第3章 无处不在的波3：波动光学
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波动光学
波动光学摘要：本文介绍了波动光学的发展史，衍射现象及波动光学与几何光学的关系等。
关键词：摘要、引言、波动光学简介、波动光学发展史、波动光学衍射现象、波动光学与几何光学的关系。
黑龙江科技学院资源与环境工程学院化工09-1班姓名:李春山Summary: This article describes the history of wave optics, diffraction and wave optics and the relationship between geometrical optics, etc.Tags:Abstract, introduction, introduction to wave optics, history, fluctuation of optical diffraction wave optics, optical wave optics and geometry.Heilongjiang Science and Technology InstituteResources and Environment Engineering CollegeChemical Industry 09-1name: Li Chun Shan引言：波动光学首先是由C·惠更斯在1690年提出来的，是光学中非常重要的组成部分，内容包括光的干涉、光的衍射、光的偏振等，无论理论还是应用都在物理学中占有重要地位。
波动光学简介：光的波动学说首先是C·惠更斯在1690年提出来的。
他设想光的传播类似水波、声波。
光振动所达到的每一点都可以看作次波的中心。
次波的包络面为传播着的波阵面。
波阵面上每一点又产生新的次波，依次继续传播。
但这个原理只能说明光的折射和反射。
到1807年，T.杨用惠更斯原理做了双孔干涉实验，说明了光波的干涉。
到了1815年A.-J.菲涅耳补充了惠更斯原理，即各次波到达某一点的作用，要考虑到次波间的位相关系。
波动光学
光的干涉
光的衍射 光栅 光的偏振
r 2 r1 2k 1
k 0,1,2,3, 称为条纹级次。
幕上明暗条纹的位置。由图得
k
加强，即明纹条件。 消弱，即暗纹条件。
2
a r D x 2 a s r D x 2 a 2 2 s r 2 r1 2ax
2
近似考虑。令
r1 r 2 2D 2r2 r 1 D 2ax
00
2
得
Dd n 1 x a
例：在双缝实验中，波长为λ的平面波单色光垂直入射到双缝上 ，在幕上呈现明暗相间的干涉条纹，当使平面光斜入射到双缝 上时，发现幕上的原来的第5级明纹处被零级明纹占据，求光斜 入射时的入射角（用双缝间距a和波长λ 表示）。
第二节
由薄膜的彩色谈起
薄膜干涉
一 劈尖干涉（等厚干涉) 解释形成机理
单色光近似垂直入射
b
a
p
劈形薄膜
e
劈尖角
从劈尖的上下二表面上反射的二光 a b来自同一光，二者频 率相同，振动方向相同，在相遇点处有固定的位相差，故为相干 光。二光在劈尖的上表面附近相遇，形成干涉条纹。 沿着入射光的方向看去，看到明，暗相间的干涉直条纹在上表 面附近形成。
f a
中央明纹宽度
2f a
例 14—10 用波长为 632 .8nm 的单色平行光垂直入射于宽 度为 a 0.15mm 的单缝上，透镜焦距为 f 40cm ，求第三级暗 纹在屏幕上的位置。 解：考虑到各级的衍射角小，可用近似计算。 暗纹位置
明纹位置
相邻明纹（或相邻暗纹）的间距
r n rn
2 1 1
例 14—1 若双缝干涉实验在折射率为 n 1.33的水中进行， 讨论干涉条纹分布。 k 明 解：
光的衍射 光栅 光的偏振
r 2 r1 2k 1
k 0,1,2,3, 称为条纹级次。
幕上明暗条纹的位置。由图得
k
加强，即明纹条件。 消弱，即暗纹条件。
2
a r D x 2 a s r D x 2 a 2 2 s r 2 r1 2ax
2
近似考虑。令
r1 r 2 2D 2r2 r 1 D 2ax
00
2
得
Dd n 1 x a
