大学物理第15章波动光学
大学物理中的波动光学光的衍射和干涉现象
大学物理中的波动光学光的衍射和干涉现象大学物理中的波动光学：光的衍射和干涉现象波动光学是大学物理中的一门重要课程，研究光的传播与干涉、衍射、偏振等现象。
其中，光的衍射和干涉是波动光学中的两个重要现象。
本文将对光的衍射和干涉进行详细讨论和解析，并探讨其在实际应用中的重要性。
一、光的衍射现象光的衍射是指光通过狭缝或障碍物后的传播过程中，光波的干涉和折射产生的现象。
当光波通过一个狭缝时，光波会在狭缝的边缘发生弯曲，进而产生波动的干涉效应。
这个过程称为光的衍射。
光的衍射现象在日常生活中有各种各样的应用。
例如，CD、DVD 和蓝光碟等光盘的读写原理就是基于光的衍射现象。
光的衍射也被广泛应用于显微镜、望远镜和天文学的观测中，使我们能够更清晰地观察微观和宇宙中的远处物体。
二、光的干涉现象光的干涉是指两个或多个光波相互叠加产生干涉的现象。
当两束或多束光波相遇时，它们会发生叠加干涉现象，形成交替出现明暗的干涉条纹。
这种现象称为光的干涉。
光的干涉现象在很多实验中都有应用。
例如，杨氏双缝干涉实验就是利用光的干涉现象来观察和研究波的性质。
干涉技术还被广泛应用于光学测量、图像处理和激光干涉等领域。
干涉技术的应用使得我们可以实现高精度测量、光栅分析和光学干涉计等。
三、衍射与干涉的区别与联系尽管光的衍射和干涉是两个不同的现象，但它们之间有着紧密的联系。
首先，光的衍射和干涉都是由于光波的波动性质而产生的。
其次，它们都是波动光学中干涉和折射效应的体现。
不同之处在于，光的干涉是多个光波相互叠加产生的干涉现象，而光的衍射是光通过狭缝或障碍物后的波动干涉和弯曲现象。
此外，光的干涉通常需要明确的相位差和干涉构成条件，而光的衍射则更多地受到波长、狭缝尺寸和物体形状的影响。
无论是光的衍射还是干涉，在物理学的研究和实际应用中都起着重要的作用。
无论是在光学器件设计、成像技术还是光学测量中，都需要充分理解和应用这些光学现象。
同时，通过对光的干涉和衍射的研究，我们可以更深入地了解光与物质相互作用、光的传播特性和波动性质等问题，有助于推动光学科学和技术的发展。
四川师范大学大学物理波动光学(13、14、15章)题解
第十三章 光的干涉13–1 在双缝干涉实验中，两缝分别被折射率为n 1和n 2的透明薄膜遮盖，二者的厚度均为e ，波长为λ的平行单色光垂直照射到双缝上，在屏中央处，两束相干光的位相差 。
解：加入透明薄膜后，两束相干光的光程差为n 1e –n 2e ，则位相差为e n n e n e n )(2)(22121-=-=∆λλλλφ13–2 如图13-1所示，波长为λ的平行单色光垂直照射到两个劈尖上，两劈尖角分别为21θθ和，折射率分别为n 1和n 2，若二者分别形成的干涉条纹的明条纹间距相等，则21,θθ，n 1和n 2之间的关系是 。
解：劈尖薄膜干涉明条纹间距为θλθλn n L 2sin 2≈=（ 很小） 两劈尖干涉明条纹间距相等221122θλθλn n =，所以 2211θθn n =或1221n n =θθ13–3 用一定波长的单色光进行双缝干涉实验时，欲使屏上的干涉条纹间距变大，可采用的方法是： ； 。
解：因为干涉条纹的间距与两缝间距成反比，与屏与双缝之间的距离成正比。
故填“使两缝间距变小；使屏与双缝之间的距离变大。
