光的基本性质

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麦克斯韦，英国物理学家
1831—1879
“一般地，宇宙间任何的电磁现象，皆可由此方程组解释。”
物理学中的“大统一”思想
➢ 牛顿首次将天上和地上的运动规律统一起来， 实现第一次大综合。
➢ 麦克斯韦把电、磁、光统一起来，实现第二次 大综合。
➢ 爱因斯坦试图把自然界中的4种作用力统一起 来，实现物理学中真正意义上的“大一统”。
偏振化方向
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光轴方向
偏振化方向
偏振光干涉的分析 振幅关系
Ae Acos
Ao
A s in
P1
M
A1 C
Ao
N
A2o
Ae
N
A2e
M
C
P2
S
线偏振光
椭圆偏振光
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A2o
Ae
N
A2e
A2e A2o
Ae Ao
cos cos
Acos sin Asin cos
光的电磁说
麦克斯韦1865年理论上预言，赫兹1888年通过 实验证实； 光是一种电磁波，在空间中电磁场的方式传播。
麦克斯韦方程组
首次系统地把电和磁在理论上统一起来。
融合了电/磁的高斯定律、安培定律、 法拉第定律。预言了电磁波的存在。
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Fra Baidu bibliotek
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以麦克斯韦定律、电动力学为基础
量子光学
从光子的性质出发，来研究光与物质相互作用的学科。
以量子力学、量子电动力学为基础
第一节 光的基本性质
➢ 历史回顾 ➢ 光的性质 ➢ 光的传输
2. 光的基本特性
波粒二象性 偏振性 电磁性 干涉与衍射
① 波粒二象性
光子
➢ 光子：光波辐射的最小能量单元，不可再分。 ➢ 光波可以看作光子的概率波。 ➢ 光子没有静止质量，不带电荷。
第四章 材料的光学性能
中国矿业大学 材料科学与工程学院
本章内容
➢ 光的基本性质 ➢ 光的反射与折射 ➢ 光的吸收与散射 ➢ 光的发射
请思考
为什么材料具有颜色？ 为什么材料能够发光？发光的方式有哪些？ 为什么某些材料透明，某些材料不透明？ 为什么某些材料具有一定的光泽？ 光学性能测试有哪些？各自有什么用途？
墨子
光沿直线传播 小孔成像
笛卡尔
光的折射与反射定律
牛顿
光的粒子性
惠更斯
光的波动性
托马斯·杨 光的干涉与衍射
麦克斯韦 光是一种电磁波
迈克尔孙 光速的测定
普朗克
光的量子学说
爱因斯坦 光量子——波粒二重性（粒子性和波动性）
狄拉克
电磁场的量子化－结合波动与量子
光的应用 激光、光纤、发光二极管... ...
光的微粒说
椭偏仪
用途：测量薄膜的厚度、折射率等。
原理：利用偏振光束在界面或薄膜上的 反射或透射时出现的偏振转换。
能够有选择地吸收某方向的光振动，而让与这个方向 垂直的光振动通过。物质的这种性质称为二向色性。
偏振片的用途
▲ 起偏器: I0
偏振化方向
▲ 检偏振器 I0
I0 偏振光
I0/2 偏振光
I0/2I0/2
光强不变
I0
光强为零 (消光)
部分偏振光照射时？
偏振光干涉装置
单色 自然光
偏振片P1
晶片C
偏振片P2
1、部分线偏振光 2、部分圆偏振光 3、部分椭圆偏振光
部分偏振光可以看成是自然光和线偏振光的混合。
1）线偏振光 （平面偏振光）
E
2）椭圆偏振光和圆偏振光
u
••••
3）自然光
特点
X
（1）在垂直光线的平面內，光 矢量沿各方向振动的几率均等.
••••
Y
••••
Z
u
（2）可以看成由两个振动方向
相互垂直，振幅相等，互不相
M
A2e A2o 同振幅、同振动面、
有恒定位相差，合成为相干光。
相位关系 相干偏振光总的位相差为
2
no
ne
d
— 相反投影
当 2k
或no
ne
d
2k
1
2
k
1，2，
时，相干加强；
当 2k 1
或no ne d kk 1，2， 时，相干减弱。
偏振光的应用
汽车车灯 偏振太阳镜 观看3D电影 LCD显示屏 椭偏仪
17 世纪为牛顿所提倡； 光是一种高速微粒，从光源沿直线行进至被照物； 直观地解释了光的传播、反射及折射等现象，曾被普 遍接受。
光的波动说
荷兰人惠更斯于17世纪初创立，经托马斯·杨等证实； 光是一种波动，由发光体引起，和声一样依靠媒质来 传播，随后被证实为一种电磁波； 能够解释光的传播、干射、衍射、散射、偏振等许多 现象； 但不能解释光与物质相互作用中的能量量子化转换的 性质。
E h
P h
光子的能量 光子的动量
徳布罗意物质波假说
波粒二象性是所有物质的固有特性。
光子，电子，声子，一切基本粒子
物质波（徳布罗意波）是一种几率波。
E h
P h
徳布罗意，法国物理学家
徳布罗意延伸了爱因斯坦的假说，在量子力学理论的发展中 作出了开创性的贡献。
② 光的偏振性
O
O
A z
纵波：振动方向沿传播方 向，因此振动方向相对于 垂直面A来说是对称的。
万有引力
基本作用力
电磁作用力 弱相互作用力 强相互作用力
是一种力，1979年Nobel物理学奖
萨拉姆、格拉肖、温伯格
（巴基斯坦人）
光学的分支
几何光学
从几个基本原理出发，来研究光的传播问题的学科。 以光的直线传播理论、折射与反射定律为基础。
物理光学
从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生的 现象的学科，也称作波动光学。
第一节 光的基本性质
➢ 光学研究的历程 ➢ 光的性质 ➢ 光的传输
1.光学研究的历程
光
的
光
光
惠光
电
的
的
更的
磁
现
微
斯波
说
象
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说
说
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光的直线传播 ）
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朗光
克的
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因二
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普
光的干涉 电磁波谱 光的衍射 光谱
中国矿业大学 材料科学与工程学院
对光的认识也随科技的发展不断进步
干线偏振光的叠加。
I Ix Iy
1 Ix Iy 2 I
偏振片
自然光经过媒质的吸收、反射、透射后使某一方向 的光振动减弱甚至消失，这种取向作用称为起偏。
能够起偏的光学器件叫起偏器，常用的是偏振片。
偏振片的用途
偏振片: 只允许某一个方向的光振动透过的装置。
涂有硫酸碘奎宁等材 料的透明簿膜
透明玻璃片
A
z 横波：振动方向垂直于传播方向， 因此振动方向相对于垂直面A来说是 不对称的。称此现象为偏振。
传播方向
E
振动 面
理论和实验证明，光波是横波 光具有偏振性，称为光的偏振 光的偏振性是判断光波是横波 还是纵波的重要依据。
偏振光
1、线偏振光 只沿单一方向振动的光 2、圆偏振光 3、椭圆偏振光
偏振光+自然光 = 部分偏振光