助。
《大学物理光学》PPT课件(2024)
干涉仪和衍射仪使用方法
干涉仪使用方法
通过分束器将光源发出的光波分成两束，再经过反射镜反射后汇聚到一点，形成干涉图样。通过调整反射镜的位 置和角度，可以观察不同干涉现象。
衍射仪使用方法
将光源发出的光波通过衍射光栅或单缝等衍射元件，观察衍射现象。通过调整光源位置、衍射元件参数等，可以 研究光电效应、康普顿效应等 现象表明光具有粒子性， 即光量子（光子）。
波粒二象性的统一
光既具有波动性又具有粒 子性，二者是统一的。在 不同条件下，光表现出不 同的性质。
4
光的传播速度与介质关系
真空中的光速
在真空中，光的传播速度最快，约为 3×10^8 m/s。
光速与波长、频率的关系
2024/1/30
24
光学存储技术原理及应用
光学存储技术的分类
只读型、一次写入型和可重写型
光学存储技术的原理
利用激光束在存储介质上形成微小坑点来记录信息
光学存储技术的应用
数字音频、视频、图像和计算机数据的存储
2024/1/30
光学存储技术的优缺点及发展前景
容量大、保存时间长，但读写速度相对较慢
25
应用
透镜广泛应用于摄影、望远镜、 显微镜等光学仪器中，用于实现 物体的放大、缩小和成像等功能 。
10
反射镜成像原理及应用
成像原理
反射镜通过反射光线来改变光线的传 播方向，从而形成像。反射镜的成像 规律遵循光的反射定律和光路可逆原 理。
应用
反射镜广泛应用于天文望远镜、激光 测距仪、光学干涉仪等光学系统中， 用于实现光线的反射、聚焦和成像等 功能。
光学传感器种类及工作原理
光学传感器的分类
光电传感器、光纤传感器、光谱传感器等
《大学物理光学》PPT课件
1
i
C
2
e AB cos r
e AB BC cosr
'
c
A
e
B
AC ACsini 2etgrsini
2ne sinr λ δ 2n1e sini cosr cosr 2
sini n u1 sinr n 1 u 2
2e λ δ ( n n 1 sinrsini) cosr 2
凸起
（4）牛顿环 R-e R
e
r
λ 明纹 2e kλ 2 λ λ 暗纹 2e ( 2k 1) 2 2 2 2 2 R r (R e)
r R 2 Re e
2 2 2
R>>e
r 2 R e
2
r
2Re
0
明环半径
r
λ ( 2k 1)R 2
k 1,2,3
例题，已知 =500nm 平行单色光垂直入射 a=0.25mm f=25cm 求:(1)两第三级明纹之间的距离 f
x3 o
（2）第三级明条纹的宽度 解： （1）第三级明条纹满足
7 a sinθ 3 λ k3 2 7λ f x3 7 x3 a sinθ 3 λ si nθ 3 2a 2 f
） 菲涅耳衍射（近场衍射 衍射的两大分类 夫琅和费衍射（远场衍 射）
菲涅耳衍射 光源，屏幕 距衍射屏有限远
夫琅和费衍射 光源，屏幕 距衍射屏无限远
S
P
菲涅耳衍射
（近场衍射） 衍射屏
菲涅耳
圆孔 圆屏 单缝 双缝 单边
衍射
圆孔 圆 屏 夫琅和费
单缝 双缝 单边
衍射
2024大学物理课件光学篇
•光的本质与传播•几何光学基础•波动光学初步•量子光学简介•激光技术与应用•光纤通信技术基础光的本质与传播光的波粒二象性01波动性质光具有干涉、衍射等波动特有的现象，表明光是一种波动。
02粒子性质光电效应等现象揭示了光的粒子性，即光由一份一份不连续的能量组成，称为光子。
03波粒二象性的统一光既具有波动性又具有粒子性，二者在不同条件下表现出来。