”13–4 用波长为λ的单色光垂直照射如图13-2示的劈尖膜（n 1＞n 2＞n 3），观察反射光干涉，从劈尖顶开始算起，第2条明条纹中心所对应的膜厚度e = 。
解：劈尖干涉（n 1＞n 2＞n 3）从n 1射向n 2时无半波损失，产生明条纹的条件为2n 2e = k ，k = 0,1,2,3…在e = 0时，两相干光相差为0，形成明纹。
第2条明条纹中心所对应的膜厚度为k = 1，即2n 2e = ，则22n e λ=。
13–5 若在迈克耳孙干涉仪的可动反射镜移动0.620mm 的过程中，观察到干涉条纹移动了2300条，则所用光波的波长为 。
解：设迈克耳孙干涉仪空气膜厚度变化为e ，对应于可动反射镜的移动，干涉条纹每移动一条，厚度变化2λ，现移动2300条，厚度变化mm 620.022300=⨯=λ∆e ，则 = 。
大学物理波动光学总结资料
大学物理波动光学总结资料波动光学是指研究光的波动性质及与物质相互作用的学科。
在大学物理中，波动光学通常包括光的干涉、衍射、偏振、散射、吸收等内容。
以下是波动光学的一些基本概念和应用。
一、光的波动性质1.光的电磁波理论。
光是由电磁场传输的波动，在时空上呈现出周期性的变化。
光波在真空中传播速度等于光速而在介质中会有所改变。
根据电场和磁场的变化，光波可以分为不同的偏振状态。
2.光的波长和频率。
光波的波长和频率与它的能量密切相关。
波长越长，频率越低，能量越低；反之亦然。
3.光的能量和强度。
光的能量和强度与波长、频率、振幅有关。
能量密度是指单位体积内的能量，光的强度则是表征单位面积内能量流的强度。
二、光的干涉1.干涉的定义。
干涉是指两个或多个光波向同一方向传播时，相遇后相互作用所产生的现象。
2.杨氏双缝干涉实验。
当一束单色光垂直地照到两个很窄的平行缝口上时，在屏幕上会出现一系列互相平衡、互相补偿的亮和暗的条纹，这种现象就叫做杨氏双缝干涉。
3.干涉条纹的间距。
干涉条纹的间距与光波的波长、发生干涉的光程差等因素有关。
4.布拉格衍射。
布拉格衍射是一种基于干涉理论的衍射现象，用于分析材料的晶体结构。
三、光的衍射1.衍射的定义。
衍射是指光波遇到障碍物时出现波动现象，其表现形式是波动向四周传播并在背面出现干涉现象。
2.夫琅和费衍射。
夫琅和费衍射是指光波通过一个很窄的入口向一个屏幕上的孔洞传播时，从屏幕背面所观察到的特征。
孔洞的大小和形状会影响到衍射现象的质量。
3.斯特拉斯衍射。
斯特拉斯衍射是指透过一个透镜后，将光线聚焦到一个小孔上，然后在背面观察到的光的分布情况。
4.阿贝原则与分束学。
阿贝原则是指光学成像的基本原理，根据这个原理，任意一个物体都可以被看作一个点光源阵列。
分束学是将任意一个物体看作一个点光源阵列，在分别聚焦到像平面后重新合成图像。
四、光的偏振1.偏振的定义。
偏振是指光波的电场振动在一个平面内进行的波动现象。
大学物理波动光学课件
麦克斯韦电磁理论：19 世纪中叶，英国物理学 家麦克斯韦建立了电磁 理论，揭示了光是一种 电磁波，为波动光学提 供了更加深入的理论根 据。
在这些重要人物和理论 的推动下，波动光学逐 渐发展成为物理学的一 个重要分支，并在现代 光学、光电子学等领域 中发挥了重要作用。
02 光的干涉
干涉的定义与分类
定义 分类 分波前干涉 分振幅干涉