例：在双缝实验中，波长为λ的平面波单色光垂直入射到双缝上 ，在幕上呈现明暗相间的干涉条纹，当使平面光斜入射到双缝 上时，发现幕上的原来的第5级明纹处被零级明纹占据，求光斜 入射时的入射角（用双缝间距a和波长λ 表示）。
第二节
由薄膜的彩色谈起
薄膜干涉
一 劈尖干涉（等厚干涉) 解释形成机理
单色光近似垂直入射
b
a
p
劈形薄膜
e
劈尖角
从劈尖的上下二表面上反射的二光 a b来自同一光，二者频 率相同，振动方向相同，在相遇点处有固定的位相差，故为相干 光。二光在劈尖的上表面附近相遇，形成干涉条纹。 沿着入射光的方向看去，看到明，暗相间的干涉直条纹在上表 面附近形成。
f a
中央明纹宽度
2f a
例 14—10 用波长为 632 .8nm 的单色平行光垂直入射于宽 度为 a 0.15mm 的单缝上，透镜焦距为 f 40cm ，求第三级暗 纹在屏幕上的位置。 解：考虑到各级的衍射角小，可用近似计算。 暗纹位置
明纹位置
相邻明纹（或相邻暗纹）的间距
r n rn
2 1 1
例 14—1 若双缝干涉实验在折射率为 n 1.33的水中进行， 讨论干涉条纹分布。 k 明 解：
chapter3波动学基础 (2)
光纤传输系统 EDFA
孤子源
调制
探测
隔离器 脉冲源 EDFA EDFA EDFA
光孤子通信系统构成方框图
光孤子源产生一系列脉冲宽度很窄的光脉冲，即光孤子流，
作为信息的载体进入光调制器，使信息对光孤子流进行调制。 被调制的光孤子流经掺铒光纤放大器和光隔离器后，进入光 纤进行传输。 为克服光纤损耗引起的光孤子减弱，在光纤线路上周期地插
光孤子的形成
在讨论光纤传输理论时，假设了光纤折射率n 和入射光强(光功率)无关，始终保持不变。 这种假设在低功率条件下是正确的，获得了 与实验良好一致的结果。 然而，在高功率条件下，折射率n随光强而变 化，这种特性称为非线性效应。
在强光作用下，光纤折射率n可以表示为 2 n n0 |E| n2
环光纤间接实验系统 (参看图7.37(b))，传输速率为2.4Gb/s，传
输距离达12000km；改进实验系统，传输速率为 10Gb/s，传输 距离达106km。
事实上，对于单信道光纤通信系统来说，光孤子通信系统的
性能并不比在零色散波长工作的常规(非光孤子)系统更好。 然而，零色散波长系统只能实现单信道传输，而光孤子系统 则可用于 WDM 系统，使传输速率大幅度增加，因而具有广 阔的应用前景。
包层包层输入光谱光强光发射输出光脉冲光强光输出光接收1213141516pskmnm30201010203011材料色散自由空间波长色度色散波导色散4210051005所有光源都是在一定波长范围内发射的非单色光当各种波长的光进入纤芯后由于波长与折射率有关所以在光纤波导中的光以不同的群速度在纤芯内传输波长短的波速度慢波长长的波速度快所以它们到达光纤末端的时间也不同导致输出脉冲展宽
波动光学
p O
§2.单缝衍射 单缝衍射 一.实验装置 二.衍射条纹 衍射条纹 明纹等间距
I
2.平行光会聚在 的焦平 平行光会聚在L的焦平 平行光会聚在 面上.平行于主光轴的光 面上 平行于主光轴的光 会聚在O点 平行于副光轴 会聚在 点,平行于副光轴 的光会聚于P点 的光会聚于 点. 3.各子波在 点光程相 各子波在O点光程相 各子波在 点为亮条纹(中 同,故O点为亮条纹 中 故 点为亮条纹 央明纹). 央明纹
a sinθ = 0
(3)暗纹条件 暗纹条件: 暗纹条件 a sinθ = ±kλ，k = 1,2,3… 明纹中心条件: 明纹中心条件 λ a sinθ = ±(2k′ +1) ， 2 k′ =1 2,3… , 中央明纹中心: 中央明纹中心
a sinθ = 0
注:上述暗纹和中央明纹 中心)位置是准确的， (中心)位置是准确的， 其余明纹中心的位置较 上稍有偏离. 上稍有偏离. (4)中央明纹的角宽度 两 中央明纹的角宽度(两 中央明纹的角宽度 旁第一暗纹对应的角度) 旁第一暗纹对应的角度
1 2 1′ ′ 2′ ′
半波带 半波带
θ
a B 半波带 半波带 A
1 2 1′ ′ 2′ ′
把光程差δ分为的半波长 把光程差 分为的半波长 λ/2倍数进行分析 倍数进行分析. 倍数进行分析 a a sinθ = λ 时，可将缝分 两个“半波带” 为两个“半波带”
λ/2