光的传播速度与介质关系真空中的光速01在真空中，光的传播速度最快，约为3×10^8米/秒。
介质中的光速02光在不同介质中的传播速度不同，一般比在真空光的反射与折射定律反射定律01入射光线、反射光线和法线在同一平面内；入射光线和反射光线分居法线两侧；入射角等于反射角。
折射定律02入射光线、折射光线和法线在同一平面内；入射光线和折射光线分居法线两侧；入射角的正弦与折射角的正弦成正比，即sinθ1/sinθ2=n2/n1（其中n1和n2分别为两种介质的折射率）。
全反射现象03当光从光密介质射入光疏介质，且入射角大于或等于临界角时，会发生全反射现象。
光的偏振现象自然光与偏振光自然光在各个振动方向上的光强相同，而偏振光则只在某一特定方向上振动。
偏振片的起偏与检偏作用偏振片可以将自然光转变为偏振光，也可以用来检测偏振光。
光的双折射现象当光射入某些晶体时，会发生双折射现象，即分解成两束振动方向互相垂直的偏振光。
几何光学基础03光线与光束的区别与联系光线是理想化的模型，而光束是实际存在的；光束由无数光线组成，而光线是光束的抽象表示。
01光线定义光线是表示光的传播方向和路径的几何线，它代表能量传播的方向。
02光束概念光束是由许多光线组成的集合，具有一定的截面形状和发散角。
光线与光束概念透镜成像基本原理透镜通过改变光线的传播方向来实现成像，遵循光的折射定律。
透镜成像规律物体在透镜前不同位置时，成像位置、大小、虚实等规律。
透镜类型及特点包括凸透镜和凹透镜，分别具有会聚和发散作用。
南开大学姚江宏特色大学物理课件光学3-3
2 k '+ 1 l ( ne − no ) = klE λ = λ 2
2
k ' = 0,± 1,± 2, L
若去掉盒内电场，则没有光从 透出 透出。 若去掉盒内电场，则没有光从N透出。整个系统起 光开关”的作用。 “光开关”的作用。
20
∗克尔效应(电光效应) 克尔效应 电光效应) 电光效应 实验装置
α
Ao
O
8
偏振态的检验
步 骤 一 判断 操作 现象 两明 两零 线偏 振光 操作 把检偏振器迎着被检验光旋转一周 光强不变 自然光或圆偏光； 自然光或圆偏光； 转步骤二 光强两明两暗 椭圆偏振光
步 骤
在检偏器前插入λ/4片 在检偏器前插入λ/4片 在检偏器前插入λ/4片, 在检偏器前插入λ/4片,并使光 轴对着暗方位, 轴对着暗方位,再旋转检偏器 再旋转检偏器
11
2 2 2 A出⊥ = AeN + AON + 2 AON AeN cos δ ⊥
= 2 A 2 cos 2 α ⋅ sin 2 α (1 + cos δ ⊥ ) = 2 A 2 cos 2 α ⋅ sin 2 α [1 − cos δ ]
2 1.5 1 0.5 0 -10
δ = π ,3π ,5π ... 相干相长
00或900 α≠00 ,900,450
3. 偏振态的检验 (1) 自然光通过 波片 自然光通过1/4波片 仍然是自然光。 后，仍然是自然光。 (2) 振动方向和 1/4 波 片光轴垂直的线偏光， 片光轴垂直的线偏光， 出射的偏振态不变。 出射的偏振态不变。 (3) 椭圆偏光通过光 轴与其短轴方位一 致的1/4波片后 波片后， 致的 波片后，出 射线偏光。 射线偏光。 C A出 = A入 O C Ae A
大学物理 光学 精品课件 (2)
注意：k=1第一级暗纹, k=2第二级暗纹…. 无零级暗纹
21
条纹特点：
⑴ 明暗相间的干涉条纹
相邻两明纹（或暗纹）间距：
x
xk 1
xk
D nd
Δx 1 d Δx D
Δx
（2）同一频率光，出现一系列平行等间距条纹.