干涉是指两个或多个相干光波在空间某一点叠加产生加强或减 弱的现象。
根据光源的性质，干涉可分为两类，分别是ห้องสมุดไป่ตู้波前干涉和分振 幅干涉。
波前上不同部位发出的子波在空间某点相遇叠加产生的干涉。 如杨氏双缝干涉、洛埃镜、菲涅尔双面镜以及菲涅尔双棱镜等
。
一束光的振幅分成两部分（或以上）在空间某点相遇时产生的 干涉。例如薄膜干涉、等倾干涉、等厚干涉以及迈克耳孙干涉
波动光学与几何光学的比较
几何光学
几何光学是研究光线在介质中传播的光学分支，它主要关注 光线的方向、成像等，基于光的直线传播和反射、折射定律 。
波动光学与几何光学的区分
波动光学更加关注光的波动性质，如光的干涉、衍射等现象 ，而几何光学则更加关注光线传播的几何特性。两者在研究 对象和方法上存在差异，但彼此相互补充，构成了光学的完 整体系。
VS
马吕斯定律
当一束光线通过两个偏振片时，只有当两 个偏振片的透振方向夹角为特定值时，光 线才能通过。这就是马吕斯定律，它描述 了光线通过偏振片时的透射情况。这两个 定律在光学和物理学中都有着广泛的应用 。
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分类
根据障碍物的大小和光波波长的相对 关系，衍射可分为菲涅尔衍射和夫琅 禾费衍射。
单缝衍射与双缝衍射
单缝衍射
2024年大学物理波动光学-(带目录)
大学物理波动光学-(带目录)大学物理波动光学摘要：波动光学是大学物理课程中重要的组成部分，主要研究光的波动性质及其在介质中的传播规律。
本文主要介绍了波动光学的基本概念、波动方程、干涉现象、衍射现象、偏振现象以及光学仪器等，旨在为读者提供系统的波动光学知识，为进一步学习和研究打下基础。
一、引言波动光学是研究光波在传播过程中所表现出的波动性质的科学。
光波是一种电磁波，具有波动性、粒子性和量子性。
波动光学主要关注光的波动性质，研究光波在介质中的传播、反射、折射、干涉、衍射、偏振等现象。
波动光学在科学技术、工程应用、日常生活等领域具有广泛的应用，如光纤通信、激光技术、光学仪器等。
二、波动方程波动方程是描述波动现象的基本方程。
光波在真空中的传播速度为c，介质中的传播速度为v。
波动方程可以表示为：∇^2E(1/c^2)∂^2E/∂t^2=0其中，E表示电场强度，∇^2表示拉普拉斯算子，t表示时间。
该方程描述了光波在空间和时间上的传播规律。
三、干涉现象1.极化干涉：当两束相干光波在空间某点相遇时，它们的电场矢量方向相同，相互加强，形成明条纹；当电场矢量方向相反，相互抵消，形成暗条纹。
2.非极化干涉：当两束相干光波在空间某点相遇时，它们的电场矢量方向垂直，相互叠加，形成干涉条纹。
四、衍射现象衍射现象是光波传播过程中遇到障碍物或通过狭缝时产生的现象。
衍射现象的本质是光波的传播方向发生改变，使得光波在空间中形成干涉图样。
衍射现象可以分为菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射两种：1.菲涅耳衍射：当光波通过狭缝或障碍物时，光波在衍射角较小的情况下发生的衍射现象。
菲涅耳衍射的衍射图样与狭缝或障碍物的形状、大小以及光波的波长有关。
2.夫琅禾费衍射：当光波通过狭缝或障碍物时，光波在衍射角较大的情况下发生的衍射现象。
