ch13波动光学基础

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第十三章
波动光学基础
上海同步辐射装置全景
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研究内容 ：
13.1 13.2 13.3
13.4 13.5
13.6 13.7
13.8 13.9 13.10
光是电磁波 光源 光的干涉 获得相干光的方法 杨氏双缝实验 光程与光程差 薄膜干涉 迈克耳孙干涉仪 惠更斯—菲涅耳原理
单缝的夫琅禾费衍射 衍射光栅及光栅光谱 线偏振光 自然光
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相干叠加： 满足相干条件的两束光叠加后
I I1 I 2 2 I1 I 2 cos
位相差恒定，有干涉现象 若 I1 I 2 2 I 2 I1 ( 1 cos ) 4 I 1cos 2 干涉相长 2k I 4 I1
( 2k 1 )
E
平面电磁波
H
O
u x
E ( x, t ) E0 cos (t
H ( x, t ) H 0 cos (t
x ) u
x ) u
和 H，在同一地点同时存在，具有相同的相位，以相同的速 ① 电磁波场矢量 E
特性
② 电磁波是横波 E u , H u ，E ③ 在空间同一点处， E 和 H 数值成比例
波动性：光的传输过程 粒子性：光与物质的相互 作用过程
光的本质：具有波粒二象性
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二
电磁波（横波）的产生与传播
变化的电场 变化的磁场 变化的电场
1.电磁波的波源——任何振动电荷或电荷系都是反射电磁波的波源， 振动的电荷或电荷系
2. 真空中的平面简谐电磁波及其特性
E 沿x轴传播的平面简谐电磁波电场强度 和磁场强度H 可分别表示为：
非相干叠加：
I 0
干涉相消
叠加后光强等于两光束单独照射时的光强之和，无干 涉现象。
I I1 I 2
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§13-3 获得相干光的方法 光程与光程差
一、普通光源获得相干光的途径（方法） 1 分波前的方法
光 源 波阵面分割法
将点光源的波前分割为两部分，使之分别通 过两个光具组，经反射或折射后交叠起来， 在一定区域内产生干涉场。经典例子杨氏干 涉实验
r1
)
s1
* *
r1
r2
s2
n
P
与n有关
t r2 t r1 r2 r 1 2π ( ) 2π ( ) 2π ( 1 ) 2π ( nr2 r ) T ' T '
1.定义：
光程L: 介质折射率与光的几何路程之积 L=
r u t
2. 光程差 (两光程之差) 光程差 相位差
c 光程 L nr r ct u
nr
s1 *
r1
r2
P
光程表示在相同的时间内光在真空中通过的路程
s2 *
n
nr2 r1
Δ 2π

λ
例：P147 13.1 （2） 13.2 （1）
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§13-4 杨氏双缝干涉
一、杨氏双缝干涉 托马斯· 杨（Thomas Young）
13.11 13.12
偏振片的起偏和检偏
13.13 13.14 13.15
马吕斯定律 反射和折射产生的偏 振 布儒斯特定律 双折射现象 椭圆偏振光 偏振光的干涉 旋光效应简介
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§13-1
光是电磁波
一、光的本质
1.光的两种学说
①牛顿微粒学说 2.光的本质 ①光的电磁理论
②惠更斯波动学说 ② 光的量子理论：粒子性
1016
无线电波 3104 m ~ 0.1 cm 紫外线 400 nm ~ 5 nm 红外线 6 105 nm ~ 760 nm X 射线 5 nm ~ 0.04 nm 射线 可见光 760 nm ~ 400 nm 0.04 nm
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§13-2 光源 光的干涉
一、光源
1.光源:通常把发出可见光为主的物体叫作光源，如 太阳、电灯、日光灯等。而把发以非可见光 为主的物体叫做辐射源
英国物理学家、医生和考古学家，光的 波动说的奠基人之一 波动光学：杨氏双缝干涉实验
生理光学：三原色原理
材料力学：杨氏弹性模量 考古学 ：破译古埃及石碑上的文字
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1.实验装臵
1801年，杨氏巧妙地设计 了一种把单个波阵面分解 为两个波阵面以锁定两个 光源之间的相位差的方法 来研究光的干涉现象。杨 氏用叠加原理解释了干涉 现象，在历史上第一次测 定了光的波长，为光的波 动学说的确立奠定了基础。
干涉条纹变密
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5. 杨氏双缝干涉的应用 （1）测量波长： （2）测量薄膜的厚度和折射率： （3）长度的测量微小改变量。
（2）暗条纹（干涉减弱）：
x d (2k 1) k 0,1,2, D 2 暗条纹在屏上的位臵 d x (2k 1) x (2k 1) D 或 Δ 2π 2π λ D 2d
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x
D k d D ( 2k 1) d 2
d、 D一定时，若 变化，x 的变化
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当用白光照射时，观察屏上出现彩色条纹
x k
D d
k 3 k 1 k 2
k 1
k 2
k 3
2、同一级次的各色条纹中， 1、在屏幕上x=0处各种波长的光 波长短的距中心较近，反之 光程差均为零，各种波长的零级 条纹发生重叠，形成白色明纹。 则较远。明纹位臵
S*
S1 * S2 *
分波前（面）
S是一单色点光源，它发出的光射到不透明屏上的两个小孔S1和S2， S1和S2靠得很近，并且与S等距离， S1和S2发出的两列波来自于同 一光源某一时刻发出的同一波列，因而它们就成为从同一波面分 出的两个同相的单色光源，即相干光源。从它们发出的光波在观 察屏上叠加，形成明暗相间的干涉条纹。为了提高干涉条纹的亮 度，实际上S、S1和S2用三个互相平行的狭缝代替三个小孔
度传播。
H， 三者满足右螺旋关系。
E H
r 0
r 0
u 1
④ 介质中电磁波的传播速度决定于介质的介电常数和磁导率