明纹宽度 = 暗纹宽度 = 1 明纹间隔
2
(3) 不同频率的光，同一级条纹（k值相同），呈 现的位置不同，干涉条纹间距不同,紫光较密，
一片亮。 一片暗。
33
例：在折射率 n 1.50 的玻璃上，镀上n 1.35 的透 明介质薄膜，入射光波垂直于介质膜表面照射，观 察反射光的干涉，发现对1 6000Å 的光波干涉相 消，对2 7000Å 的光波干涉相长，且在6000Å和 7000Å之间没有别的波长是最大限度相消或相长的 情形，求所镀介质膜的厚度。
2 I Imin I1 I2 2 I1I2
15
7. 条纹衬比度（对比度，反衬度） V I max I min I max I min
I1 I2
I Imax
Imin
-4 -2 o 2 4
衬比度差 (V < 1)
决定衬比度的因素：
I1 I2
I
4I1
-4 -2 o 2 4
衬比度好 (V = 1)
（课后作业）如图所示，牛顿环装置的平凸透镜
与平板玻璃有一小缝隙e0，现用波长为
的单色光垂直照射，已知平凸透镜的曲率半 径为R，求反射光形成的牛顿环的各暗环半 径。
e
e0
空气
1
光学通常分为以下三部分：
▲几何光学：以光的直线传播规律为基础， 主要研究各种成象光学仪器的理论。
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
大学物理课件光学篇
大学物理课件光学篇一、教学内容本节课的教学内容选自人教版小学科学教材《科学》四年级下册第五单元“光的传播”的第二课时。
本节课的主要内容有：了解光的传播特点、掌握光的折射现象、探究光的反射定律以及光的色散。
二、教学目标1. 让学生了解光的传播特点，知道光在同种均匀介质中沿直线传播。
2. 使学生掌握光的折射现象，能用折射现象解释生活中的现象。
3. 让学生探究光的折射定律，能用折射定律解释光的折射现象。
4. 让学生了解光的色散，能解释彩虹的形成。
三、教学难点与重点重点：光的传播特点、光的折射现象、光的色散。
难点：光的折射定律的理解和应用。
四、教具与学具准备教具：多媒体课件、激光笔、玻璃板、水杯、透明塑料尺。
学具：学生实验套件（包括光具座、蜡烛、凸透镜、光屏）、彩虹图片、色散实验材料。
五、教学过程1. 实践情景引入：利用多媒体课件展示生活中的光的传播现象，如日食、月食、小孔成像等，引导学生思考光的传播特点。
2. 知识讲解：讲解光在同种均匀介质中沿直线传播的原理，通过激光笔照射屏幕上的线条，让学生直观地感受光的传播特点。
3. 实验演示：利用玻璃板和水杯，进行光的折射实验，引导学生观察折射现象，讲解折射定律。
4. 随堂练习：让学生运用折射定律解释生活中的折射现象，如看水中的鱼比实际位置浅等。
5. 知识拓展：讲解光的色散现象，展示彩虹图片，引导学生了解色散原理。
7. 布置作业：（1）用文字描述光的传播特点。
（2）运用折射定律解释一个生活中的折射现象。
（3）解释彩虹的形成原理。
六、板书设计光的传播特点：沿直线传播光的折射现象：折射定律光的色散：彩虹的形成七、作业设计1. 光的传播特点：光在同种均匀介质中沿直线传播。
2. 光的折射现象：当光从一种介质斜射入另一种介质时，光线会向法线方向偏折，光线偏折的程度与两种介质的折射率有关。
3. 光的色散：太阳光经过水滴折射后，分成七种颜色，形成彩虹。
八、课后反思及拓展延伸本节课通过生活实例和实验演示，使学生了解了光的传播特点、掌握了光的折射现象，并解释了光的色散。