夫琅禾费衍射的衍射图样与狭缝或障碍物的形状、大小以及光波的波长有关。
五、偏振现象偏振现象是光波在传播过程中，电场矢量在空间某一方向上振动的现象。
大学物理物理学波动光学PPT课件
一束光分解为振动面垂直的两束光。
S2
E
2、杨氏双缝干涉实验装置
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。
3、双缝干涉的光程差
两光波在P点的光程差为 = r2-r1
?人的眼睛不能区分自然光与偏振光用于鉴别光的偏振状态的器件称为检偏器2偏振片是一种人工膜片对不同方向的光振动有选择吸收的性能从而使膜片中有一个特殊的方向当一束自然光射到膜片上时与此方向垂直的光振动分量完全被吸收只让平行于该方向的光振动分量通过即只允许沿某一特定方向的光通过的光学器件叫做偏振片
绪言
一、光学的研究内容 二、光的两种学说
薄膜干涉属于分振幅法
1、等倾干涉：
实验装置
在空气（或真空）中放入上
下表面平行，厚度为 e 的均 匀介质 n
光a与光 b的光程差为：
n(AB BC) (AD / 2)
光a有半波损失。
a
iD
b
n
A r
C e
B
由折射定律和几何关系可得出：
sin i nsin
AD ACsin i AC 2e tan n AB BC e / cos 代入 n(AB BC) (AD / 2)
光的干涉和衍射现象表明了光的波动性， 而光的偏振现象则显示了光是横波。光波作为 一种电磁波也包含两种矢量的振动，即电矢量 E和磁矢量H，引起感光作用和生理作用的是其 中的电矢量E，所以通常把E矢量称为光矢量， 把E振动称为光振动。
§8－1 光波及其相干条件
一、光波
1．光波的概念：
大学物理波动光学知识点总结.doc
大学物理波动光学知识点总结.doc波动光学是物理学中的重要分支，涉及到光的反射、折射、干涉、衍射等现象。
作为大学物理中的一门必修课程，波动光学是大学物理知识体系重要的组成部分。
以下是相关的知识点总结：1. 光的波动性光可以被看作是一种电磁波。
根据电磁波的性质，光具有波动性，即能够表现出干涉、衍射等现象。
光的波长决定了其在物质中能否传播和被发现。
2. 光的反射光在与物体接触时会发生反射。
根据反射定律，发射角等于入射角。
反射给人们带来很多视觉上的感受和体验，如反光镜、镜子等。
当光从一种介质向另一种介质传播时，光的速度和方向都会发生改变，这个现象称为折射。
光在空气、玻璃、水等介质中的折射现象被广泛应用到光学、通信等领域中。
4. 光的干涉当两束光相遇时，它们会相互干涉，产生干涉条纹。
这是因为两束光的干涉条件不同，它们之间产生了相位差，导致干涉现象。
干涉可以分为光程干涉和振幅干涉。
光经过狭缝或小孔时，其波动性会导致光将会分散成多个波阵面。
这种现象称为衍射。
衍射可以改变光的方向和能量分布，被广泛应用于成像和光谱分析等领域。
6. 偏振偏振是光波沿着一个方向振动的现象，产生偏振的方式可以通过折射、反射、散射等途径实现。
光的偏振性质在光学通信、材料研究等领域有着广泛的应用。
总结波动光学是大学物理学知识体系不可或缺的一部分，它涉及到光的波动性、光的反射、折射、干涉、衍射等现象。
对于工程、光学、材料等领域的学生和研究者来说，深入了解波动光学的基本原理和理论，都有助于提高知识和技术水平。
大学物理波动光学1
若无半波损失时括号内的 / 2 不要加.