两个“ 半波带” 两个 “ 半波带 ” 上发的 光在 P处干涉相消形成暗 3 . 当 a sinθ = 2 λ 可将缝分成三个“ 时 ， 可将缝分成三个 “ 半波带” 半波带”
缝较大时， 缝较大时，光是直线传 播的
惠更斯——菲涅耳原理 二. 惠更斯 菲涅耳原理 表述: 表述 : 波传到的任何一点 都可看作发射子波的波源, 都可看作发射子波的波源, 从同一波阵面上各点发射 的子波在空间某点相遇而 的子波在空间某点相遇而 相干叠加, 相干叠加,决定该点波的光强 . n
《波动光学》ppt课件
物理意义
马吕斯定律是定量描述偏振光通过检偏器后透射光强与入射线 偏振光和检偏器透振方向夹角之间关系的定律，是波动光学中 的重要公式之一。
晶体中双折射现象解释
双折射现象
当一束光入射到各向异性的晶体时，会分成两束光沿不同方向折 射的现象。
产生原因
晶体内部原子排列的规律性使得晶体具有各向异性，导致不同方向 上折射率不同。
研究中的应用。
03
非线性波动光学应ห้องสมุดไป่ตู้领域
概述非线性波动光学在光通信、光计算、光信息处理等领域的应用前景。
量子波动光学发展动态
量子波动光学基本概念
阐述光的量子性质及其与波动光学的关系，包括光子、量子态、量子纠缠等。
量子波动光学研究方法
介绍量子光学实验技术、量子信息处理方法等在量子波动光学研究中的应用。
薄膜干涉实验操作
阐述薄膜干涉实验的基 本原理和实验方法，包 括等厚干涉和等倾干涉 的实现方式及条纹特征。
衍射实验数据处理方法分享
衍射实验基本概念
解释衍射现象的产生条件和基本原理，介绍衍射光栅、单 缝衍射等实验方法。
01
衍射光栅数据处理
分享衍射光栅实验的数据处理技巧，包 括光栅常数、波长等参数的测量方法和 误差分析。
03
复杂介质中波动光 学应用领域
概述复杂介质中波动光学在生物 医学成像、环境监测与治理、新 能源等领域的应用前景。
06
实验方法与技巧指 导
基本干涉实验操作规范介绍
干涉实验基本概念
阐述干涉现象的产生条 件和基本原理，解释相 干光波的概念及获得方 法。
双缝干涉实验操作
详细介绍双缝干涉实验 的实验装置、操作步骤 和注意事项，以及双缝 干涉条纹的特点和分析 方法。
马吕斯定律是定量描述偏振光通过检偏器后透射光强与入射线 偏振光和检偏器透振方向夹角之间关系的定律，是波动光学中 的重要公式之一。
晶体中双折射现象解释
双折射现象
当一束光入射到各向异性的晶体时，会分成两束光沿不同方向折 射的现象。
产生原因
晶体内部原子排列的规律性使得晶体具有各向异性，导致不同方向 上折射率不同。
研究中的应用。
03
非线性波动光学应ห้องสมุดไป่ตู้领域
概述非线性波动光学在光通信、光计算、光信息处理等领域的应用前景。
量子波动光学发展动态
量子波动光学基本概念
阐述光的量子性质及其与波动光学的关系，包括光子、量子态、量子纠缠等。
量子波动光学研究方法
介绍量子光学实验技术、量子信息处理方法等在量子波动光学研究中的应用。
薄膜干涉实验操作
阐述薄膜干涉实验的基 本原理和实验方法，包 括等厚干涉和等倾干涉 的实现方式及条纹特征。
衍射实验数据处理方法分享
衍射实验基本概念
解释衍射现象的产生条件和基本原理，介绍衍射光栅、单 缝衍射等实验方法。
01
衍射光栅数据处理
分享衍射光栅实验的数据处理技巧，包 括光栅常数、波长等参数的测量方法和 误差分析。
03
复杂介质中波动光 学应用领域
概述复杂介质中波动光学在生物 医学成像、环境监测与治理、新 能源等领域的应用前景。
06
实验方法与技巧指 导
基本干涉实验操作规范介绍
干涉实验基本概念
阐述干涉现象的产生条 件和基本原理，解释相 干光波的概念及获得方 法。
双缝干涉实验操作
详细介绍双缝干涉实验 的实验装置、操作步骤 和注意事项，以及双缝 干涉条纹的特点和分析 方法。
波 动 光 学
波动光学
三、 光的干涉
两个普通光源或者同一光源的不同部分发出的光 是不满足相干条件的.近代发展起来的激光光源是一种 受激辐射，光源中的各个原子或分子能发出振动方向 相同，频率相同，初相位一致的光波列，使得来自两 个独立的激光光源或同一激光光源上不同部分的光有 可能相干.按照波的叠加原理，当两列波在空间相遇时 发生干涉现象需满足振动频率相同，振动方向相同,相 位相同或相位差恒定.