南开大学姚江宏特色大学物理课件光学1-2分振幅薄膜干涉
明环条件 d 1 (2k 1)
4
r (2k 1)R
2
k 1,2,3
暗环条件 d 1 k
2
r kR k 0,1,2,3
22
例2. 牛顿环的应用
C
已知：用紫光照射，借助于低倍测量
显微镜测得由中心往外数第 k 级明环 的半径 rk 3.0 10 3 m , k 级往上数
d 每增加/2：
视场中心外冒一个条纹，视场内条纹 向外扩张，条纹略变稠密．
28
演示工科物理/光的干涉/迈克耳逊干涉仪
(2) 等厚条纹的特征 (M1和M2有一夹角)
若 Ｍ1Ｍ2 不平行,则d不是常数。若d大时,由于使用的 扩展光源,空间相干性极差, 干涉消失。调小d，出现凸 向空气膜薄边的、弧状的混合型干涉条纹。再调小 d , 使得Ｍ1Ｍ2 相交，这时出现等厚直条纹。
实际使用中，光线垂直入射；有半波损失。
ZnS的最小厚度 2d1n1 / 2 k
d1
(2k 1)
4n1
|k 1
67.3nm
MgF的最小厚度 2d2n2 / 2 k
n1 n1 n2 n1 n2
n2
d2
(2k 1)
4n2
|k1 114 .6nm
10
练习题： 增透膜和增反膜 为了增加波长为550nm光的透射，在折射率n=1.5的照相 机镜头上涂一层折射率为1.38的氟化镁增透膜。若反射 光相消干涉的条件中取 k=1，膜的厚度为多少？此增透膜 在可见光范围内有没有增反？考虑光线垂直入射。
4
r (2k 1)R
2
k 1,2,3
暗环条件 d 1 k
2
r kR k 0,1,2,3
大学物理光学(二)2024
大学物理光学（二）引言概述：本文将对大学物理光学（二）进行详细的阐述。
在本科物理课程的光学部分，光学（二）是重要的一环，它主要深入探讨了光的传播、干涉和衍射现象，以及光的偏振等内容。
在本文中，我们将从五个大点来进行阐述，依次包括光的传播、干涉与衍射、光的偏振、光的干涉仪和光的衍射仪。
正文：一、光的传播1. 光的传播的基本原理2. 光的传播速度和光的介质3. 光的衍射和折射的现象4. 光束和光线的传播模型5. 光的衍射和干涉的相对关系二、干涉与衍射1. 干涉与衍射的基本概念和区别2. 杨氏双缝干涉实验和杨氏双缝衍射实验3. 单缝衍射和多缝衍射的特点4. 干涉和衍射的数学模型和公式5. 干涉与衍射在实际应用中的意义和效果三、光的偏振1. 光的偏振的基本概念和性质2. 光的偏振光源和偏振器3. 偏振光的表示和分析方法4. 偏振现象在光学实验中的应用5. 液晶显示器和偏振镜的工作原理四、光的干涉仪1. 光的干涉仪的基本原理和构造2. 干涉仪的主要种类和特点3. 径向干涉仪和薄膜干涉仪的应用4. 干涉仪在干涉光谱测量中的应用5. 干涉仪在实验室科研和工业领域的应用五、光的衍射仪1. 光的衍射仪的基本原理和结构2. 衍射光栅和夫琅禾费衍射的特点3. 衍射仪在光谱分析中的应用4. 衍射仪在材料表征中的应用5. 衍射仪在精密测量中的应用总结：通过对大学物理光学（二）的阐述，我们深入了解了光的传播、干涉与衍射、光的偏振、光的干涉仪和光的衍射仪等内容。
这些知识不仅在理论上深化了我们对光学的认识，同时也有着广泛的实际应用价值，为光学技术的发展和应用提供了基础。
通过学习和掌握光学（二），我们将更好地理解光与物质的相互作用，为今后的学习和研究打下坚实的基础。
南开大学姚江宏特色大学物理课件量子物理1-2