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第十五章
波动光学
15.3.2 等厚干涉
1.劈尖干涉
介质劈尖 n
I I1 I 2 2 I1 I 2 cos
0
I=2I1
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第十五章
波动光学
15.1.3 普通光源发光微观机制的特点
1. 光源
两大类光源：
普通光源 自发辐射 激光光源 受激辐射
2.普通光源按光的激发分为以下几种： 热光源：利用热能激发的光源 电致发光：由电能直接转换为光能 光致发光：由光激发引起的发光现象 化学发光：由化学反应引起的发光现象
u c
光矢量:E 矢量能引起人眼视觉 和底片感光.
r
介质中的光速
真空中的光速
u
1
c
r r
c n r u
c n n
'
c
1
u
0 0
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第十五章
波动光学
15.1.2 光的相干性 干涉现象是一切波动所 具有的共同现象. 干涉条件： 频率相同， 存在平行的光振动方向， 有恒定的相位差. 干涉定义： 满足相干条件的两列 或两列以上的波，它们 在空间的重叠区域内各 点相遇时，将发生干涉 现象.
d Δx1,4 0.2 10 3 7.5 10 3 m 5 10 7 m D k 4 k1 1 4 1
D 1 6 107 3 Δx m 3 10 m 3mm 3 d 0.2 10
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第十五章
波动光学
例15-2. 杨氏双缝的一个缝 解： 被折射率为1.40的薄玻璃所盖， 光线s1O的光程为： 另一缝被折射率为1.70的薄玻 r1 (n1 1)t 璃所盖，屏上原来中央极大 光线s2O的光程为： 处被原来的第五级亮纹所占 据。假定入射光的波长为λ＝ r2 (n2 1)t 480nm，两玻璃的厚度相同， 光程差为： 求玻璃片的厚度t。
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干涉条纹定量分析： （1）条纹(中心)的位置
（在 较小的情况下） 波程差：
s
s
d
1
s2
p
r1
r2
x
o
D
r2r1dsin dt gdD x
Δ 20 10 2π(r2r1) 现已有 20 - 10=0
亮纹: （相长干涉）
2kπ (k0,1,2, ) 或波程 r2差 r1k
即：
I = I1 + I2 —非相干叠加 (普通光源)
相干光源：
coscos(常 数 )
由 光 强 II1I2 2I1 I2c o s
干涉项
▲ 相长干涉（明）
2kπ， （k = 0,1,2…）
IIma Ix1I22I1I2
▲ 相消干涉（暗）
(2k1)π， (k = 0,1,2…)
IIm inI1I22I1I2
d x k
D
所以
x k D
d
(k =0，1，2…)
xkD
d
亮纹中心的位置和级次：
k 0, x0 0称0 级中央亮纹
k
1,
x1
D
d
称1级亮纹
k
2,
x2
2D
d
称
2级亮纹
可以看出: x 越大,波程差越大, 干涉条纹的级次也越大
暗纹：（相消干涉）
dx(2k1)(k1,2,3, )
D
2
暗纹中心的位置和级次：
独立（不同原子发的光） •
独立（同一原子先后发的光）
普通光源的发光机理：光是由光源中大量原子（或分子）从高能级状态跃迁到低能状态，对外辐射出来 的。
辐射的特点： （1）各个原子的发光是完全独立的, 互不相关它们何时发光完全是不确定的；发光频率，光的振动方向，光 波的初位相以及光波的传播方向等都可能不同。
S*
历史上几种获得相干光的方法：
薄膜
在 P 点处 相干叠加
§15.2 分波阵面干涉 一、杨氏双缝干涉
p
s1
s d o
r1
r2
x
o
s2
D
d >> ，D >> d （d 10 -4m， D m） 现象：一系列平行的明暗相间的条纹； 不太大时条纹等间距.