一、 光波 1. 光波的概念
波动光学
光波是电磁波的一部分，仅占电磁波谱很小的一部分，它与无线 电波、X射线等其他电磁波的区别只是频率不同，能够引起人眼视觉 的那部分电磁波称为可见光.
光源发出的频率为1022～1026Hz的电磁波泛称为光.光包括红外 光、可见光和紫外光三部分.可见光的频率为3.9×1014~7.5×1014Hz. 在可见光范围内，不同频率的光将引起不同的颜色感觉，下表为各光 色与频率（或真空中波长）的对照，光在波长从小到大过程中呈现出 由紫到红等各种颜色.
波动光学
二、 光源
波动光学
大量原子受外来激励会处于激发状态.处于激发状态的原子是不稳定 的，它要自发地向低能级状态跃迁，并同时向外辐射电磁波. 由于原子发 光的无规则性，同一个原子先后发出的波列之间及不同原子发出的波列 之间都没有固定的相位关系，且振动方向和频率也不尽相同，这就决定 了两个独立的普通光源发出的光不是相干光，因而不能产生干涉现象， 如图13- 1（a）所示.图13- 1（b）所示为波列的叠加，两个独立光源中 原子1和原子2各自发出一系列的波列，当它们到达P点时，因为不符合相 干条件，所以不会产生干涉.故两个独立的光源不能构成相干光源，不仅 如此，即使是同一个光源上不同部分发出的光，也不会产生干涉.
第3章12波动光学基础
射功率的关系。一个信号的波长或频 率构成，称为其频谱。
对于图中的LED，其发散中心波长 是820nm（0.82μm），线宽通常定义 为半功率点的宽度。图中线宽 Δλ=30nm（805nm~835nm），带宽比 为30/820=0.037，即3.7%。
图3.3 LED的光谱
10
§3.2 色散、脉冲畸变和信息速率
10 L
lg
Pout
/ Pin 10lgPout
/ Pin L
8
§3.2 色散、脉冲畸变和信息速率
▪ 实际的光源在一个特定的波长范围内发光。这个范围称为光源
的线宽，或者谱宽。
光源的线宽越窄，其相干性就越好。
理想的相干光源发射单波长的光，其线宽为0，是理想单色 的。表3.1给出了常用光源的典型线宽值。
速度也随波长变化，我们将速度随波长变化的这 种特性称为色散。
材料色散：如果速度的变化是由材料的某些性 质引起的，则称之为材料色散。 波导色散：对于光纤和其他波导，色散也可能 由自身的结构引起，这种情形称为波导色散。
12
§3.2 色散、脉冲畸变和信息速率
——3.2.1 材料色散和脉冲畸变
▪ 脉冲传输得越远，其
如 图 3.6(b) ， 图 中 曲 线 的 斜 率 在 λ0 处为0。
图3.6(c)是折射率对波长的二阶导
函数曲线。对纯SiO2，拐点在1.3μm 图3.6 石英玻璃的折射率
附近。
与波长的关系曲线
§3.2 色散、脉冲畸变和信息速率
——3.2.1 材料色散和脉冲畸变
▪ 定量分析石英玻璃中色散导致的信号畸变。 ▪ 假设τ是脉冲传输距离L所需时间，图3.7给出了单位距离
图3.6（c）
22
/ L n'' M n''
对于图中的LED，其发散中心波长 是820nm（0.82μm），线宽通常定义 为半功率点的宽度。图中线宽 Δλ=30nm（805nm~835nm），带宽比 为30/820=0.037，即3.7%。
图3.3 LED的光谱
10
§3.2 色散、脉冲畸变和信息速率
10 L
lg
Pout
/ Pin 10lgPout
/ Pin L
8
§3.2 色散、脉冲畸变和信息速率
▪ 实际的光源在一个特定的波长范围内发光。这个范围称为光源
的线宽，或者谱宽。
光源的线宽越窄，其相干性就越好。
理想的相干光源发射单波长的光，其线宽为0，是理想单色 的。表3.1给出了常用光源的典型线宽值。
速度也随波长变化，我们将速度随波长变化的这 种特性称为色散。
材料色散：如果速度的变化是由材料的某些性 质引起的，则称之为材料色散。 波导色散：对于光纤和其他波导，色散也可能 由自身的结构引起，这种情形称为波导色散。
12
§3.2 色散、脉冲畸变和信息速率
——3.2.1 材料色散和脉冲畸变
▪ 脉冲传输得越远，其
