西安电子科技大学：《大学物理》第十四章 波动光学（1/3）

第十四章浪动光学 光学——研究光的现象、光的本质和 光与物质相互作用的学科。 几何光学—以光的直线传播规律为依据 波动光学—研究光的电磁性质和传播规律 (于涉、翁射偏振) 量子光学—以光的量子理论为基础,研究 光与物质相互作用的规律 (黑体辐射光电效应、康普顿效应等) 第14章波动光学

第14章 波动光学 1 第十四章 波动光学 光学—— 研究光的现象、光的本质和 光与物质相互作用的学科。 几何光学 波动光学 量子光学 ——以光的直线传播规律为依据 ——研究光的电磁性质和传播规律 ——以光的量子理论为基础，研究 光与物质相互作用的规律 （干涉、衍射、偏振） （黑体辐射、光电效应、康普顿效应等）

第十四章波动光学 §14-1光是电磁浪 §14-8单缝夫琅和费衍射 §14-2光源光浪的叠加514-9光栅衍射及光栅光谱 514-3杨氏干涉实验 §14-10偏振光和自然光 514-4光程与光程差 §14-11起偏和检偏马吕斯定律 §14-5薄膜干涉 §14-12反射和折射产生的偏振光 §14-6迈克耳逊干涉仪 §14-13双折射现象 514-7惠更斯-菲涅耳原理 第14章波动光学 2

第14章 波动光学 2 §14-1 光是电磁波 §14-2 光源 光波的叠加 §14-3 杨氏干涉实验 §14-5 薄膜干涉 §14-6 迈克耳逊干涉仪 §14-4 光程与光程差 第十四章 波动光学 §14-7 惠更斯－菲涅耳原理 §14-8 单缝夫琅和费衍射 §14-9 光栅衍射及光栅光谱 §14-10 偏振光和自然光 §14-11 起偏和检偏 马吕斯定律 §14-12 反射和折射产生的偏振光 §14-13 双折射现象

§14-1光是电磁浪 麦克斯韦电磁理论两大预言 ——电磁波的存在 光是电磁波(光的浪动学说) 光浪(电磁波)是交变的电磁场在空间的传播。 电磁浪是横波,光波也是一种横波。 E×H/k H 第14章波动光学

第14章 波动光学 3 §14-1 光是电磁波 k E  H  O x y z E H k  // 光波（电磁波）是交变的电磁场在空间的传播。 电磁波是横波，光波也是一种横波。 麦克斯韦电磁理论两大预言 ——电磁波的存在 ——光是电磁波（光的波动学说）

描写光波(电磁浪)的几个基本物理量 波源:加速运动的电荷或者电荷系都是发射电磁波的源 波速:t= 2.99×10m1(真空中) E 3×108ms 频率:电磁波的频率范围很宽 射线x射线紫外可见光一红外无线电浪 (频率从高到低,波长从低到高) 可见光是一种长很短的电磁渡 第14章波动光学

第14章 波动光学 4 描写光波（电磁波）的几个基本物理量 波源：加速运动的电荷或者电荷系都是发射电磁波的源 波速：  1 u = 8 1 0 0 1 c 2.9979 10 m s   − = =   （真空中） 频率：电磁波的频率范围很宽 8 1 3 10 ms −    射线  射线 紫外 可见光 红外 无线电波 （ 频率从高到低，波长从低到高） 可见光是一种波长很短的电磁波

光色波长(am) 频率(Hz) 中心波长(m) 红760~6223.9×104~48×104 660 爷622~5974.8×1014~5.0×1014 黄597-5750×104~54×10)4 570 绿577~4925.4×104~6.1×1014 540 青4924706.1×1014~6.4×104 80 7045564×104~6.6×1014 460 紫45540066×104~75×104 430 可见光七彩颜色的渡长和频率范围 第14章波动光学 5

第14章 波动光学 5 光色 波长(nm) 频率(Hz) 中心波长 (nm) 红 760~622 660 橙 622~597 610 黄 597~577 570 绿 577~492 540 青 492~470 480 兰 470~455 460 紫 455~400 430 可见光七彩颜色的波长和频率范围 14 14 3.910 ~ 4.810 14 14 4.810 ~ 5.010 14 14 5.010 ~ 5.410 14 14 5.410 ~ 6.110 14 14 6.110 ~ 6.410 14 14 6.410 ~ 6.610 14 14 6.610 ~ 7.510

黄绿光最敏感A=5557 振幅:光浪传播的是交变的电磁场,它的特征是以H 为标志,而对人眼或光学仪器起作用的是E,所 以光的振动矢量是E,简称光矢量E 光波的振幅:E 光波的振源方程:E()=Ecos(o1+) 平面简谐光波方程:E(,)= E cos(o(-)+) Eo cos(at-2I+o) 第14章波动光学