不同的m构成不同的谱系；当m一定时，由不同的 n构成各条谱线。
8
赖曼系 帕邢系 布喇开系 普丰德系
~
1
1 R(12
1 n2 )
~
1
1 R( 32
1 n2 )
%
1
R(
1 42
1 n2
)
~
1
1 R( 52
1 n2
),
n 2,3,4, n 4,5,6,
n 5, 6, 7,L n 6,7,8,
实验表明： 原子具有线光谱； 各谱线间具有一定的关系; 每一谱线的波数都可表达为两个光谱项之差。
迎来了物理学的大革命。
17
§5 德布罗意物质波 物质波的波动方程
1. 实物粒子具有波动性
h
p
实物粒子的能量和动量： h
p h
、p是用来描述粒子的特征，、是用来描述波动特性 的物理量(c=)，普朗克常数h 将这两种特征量联系起来。
由于普朗克常数h很小，对宏观物体来说，其波动性很弱。
18
➢质量为10g的石子以1米/秒的速度运动，对应的德布罗 意波长是6.610-32米；
22
4. 德布罗意量子理论的应用
4.1 氢原子计算 角动量量子化条件:
德布罗意认为，氢原子中电子的圆周轨道运动的物质 波会形成驻波，圆周长应等于波长的整数倍。
2r n h
p
L rp h n n
2
电子驻波
23
氢原子的轨道半径和能量：
氢原子动量：p=h/，=2r/n， p=nh/2r=nħ 氢原子能量：E=Ek+Ep=p2/2m-e2/40r
轨道半径由dE/dr=0条件获得：
rn 0.053 n2 (nm) 氢原子的量子化能级： En 13.6eV / n2
《大学物理光学》PPT课件 (2)
• 注意区分：
界面；入射面；振动面
n1
E P 光矢量的p分量-平行于入射面振动 n2
E S 光矢量的s分量-垂直于入射面振动
i1 i1'
i2
r—是在界面上的任一点的位置矢量。
图1.2-3 光在两种介质分界面上的反射与折射
1 波动光学基础
1.5.1 光在介质界面的反射与折射
E1s E1's E2s
A 1 s e i ( k x 1 r p t ) A ] 1 's [ e i ( k x 1 ' r p 1 't ) A ] 2 [ s e i ( k x 2 r p 2 t )] [
１． 1 1' 2
２．
k1rk1 ' rk2r
(k1' k1) r 0 (k2 k1) r 0
1、rp、r
均为复数
s
rp rs 1, RP RS 1
S 0 p,P 0 p 2、1 C时，s p 0,不改变偏振态 1 C时，s p 0 p，改变偏振态
二、倏逝波
1、等幅面是平行于界面的平面， 等相面是垂直于界面的平面。
2、入射波透入介质2约一个波长的深度， 透射波沿界面传播约半个波长， 然后返回介质1。
R
wp
0
0
30
1.5.5 反射光与透射光的半波损失（相位突变）
结论： ① 自然光自疏（快）介质向密（慢）介质入射时，反射光相对入射光 存在半波损失（p 相位突变），反之不存在。
② 透射光在任何情况下都不存在半波损失。
1 波动光学基础
1.5.6 全反射现象与应用
1.5.6 全反射现象与应用
• 一、反射系数及反射相移
南开大学姚江宏特色大学物理课件光学3-1
y x
左旋椭圆偏振光
5
••• 圆偏振光
右旋
左旋
以上三种偏振光称为完全偏振光, 可以由两个互相垂直的， 有相位关系的, 同频率的线偏振光合成. 反之, 一完全偏振光 也可以分解为两个任意方向, 相互垂直, 有相位关系的同频率 的线偏振光.
