《大学物理》课程教学资源（PPT课件讲稿）光的波动性（光的干涉、光的偏振、光的衍射）

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公元前400年《墨经》:光的几何性质记录 公元前300-400年欧几里德:光的直线传播 第 开普勒(德):光照、光疏密性质、全反射 1621年斯涅尔(荷):折射定律 9.1 1655年格拉马蒂(意):衍射、薄膜干涉现象 牛顿:总结提出光的粒子说 惠更斯(荷):同期提出光的波动学说。(以太介质) 1801年托马斯杨(英):杨氏双缝干涉 节光的加 1808年马吕斯(法):光的偏振(光是横波) 1811年布儒斯特(英):双轴晶体 1818年菲涅尔(法):惠更斯—菲涅尔原理 同期洛埃:洛埃镜实验半波损失 →>为波动说奠定基础。 184962年菲索和傅科(法)光速测量:>证实波动说 1872年迈克尔逊和莫雷(美):以太寻找实验 1872年麦克斯韦:建立 Maxwel方程,光速,光是电磁波 1886年赫兹(德):证实电磁波 1905年爱因斯坦:光的量子学说一>光的粒子性 相对论一>光速「 光的波粒二象性

2021/2/10 3 第 9.1 节 光 的 叠 加 公元前400年 《墨经》： 光的几何性质记录 公元前300~400年 欧几里德： 光的直线传播 开普勒（德）：光照、光疏密性质、全反射 1621年 斯涅尔（荷）：折射定律 1655年 格拉马蒂（意）：衍射、薄膜干涉现象 牛顿：总结提出光的粒子说 惠更斯（荷）：同期提出光的波动学说。（以太介质） 1801年 托马斯.杨（英）：杨氏双缝干涉 1808年 马吕斯（法）：光的偏振（光是横波） 1811年 布儒斯特（英）：双轴晶体 1818年 菲涅尔（法）：惠更斯—菲涅尔原理 同期 洛埃：洛埃镜实验 半波损失 —> 为波动说奠定基础。 1849—62年 菲索和傅科（法）光速测量：—>证实波动说 1872年 迈克尔逊和莫雷（美）：以太寻找实验 1872年 麦克斯韦：建立Maxwell方程，光速，光是电磁波 1886年 赫兹（德）：证实电磁波 1905年 爱因斯坦：光的量子学说 —> 光的粒子性 相对论—>光速 光的波粒二象性

光源:发光体 发光机制:热发光(热辐射) 电致发光 磷光、生物发光、化学发光等 可见光 紫外 红外 50A4000A 7600A0.1mm 光学研究分类(有关可见光研究的学科) 光波长相对较短、波动效应不明显一>几何光学 光的内禀性质、光现象 物理光学 光的浪动性质(干、衍、偏)一>波动光学 光的粒子性、与物质的相互作用一>量子光学 现代光学(全息照相、激光等)

2021/2/10 4 •光源：发光体 发光机制：热发光 （热辐射） 电致发光 磷光、生物发光、化学发光等 紫外 红外 o 7600 A o 4000 A o 50 A 0.1mm 可见光 •光学研究分类（有关可见光研究的学科） •光波长相对较短、波动效应不明显 —> 几何光学 •光的内禀性质、光现象 —> 物理光学 光的波动性质（干、衍、偏） —> 波动光学 光的粒子性、与物质的相互作用 —> 量子光学 • 现代光学（全息照相、激光等）

第9.2节光波的叠加 、惠更斯——菲涅耳原理 浪传到的任何一点都是子波的浪源;设S是某光波的浪阵面 在其上任一面元ds:都可看作是次波的光源,各子波在空间某点 的相千叠加,就决定了该点处光浪的强度。若ds在浪阵面前面 点P产生的电场矢量为dE1,则S在P点产生的合电场为 C dE(P) Ep E S d Q 6=0,∫=fmnx (波前)」 方向因子(0=f(0↓ 0≥m/2,f()=0 dE.∝ (9∫(6) ds 表征子波传播开各向同性 A(Q取决于波前上Q点处的强度 无后退波

2021/2/10 5 一、惠更斯——菲涅耳原理 波传到的任何一点都是子波的波源；设S是某光波的波阵面， 在其上任一面元dsi都可看作是次波的光源，各子波在空间某点 的相干叠加，就决定了该点处光波的强度。若dsi在波阵面前面 一点P产生的电场矢量为dEi，则S在P点产生的合电场为  = S Ep dEi   p · dE(p) r n Q dS ·  S(波前) dS r A Q f dEp ( ) ( )  方向因子f ( ):  =0, max f = f A(Q)取决于波前上Q点处的强度    / 2, f ( ) = 0 无后退波    f ( )  •表征子波传播并非各向同性 第9.2节 光波的叠加

6 第9.2节光波的叠加 二、相干光源 1、光源 最基本发光单元是分子、原子;外层电子跃迁产生 可見光、电磁波(横波) n为传播方向单位矢量 E=E0C0(ot-k·r)k=2m/ 普通光源(自发辐射):不同原子发光,或同一原子 不同时间发光 发光的间隙性发光的随机性4v/vn>10 f 激光光源(受激辐射) Dn (频率,位相振动方向传播方向Av/vn~107~10-13