⑤ 电磁波在两种不同介质的分界面上要发生发射和反射，折射电磁波在真空中的 速率c与在某种介质中的传播速率之比称为该介质的绝对折射率n，简称折射率。
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电
0 2 4 6 8
磁
10
波
12 14
谱
16 18 20 22 24
10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10
频率Hz 长波无线电波 红外线 760 nm 紫外线 400 nm X射线Fra bibliotek可见光

射 线
短波无线电波 波长 m
108
104
100
104
108
1012
热辐射 电致发光
2.发光过程：
光致发光
化学发光
3.光源的分类
①. 普通光源： 普通光源发出的光为非相干光。 ②. 激光光源：受激辐射
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二. 光波的叠加
光的独立传播原理 光波叠加原理(光强不太大） “ 当两列 ( 或几列 ) 满足相干条件的光波在某 区域同时传播时 , 空间某些点的光振动始终 加强；某些点的光振动始终减弱，合成光波 的光强在空间形成强弱相间的稳定发布。光 波的这种叠加称为相干叠加，也称为光的干 涉现象。 相 干 条 件 ： (1)振动方向平行 (2)频率相同 (3)有恒定的位相差
•S下移时，零级明纹上移，干涉条纹整体向上平移；
•S上移时，干涉条纹整体向下平移，条纹间距不变。 ②双缝间距d 改变： 、D 一定时 •当d 增大时，Δx减小，零级明纹中心位臵不变，条 纹变密。 •当d 减小时，Δx增大，零级明纹中心位臵不变，条 纹变稀疏。
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、D 一定时，
条纹间距 x 与 d 的关系
亮纹
暗纹
k 0,1,2,
k 为干涉级
k 0, x0 0称0级中央亮纹
D k 1, x1 称 1级亮纹 d
k 2, x 2 2 D 称 2级亮纹 d
S
S1 * S2 *
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（3）条纹间距：
相邻明纹中心或相邻暗纹中心的距离称为条纹间距
c n u
r r
非铁磁性介质
r 1
n r
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3. 电磁波的能量 —在各向同性介质中，电磁能量传播方向与波速方向相同
辐射能： 电磁波所携带的电磁能量也称辐射能， 是以电磁波的形式传 播出去的能量。 能流密度：单位时间通过垂直电磁波传播方向单位面积的辐射能称为能 流密度，也称为波的强度 在电磁学中，通常把矢量形式表示的能流密度称为坡印亭矢量，常用 电磁场能量体密度 表示
设在垂直于电磁波传播方向x上取一面积元dA,则在dt时间内通过面积 元dA的辐射能应为 wudAdt ∴能流密度S大小为：
1 w we wm (E 2 H 2 ) 2
S
S
方向：u 与 E 和
wudAdt 1 1 1 wu (E 2 H 2 ) ( E E H H ) EH dAdt 2 2
D x xk 1 xk d
当用白光照射时，观察屏上出现彩色条纹 与 有关， 4、干涉条纹的特点
(1)明暗相间的条纹对称分布于中心O点两侧。
(2)相邻明条纹和相邻暗条纹等间距，与干涉级k无关。
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讨论
条纹间距
x
D d
( k 1)
（1）波长及装臵结构变化时干涉条纹的移动和变化 ①光源S位臵改变：
2
2 E0