6
（3）部分偏振光：自然光和完全偏振光合成的光
自然光 + 线偏振光 自然光 + 圆偏振光 自然光 + 椭圆偏振光
光强为I0的线偏光，透过检偏器以后，透射光强为：
I I0 cos2
•• •
M
A0
N
讨论：
O
线偏光通过检偏器 I I0 cos2
=0，I=I0 线偏光的振动方向与检偏器的透光方向垂直 =/2，I=0 线偏光的振动方向与检偏器的透光方向平行
自然光通过检偏器 得到线偏光
光强为I0的自然光透过检偏器得到的线偏光光强为：I0 / 2
光在介质界面反射时有偏振现象,入射角任意时反射 和折射光如下图
I
R
M
ii
n1 M'
n2
r
R' 不完全偏振光
12
当入射角为某一定值时,反射光完全偏振，此时入 射角为 ip称为布儒斯特角.
tgi p
n2 n1
tgi p n21
布儒斯特定律
实验表明：反射所获 I
得的线偏光仅占入射
自然光总能量的7.4%， 而垂直于入射面的光
2700
n'
n'
900
00
•
n
• M
• 0n0 • M
• •••
• •••
16
例题：已知某材料在空气中的布儒斯特角ip=58,求材料折
南开大学光子学课程讲义2-2-3-QuantumOptics-new
Pegg-Barnett phase distribution of the three states.
光压缩态
《Fundamentals of Photonics》 P475
光压缩态
《Fundamentals of Photonics》 P476
光压缩态
实现方法1：周期性泵浦法 令谐振腔一端的反射镜往返运动，当腔长变化的 频率达到光频的两倍时，到达反射镜上的光波能 量会周期性地被放大和缩小。这意味着，腔体靠 长度的变化，不断地向光波放出或从光波抽取能 量。若反射镜振动相对光波具有一定的相位时， 光波则被放大，电磁振荡趋于增强；反之，光波 被衰减，电磁振荡趋于减弱。真空噪音是由许多 无规则的波构成的，它们具有相同的频率，但振 幅与相位却呈现无规则变化。
光压缩态
实现方法2：钠原子蒸汽法 1985年，美国贝尔实验室的Slusher研究组： 在谐振腔中放入一个充满钠原子蒸气的容器。由 于在钠原子气中光速比真空中低，光经过钠蒸气 室的光程加大。当用激光激发钠原子，由于激光 的激发，钠原子蒸气室的光程迅速变化，这种变 化的频率又恰好与光频相当，因而代替了反射镜 的往返振动。他们的这一实验获得了成功，首次 利用所形成的驻波场的激光，周期地激发钠原子 而获得了压缩光，使压缩后的真空噪音下降了7%。
For fermions
Experiments with 4He, 3He Westbrook et al., Nature (2007) Experiments with ultracold atoms Bloch et al., Nature (2005,2006)
光压缩态
在某些情况下，光束中的量子噪音可以被压缩到 很小，而且，当光波的一部分噪音被压缩至很小 时，另一部分光波噪音却被放大，而对被压缩噪 音的光波进行测量时，其精确度有可能超出测不 准原理给出的限制。 当一定相位的波被放大时，另外一些波则被衰减。 能量重新分配的结果，腔内的真空噪音将由一部 分高振幅波与一部分低振幅波组成，这两部分波 的强弱交替变化着，这种光波即称为压缩态。
4_4南开大学特色大学物理课件 干涉
中央明条纹的半角宽为： I
sin / a
其它各级明条纹 的宽度为中央明 条纹宽度的一半。
1.5 o
a
a
2
a
sin
10
因为中央明条纹半角宽：
sin / a
p
A
x
屏幕上中央明条纹的 线宽度为：（焦距 f ）
a
o
x 2 f / a
B
单缝
f
E
条纹在接收
屏上的位置 x k f / a
暗纹中心在屏上位置
k 1,2
x k f / a
r0 0 f 1.22f / D 爱里斑的半径
21
提纲 第十六章 光的衍射