第14章 波动光学 6 振幅：光波传播的是交变的电磁场，它的特征是以 、 为标志，而对人眼或光学仪器起作用的是 ,所 以光的振动矢量是 ，简称光矢量 。 E E E H E 光波的振幅： 光波的振源方程： 平面简谐光波方程： 0 E t E t ( ) cos( ) = +   0 ( , ) cos( ( ) ) r E r t E t c = − +   0 cos( 2 ) r E t     = − + 黄绿光最敏感  = 555nm E

§14-2光源光波的叠加 光源—任何发光的物体都称为光源 1.发光机理 (1)热辐射 自 (5)同步辐射受 (2)电致发光发 (6)激光 (3)光致发光辐 激辐射 (4)化学发光 射 E 浪列 自发辐射 能级跃迁 A→ v=(E2-E1)/h E 波列:一段有限长,频率、初相位 振向确定,振幅不变的简谐浪 7

第14章 波动光学 7 §14-2 光源 光波的叠加 一、 光源 — 任何发光的物体都称为光源 (1) 热辐射 (2) 电致发光 (3) 光致发光 (4) 化学发光 能级跃迁 波列 L =  c 自 发 辐 射 (5) 同步辐射 (6) 激光 受 激 辐 射 自发辐射 E2 E1 (E E )/ h  = 2 − 1 1. 发光机理 波列：一段有限长，频率、初相位， 振向确定，振幅不变的简谐波

2.普通光源发光特点:间歇性独立性 W MM ∧M 非相千(不同原子发的光) 非相千(同一原子先后发的光) 二、光的单色性 实际光 单色光:具有同一波长(频率)的光 0 单色光 (光学的理想化模型) 谱线宽度 同一种原子组成的光源发出的光 波频率、波长有一定的宽度。 0 △λ一衡量谱线单色性好坏的物理量 Δ越小,谱线的单色性越好 第14章波动光学

第14章 波动光学 8 非相干(不同原子发的光) 非相干(同一原子先后发的光) . . 2. 普通光源发光特点：间歇性 独立性 二、 光的单色性 单色光：具有同一波长（频率）的光 （光学的理想化模型） 同一种原子组成的光源发出的光 波频率、波长有一定的宽度。 o  0  I I0 I0 /2  谱线宽度 越小，谱线的单色性越好 实际光 单色光  —衡量谱线单色性好坏的物理量

三、光波的叠加 E,= EorcOS(O, t-2T+o E,= Eo cos(o,t +02 1非相干叠加=1+l2(叠加区域亮度均匀) P 2.相千叠加相干条件:同频率、相差恒定、1 光矢量振动方向平行 1=1+l2+2、12cos△ 2( =1-92 (1)相长干涉(亮)△q=±2k,k=0,1,2,3 max 1+12+2√1 (2)相消干涉(暗)△q=±(2k+1)兀,k=0,2,3 1+12-2√ 第14章波动光学

第14章 波动光学 9 三、 光波的叠加 · 1 1 01 1 1 cos( 2 ) r E E t     = − + 2 2 02 2 2 cos( 2 ) r E E t     = − + P 1 2 r1 r2 · · 1. 非相干叠加 1 2 I I I = +2 cos I = I 1 + I 2 + I 1 I 2  (1) 相长干涉（亮）  = 2kπ , max 1 2 2 1 2 I = I = I + I + I I 2. 相干叠加 k = 0,1,2,3... 1 2 1 2 2 ( )  r r     −  = − − (2) 相消干涉（暗）  = (2k +1)π , min 1 2 2 1 2 I = I = I + I − I I k = 0,1,2,3... 相干条件: 同频率、相差恒定、 光矢量振动方向平行 （叠加区域亮度均匀）

当两束相千光满足:=2,1=12=1 δ「±2k兀 光强极大 △=-2-2 2丌 λ(±(2k+1)z光强极 干涉条件简化为: ±k 波程差=n-r= ±(2k+1)1=0 引入可见度:nIm+m (度量条纹清晰度) min nmn=0,暗纹全暗,n=1 -→>Jr,n->0,条纹模糊不清 第14章波动光学 10

第14章 波动光学 10 引入可见度： max min max min I I I I  − = + min I = 0 1 ，暗纹全暗，＝ 1 2 1 2 0  = = = ,I I I （度量条纹清晰度） 1 2 1 2 2 2 2 (2 1) r r k k           −   = − − = =    + I I min max → → ， 0，条纹模糊不清 当两束相干光满足： 光强极大 光强极小 干涉条件简化为： 2 1 (2 1) 2 k r r k      = − =   +   0 I I = 4 I = 0 波程差：