如 图 3.6(b) ， 图 中 曲 线 的 斜 率 在 λ0 处为0。
图3.6(c)是折射率对波长的二阶导
函数曲线。对纯SiO2，拐点在1.3μm 图3.6 石英玻璃的折射率
附近。
与波长的关系曲线
§3.2 色散、脉冲畸变和信息速率
——3.2.1 材料色散和脉冲畸变
▪ 定量分析石英玻璃中色散导致的信号畸变。 ▪ 假设τ是脉冲传输距离L所需时间，图3.7给出了单位距离
图3.6（c）
22
/ L n'' M n''
光学教程 第三章
P'
− s'
o
PO = − s PA = l
P' O = − s' AP' = l '
ϕ：半径AC与主轴的夹角
光程PAP′ 为：
∆ PAP ' = nl + nl '
Q cos ϕ = − cos(π − ϕ )
PC = (− s ) − (−r ) = r − s
CP ' = (−r ) − (− s ' ) = s '− r
1. 单心（同心）光束：凡是具有单个顶点的光束
S 发散的同心光束
S 会聚的同心光束 光束的心在无穷远
二. 物和像
1. 物点： 入射到光学系统的单心光束的顶点（P） (1) 实物点：发散的入射单心光束的顶点（P）-----实物 (2) 虚物点：会聚的入射单心光束的顶点（P）-----虚物 2. 像点： 经光学系统出射后又汇聚的单心光束 的顶点（P′） (1) 实像点：会聚的出射单心光束的顶点（ P′ ）-----实像 (2) 虚像点：发散的出射单心光束的顶点（ P′ ）-----虚物
2. 球面的顶点、主轴、主截面
P
Ｃ
o
P'
球面的顶点：一部分球面的中心为O 主轴：连接顶点和曲率中心的直线CO 主截面：通过主轴的平面
3. 符号法则（新迪卡尔符号法则）
（１）线段的长度
纵向线段 以球面顶点O为原点，顶点右为正；左为负 横向线段 以光轴为起点，向上为正，向下为负
（2） 角度 以光轴或法线为始边，沿小于π 的方向旋 转，顺时针为正，逆时针为负．
i
P
−u
Ｃ
o
−s
P'
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短波（1~100m），短波广播能远距离传送，因为 在地面50千米上空有一电离层。 长短距离的通信、 广播
微波（1~10－4m），又称米波，由于频率高，所以 通信容量大，可以传输大容量的电视（TV）信号。 微波导航 ，广播、导航
二、无线电波的传播
电离层60～20000km
空间波 接收天线 天波
发
射
天 线
调制 调频：使载波的频率随调制信号而改变
c、发射 调幅波 调频玻
2、接收 a、无线电波是变化的电磁场，其变化的电磁
场使天线中产生同 的感应电流
b、检波器检波或解调器将此信号从感应电流中 分离出来 c、将信号还原
d、选台：将所需的 成分从感应电流中选出来
看书：P92～100
n2 n1 “1”为光疏媒质 “2”为光密媒质
2、全反射：当光从光密媒质射向光疏媒质，且 入射角大于临界角时，光线被100%反射的现象
“1”
r “2”
sin i n2
sin n1
3、临界角：c
arcsin(
n1 n2
)
(n1 n2 )
4、 光纤导光原理：全反射
光纤结构示意图： 纤芯：5~75μm掺杂了的SiO2，n一定或随半 径增加而减小 包层: 总直径为100~200μm,折射率稍小于纤 芯的掺杂了的SiO2 涂敷层：硅铜或丙烯酸盐，隔离杂光 护套：尼龙或有机材料，增加强度，保护光纤
n2 n1
n21
n2 n1,i n2 n1,i
为什么有的物质亮晶晶？有的物质黯淡无光
4、反射率R:
R
( n21
1 )
2
( n2
n1 )2
n21 1
n2 n1
折射率:（1－R）
对透明物质，4% 的光被反射，96% 折射
n空＝1；n水＝1.33；n玻＝1.52；n金刚石＝2.4
四、全反射 1、光疏媒质和光密媒质
光的直线传播定律 几何光学 光的独立传播定律
光的折射和反射定律
光学
光的干涉
物理光
学波动光
学光的衍射 光的偏振
近代光学（20世
量子光学
激光全息光学
纪60年代激光问世之后）
傅立叶光学 非线性光学