§1 光的衍射现象 惠更斯-菲涅耳原理 * 光的衍射现象 * 惠更斯-菲涅耳原理 * 衍射的分类 §2 单缝和圆孔的夫琅和费衍射
* 单缝夫琅和费衍射
* 圆孔夫琅和费衍射 作业：2-2，2-6，2-7
A1
B
f
x
o
E
A2
单缝
A3
B
C 将波面分成整数个波带，各波带面积
相等，相邻波带的相位差为 ，则：
结论：
asin 2k / 2
暗纹中心
k 1,2
asin (2k 1) / 2
明纹中心
9
asin 2k / 2 k 1,2 暗纹中心
asin (2k 1) / 2
明纹中心
中央两侧第一暗条纹之间的区域，称做零极（或中央） 明条纹，它满足条件：
提纲 第二章 光的衍射
§1 光的衍射现象 惠更斯-菲涅耳原理 * 光的衍射现象 * 惠更斯-菲涅耳原理 * 衍射的分类 §2 单缝和圆孔的夫琅和费衍射
* 单缝夫琅和费衍射
南开大学姚江宏特色大学物理课件光学1-1第一章 光的干涉
解：在真空中 r2 r1
S2上盖一介质
S1 r1
r2 h nh r1
Sd
p
r2
x
o
零级明条纹：=0 r2 r1 h nh (1 n)h
S2 L
光路中有介质时n>1，r2<r1，零级明条纹向下移动。
且当 D b, D d 时
A' S2 A' S1 2D
36
由几何关系： A' S2 [(d / 2 b / 2)2 D2 ]1/2 A' S1 [(d / 2 b / 2)2 D2 ]1/2
得出：( A' S2 )2 ( A' S1)2 bd
A' S2 A' S1 2D
)2
r22 r12 (r2 r1)(r2 r1) 2xd
当L >>d 时：
r1
r2 2L 2 xd
r2
r1
xd L
0 L
S1 r1
Sd
p
r2
x
o
S2
19
L
结论1：明暗条纹的中心位置
2 xd 0 L
2 xd 2k L
明条纹中心位置： x kL
d
0统一写成
k 0,1,2,
k 叫波矢，波矢的方向表示波的传播方向。k=2 /
是光矢量每振动一次在介质中传播的距离叫波长。
5
电磁场的能量密度 w 1 E2 1 H 2
2
2
平面电磁波的能量密度 E 2 H 2 w E 2
能流密度矢量的大小
S uw uE2 uA2 cos2 (t o 2r )
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当晶体 旋转时
e 非常光 o 寻常光
3
光的双折射： 一束入射光在各向异性介质中产生两束折射光的现象
称为双折射现象。其中一束折射光始终在入射面内，且 遵守折射定律，沿各方向折射率相同，称为寻常光，简 称o光。另一束折射光一般不在入射面内，也不遵守折射 定律，沿不同方向有不同的折射率，称为非常光，简称e 光。
19
作业： 3-12；3-14
20
5
正单轴晶体 单轴晶体：
no ne
负单轴晶体 no ne
Vo Ve Vo Ve
入射面：入射光线与晶面法线组成的平面。 主平面：晶体内o光与光轴组成的平面是o光主平面。 晶体内e光与光轴组成的平面是e光主平面。
光轴在入射面内时o光和e光主平面重合。
寻常光和非常光在双折射晶体中的偏振特性 寻常光：o光振动方向垂直于o光主平面。 非常光：e光振动方向垂直于e光主平面。
获得偏振方向互相垂直的两偏振光。
13
(4) 光轴与晶体表面斜交，平行光斜入射
A
A'
光轴
• o•
e
o光和e光传播方向不同，获得互相垂直的两偏振光。 如果光轴不在入射面内，球面和椭球面相切的点，就不会在14入射 面内，则 o、e 光振动方向不相互垂直。
3.双折射现象的应用-偏振器件
(1) 尼科耳棱镜
在大学物理知识范围内用ne代替ne主。
ne
no
方解石
1.4864
1.6584
石英
1.5534
1.5443
8
负单轴晶体BBO（偏硼酸钡）的折射率曲线
9