2021/2/10 6 1、光源 •最基本发光单元是分子、原子；外层电子跃迁产生 第9.2节 光波的叠加 •可见光、电磁波（横波） cos( ) 0 E E t k r     =  −  k 2n /    = n为传播方向单位矢量  二、相干光源 •普通光源(自发辐射)：不同原子发光，或同一原子 不同时间发光； 发光的间隙性,发光的随机性 •激光光源(受激辐射) (频率,位相,振动方向,传播方向) -7 13 / 0 ~ 10 ~ 10−   -7  / 0  10 Dn n0 f

第9.2节光波的叠加 2.光程光程差 L v ny n 在介质中传播的浪长与真空中波长的关系 L 2元2ml2兀 Ao=k n, n o/n (1)光程定义:光波在介质中所经历的几何路程/与介质 折射率n之积nl。 或称之为:在光波在介质中所经历的相同时间内,光波 在真空中传播的距离 光程L=∑(n1L4) 相位中=∑(m1)=L/1

2021/2/10 7 第9.2节 光波的叠加 n n u C 0    = = = r r = =  u C n 2. 光程 光程差 在介质中传播的波长与真空中波长的关系 nl n l l kx n 0 0 2 / 2 2        = = = = n l (1)光程定义：光波在介质中所经历的几何路程l与介质 折射率n之积 nl 。 或称之为： 在光波在介质中所经历的相同时间内，光波 在真空中传播的距离 。 …… …… n1 n2 nm l1 l2 lm  光程 L =  ( ni l i ) 相位 0 0  =(ni l i )/  = L/ 

第9.2节光波的叠加 2.光程光程差 (2)光程差=(n2l2-n141) 光程差与位相差(同频率光源): 4o=2 I 2 22m1l1 =2丌5/1 12A1 注: 相位差等于光程差乘上 般空气的n≈1, 光在真空中的波数。 成像的等光程性(费马原理) 透镜或透镜组在光路中不会S AAA 带来附加的光程差。 半波损失(特别注意) (光疏到光密反射时)=(n2l2-n11)+1/2

2021/2/10 8 第9.2节 光波的叠加 2. 光程 光程差 0 0 1 1 0 2 2 1 1 2 2 2 2 2  /         =        = −         = − l l n l n l 光程差与 位相差（同频率光源）： ( ) 2 2 1 1 (2) 光程差  = n l − n l l1 l2 注： • 一般空气的 n1， •成像的等光程性(费马原理) 透镜或透镜组在光路中不会 带来附加的光程差。 S ' S L1 L2 A1 A2 A3 •半波损失（特别注意） （光疏到光密反射时）  = (n2 l 2 −n1 l 1 )+  / 2 相位差等于光程差乘上 光在真空中的波数

3、光波的叠加与干涉 P 9 (1)光波叠加(线形介质) Ey E1(p,D)=E10C0s(01t-k1r1+90) E2(p,D)=E20C0s(2t-k22+g20) 对于两光浪的任意相遇点P: S2 E2垂直于E方向的振动为E2 sine E,snbB2 该方向的光强r∞l|E20c0sP2 平行于E向的振动—两振动的合成 E, cos0 E 平行方向合振幅 E0=E10+E20 8+2E10E20 CosAcosAo 两光浪的位相差: 4p=(O2-1)t+(q20-90)-(k22-k1) 合光强:I=1+12+2√12cos日(cosA1)

2021/2/10 9 3、光波的叠加与干涉 （1）光波叠加 (线形介质) E1  S1 S2 P E2  r1  r2  cos  2 10 20cos cos 2 2 20 2 10 2 E0 =E + E + E E 对于两光波的任意相遇点P： 该方向的光强 2 20 I|E cos | 平行于 E1 方向的振动  [( ) ( ) ( )] 2 1 2 0 1 0 2 2 1 1  =  − t +  − − k r − k r 两光波的位相差： —— 两振动的合成 平行方向合振幅： 合光强： T I I I 2 I I cos (cos ) = 1 + 2 + 1 2   E1  E2 E2 垂直于 方向的振动为 sin  ( , ) cos( ) 1 = 10 1 − 1 1 +10 E p t E t k r   ( , ) cos( ) 2 = 20 2 − 2 2 +20 E p t E t k r   E1  E2  E2 cos E2 sin 

讨论 I=I+12+2112 cos 8(cos 4o)T 4=I(a2-a1)t+(q20-910)-2z(n2/2-/41 两光波的位相差不稳定4小≠常量 两光波不相干 c0=7c340=0 相遇点的光强:I=I1+l2两光强简单相加 两光波的位相差稳定4=常量 c060合光强:=1+12+2,2cos6c0s4 当∫A=Mn1>1+h2光强加强 4(=(2k+1zI<h-h2光强减弱称之为相干叠加 若1=2和c0(1了4=2kz=41=42干涉相长 A小=(2k+1zI=l1-12=0干涉相消

2021/2/10 10 [( ) ( ) 2 ( / / )]  2 1 2 0 1 0  2 2 1 1 = − t + − − r − r •两光波的位相差不稳定   常量 cos 0 1 cos 0 = =  T dt T   相遇点的光强： 1 2 I = I + I • 两光波的位相差稳定  = 常量 两光强简单相加 合光强： 当  = 2k I I1+ I2 光强加强  =(2k +1) I  I1− I2 光强减弱 称之为相干叠加 两光波不相干 若 I1=I2和cos=1  = 2k 4 1 4 2 I = I = I  =(2k +1) I = I1− I2=0 讨 论 T I I I 2 I I cos (cos ) = 1 + 2 + 1 2   cos = cos I = I1 + I2 + 2 I1 I2 cos cos 干涉相长 干涉相消