Thomas Young (1773-1829)
第三部分 光的偏振
15.10 偏振光 马吕斯定律 15.11 反射和折射时产生的偏振 布儒斯特定律
§15.1 光源 光的相干性
一、光是电磁波 电磁波的速度：
电容率
u 1
真空中的速度：
( 0r )
( 0r )
磁导率
u
1 0 0
1 8.854 1012 4
107
3108
m s
c
电磁波可以看成是平面波（横波）
若
时，叠加后的光强为：
I1 I2
I2I1 [1co s(2 1)]
即：
I
4I1
cos 2
2
2kπ， （k = 0,1,2…）
(2k1)π， (k = 0,1,2…)
Imax 4I1 最亮 I min 0 最暗
I 4I1
-4
-2
0
2
4
干涉图样
“当两列(或几列)满足一定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，在空间形成一幅稳定的光强分布图样”，称为光的干涉现象。
要产生干涉现象，在波的叠加区中任一定点都应满足相干条件。
光 的 干 涉 现 象 的 几 张 照 片
光干涉的条件： 光矢量应振动方向相同；
频率相同； 相位差恒定。
满足相干条件的光称为相干光
这生相干光的光源称为相干光源
普通光源获得相干光的途径:
P ➢分波面法：
S*
➢分振幅法：
（惠更斯原理） · P
（2）普通光源 每个原子发光是间隙式的，每次发光时间短且光波是一段有限长、振动方向和频率一定的 正弦波列。
普通光源 的不同原子发的光不可能 产生干涉现象
（2）激光光源
= (E2-E1) / h
------受激辐射跃迁。
•
E2
•
E1
完全一样的光子
（频率, 相位,振动方向,传播方向都相同）
可以实现光放大;单色性好;相干性好。
又 I1 E 1 2 0， I2 E 2 2 0
光I 强 I1 I2 2I1 I2c os
非相干光源：在时间 内，两光波相位差
(取0~2π各值)不恒定，即：
1 cosdt 0
0
cos0
则： E 0 2E 1 2 0 E 2 2 0 2 E 1 0 E 2 0c o s
E120 E220
r1 · 1
·
r2
2
E 2E 2c 0 o ts (2)
E20
E0
EE1E2
EE0cos(t)
2
1 E10
E 0 2E 1 2 0E 2 2 02E 1E 0 2c 0 os
其中： 21
I E 0 2 = 1 0 E 2 0 d t = 1 0 [E 1 2 0 E 2 2 0 2 E 1 0 E 2 0 c o s ] d t
E B 和 相互垂直，且与传播方向垂直。
相位地变化：
y
Hale Waihona Puke E同频率，同Eu H u
z
B
c
x
与物质作用的主要物理量是电矢量
通常称 为光矢量 E
按波长或频率的次序把这些电磁波排列成谱 ----称为电磁波谱
可见光的范围
4000埃~7600埃，只占
:40~076n0m很小的一段 :7.51104~4.31104Hz
第十五章 波 动 光 学
第一部分 光的干涉
15.1 光源 光的相干性 15.2 分波阵面干涉 15.3 光程和光程差光 15.4 分振幅干涉 15.5 迈克耳逊干涉仪
第二部分 光的衍射
15.6 光的衍射现象 惠更斯— 菲涅耳原理 15.7 单缝夫琅禾费衍射
15.8 圆孔衍射 光学仪器的分辨本领 15.9 衍射光栅和光栅光谱
x(2k1) D
2d
(k =1,2,…)
r1
P ·x
r2
d D
x 0
k1,
x1
D称1级
2d
暗
纹
k2,
x2
3D称2级
2d
暗
纹
(2) 条纹间距
例如:氦氖激光器; 红宝石激光器; 半导体激光器等等。
光源发出的光是大量简谐波叠加的光波. 单色光:具有单一波长的光; 复色光:由许多不同波长的光复合起来的光.
三、 光波的相干性
E光矢量， 两列光波的叠加（仅讨论振动方向相同的情况）
令 E 1 /E /2 ， 1 2
P点处：
P
·
E 1E 1c 0 ots (1)
二、 光源
光源的最基本发光单元是分子、原子。
能发光的物体称为光源
➢光源分类：普通光源、激光光源 ➢普通光源由发光特点分为： ➢热光源：太阳、白炽灯等； ➢非热光源：气体放电、荧光灯等。
普通光源：自发辐射
能级跃迁辐射 E2
= (E2-E1)/h E1
发光时间t 10-8s
波列 波列长 L = c