2. 平行光在晶体中的双折射现象（以负单轴晶体为例） (1) 光轴与晶体表面垂直，平行光正入射
光轴
•
•
oe
晶体内o光和e光传播速度大小和方向都相同。
e •o •
d
光程差是波长的整数倍，该波片称为全波片或波长片。
全波片的厚度：d
k
位相差是2整数倍
, k 1,2,
ne no
光程差是半波长的奇数倍，称该波片为半波片或1/2波片。
半波片的厚度：d
(2k
1)
,k
位相差是奇数倍
0,1,2,
2(ne no )
18
光程差是1/4波长的奇数倍，称该波片为1/4波片。 位相差是/2奇数倍
自然光
y
x • ••• ••
线偏振光 偏振光 圆偏振光
椭圆偏振光
• •••
y
x
y
x
部分偏振光 • • •
1
§4 光的双折射
一、 光的双折射现象 1. 光的双折射
光的折射现象：
S’
介质的折射率不同使光的
传播速度发生改变
S
光的双折射现象： 天然的方解石晶体是双折射晶体
2
方解石晶体 观察屏
入射光
光的双折射现象
A 220
• C 680
e O • 810
M N
➢光轴在ACNM平面,ACN=680，入射面取ACNM面
➢方解石的折射率n0=1.658, ne=1.486， 加拿大树胶的折射率no=1.55
光入射角810大于其临界角arc sin(1.55/1.658)=69012’， 被全反射，在CN处为涂黑层所吸收。
光轴
石英
当自然光垂直入射时， 由晶体出射的是振动方 向相互垂直的线偏振光， 它们沿原入射方向同向 传播，但传播速度不同。
e
d
•o •
石英晶体是正单轴晶体，石 英晶体中e光比o光慢。
17
(1) 石英波片的光程差和位相差
o光和e光的光程差：
(ne no)d
相位差：
2 /
(2) 波片的分类
石英
10
(2) 光轴与晶体表面平行，平行光正入射
光轴
o•
•
e
晶体内o光和e光方向相同，e光的传播速度快。
11
光轴与晶体表面平行，平行光正入射
光轴
o
Байду номын сангаас
•
•
e
晶体内o光和e光方向相同，e光的传播速度快。
12
(3) 光轴与晶体表面斜交，平行光正入射
光轴
A
B C
o•
e
A' B'
C'
•
e
晶体内o光和e光传播方向不同，
1/4波片的厚度：d (2k 1) , k 0, 1, 2,L L 4(ne no )
(3) 方解石波片的光程差和位相差
e光和o光的光程差：
(no ne )d
相位差：
2 /
(4) 波片的作用是使通过它的O光和e光有相位上的改变， 因此也称为相位延迟器。在偏振光分析中有着独特的作用。
➢偏振方向在ACNM平面内的偏振光。
15
(2) 渥拉斯顿棱镜： D
•••
O • •e
A
C
O
光从光密到光疏
•e
折射光要偏离法线
•
B
O 光振动垂直 于光线和光轴 组成的平面。
O •e
e 光振动平行 于光线和光轴 组成的平面。 16
4. 波晶片（波片）
厚度为d ,光轴与两个表面
平行的双折射晶体薄片称
为波片。
6
二、 用惠更斯原理解释光的双折射现象
1. 惠更斯原理： o光在晶体内任意点所引起的波阵面是球面，即
具有各向同性的传播速率；e 光在晶体内任意点所引 起的波阵面是旋转椭球面，沿光轴方向与o光具有相 同的速率。
光轴方向
o光波面 e光波面
负晶如方解石CaCO3
正晶如石英SiO2
7
e 光在垂直于光轴方向上的传播速率Ve主， 在该方向的折射率ne主。 e 光在其它方向上的折射率在n0...ne主之间 。
折射率决定了光在介质中的速度，o光在晶体中的传 播速度与方向无关，e光在晶体中的传播速度随传播方 向而改变。
o光和e光都是偏振光。
4
2. 双折射晶体的特点 方解石晶体的三个棱边与其光轴成等角
光轴
oe
光轴是双折射晶体的一个特征方向。沿光轴方向入 射的光束不发生双折射，即o光和e光的折射率相同。
具有一个光轴的双折射晶体，称为单轴晶体。 具有两个光轴的双折射晶体，称为双轴晶体。