§3-4 光的反射、折射和全反射
一、惠更斯原理
媒质中波动传到的各点，都可 以看作是发射子波的波源，而 在其后的任意时刻，这些子波 的包络面就是新的波面。(适用 于机械波和电磁波)
1、基本原理
光的波动信息：
既能记录光波振幅的信息，又能记录光波的位相信 息。这种记录光波全部信息的照相称为：全息照相。
P
将一束相干光（激光）垂直
地照射在两条平行狭缝S1和S2 上，通过S1和S2发出的两束光 在屏幕P上叠加成干涉条纹。
S1 S1
如果把狭缝S2看作物体，S1作 为参考光源，则屏幕P上的干
0
cos i0 sin 0
i0 0 90o
偏振光的应用 1）防止对面来的灯光耀眼
2）放立体电影 原理：利用人眼的双眼效应
§3-6 无线电波、广播和电视
一、无线电波：波长最长的电磁波
:104 m ~ 105 m
例:广播电台：
中波（535—1605 kHz），短波（2—24 MHz）； 调频广播（88——108 MHz） 亚太地区卫星广播（11.7-12.2kMHz）； 电视、雷达、无线电导航、卫星通讯等： 微波段： 几千兆赫）。
地球
接 收 天 线
1、地波传播：中长波 2、天波传播：短波 3、空间波：微波与超短波
三、无线电广播、电视、传真
广播：声音信号
1、发射
传真：文字和图象 电视：图象、声音
a、将目标信号转变为电信号（调制波：频率低）
b、将此电信号加到高频等幅振荡的电流上（载波）
此过程称之为调制 调幅：使载波的振幅随调制信号改变
惠更斯原理的缺陷：能定性给出波的传播方向 和干涉、折射、衍射的解释，但不能定量地解 释，不能解释为什么没有后退波，也不能给出 传播的能量。
二、反射定律
反射定律：波在媒质介面
上传播时，入射角等
于反射角，入射线反射线
及介面的法线均在同 一平面内。
界面 i i' i i'
反射定律
三、两媒质界面上光的折射
长 波 （ 10~1Km ） （ 30~300KHz ） ， 是 人 类 最 早 使 用的通信波段，可谓老资格的信息载体，它已为 人类服务了近100年，近年来，由于其他波段的 通信方法日益成熟，长波通信逐渐被淘汰，现在 保留的主要用于导航、报时。
中波（100~1000m）是人们熟悉的波段，是大众媒 介的信息渠道，国际电信联盟规定526.5~1605.2 千赫专供无线电广播用，平时我们就在这个波段 收听广播。
1.22
D
D
0
爱
S
里
斑
d
D
0 0
d
2）瑞利判据 一个发光物点的爱里斑中心恰好与另一发光物 点的第一个暗纹重合时，这两个发光物点刚好 能被分辨。
0.8I0
3）最小分辨角： min
1.22 D
光学仪器的通光孔径 D
S1 S2
min
0
d2 f
1.22
D
0
d/2
0
d2 f
1.22
D
两物点对透镜光心的张角 min 能分辨。
§3-6 无线电波、广播和电视
一、无线电波：波长最长的电磁波
:104 m ~ 105 m
例:广播电台：
中波（535—1605 kHz），短波（2—24 MHz）； 调频广播（88——108 MHz） 亚太地区卫星广播（11.7-12.2kMHz）； 电视、雷达、无线电导航、卫星通讯等： 微波段： 几千兆赫）。
1
2
K=0,1,2… （减弱，相消）
5、相干光的获得方法 “一分为二” 法1）分波阵面法 2)分振幅法
P
So
S1
S2
分割波面法
分割振幅法
相干光源来源于同 一波面
相干光源来源于同 一光线（振幅）
三 杨氏双缝干涉实验
p
实 验 装 置
s
s1
d o
s2
r1
r
r2
B
x
o
D
D d
波程差
sin tan x D
r r2 r1 d sin
d
x D
实 验 装
r1
r
D
k
p
B
r2
x
o
加强
r d x D
k
(2k 1)
2
加强 减弱
k 0,1,2,
＝ 2
r
2
xd D
k D
x
d D (2k 1)
d
2
明纹
k 0,1,2,
暗纹
四、薄膜干涉及其应用
地面彩色油膜
S2 S2
涉条纹就是物体S2的全息图。
为了得到的再现像S2，只须仍用参考光束S1去照明 上述的全息照片P（即光栅版）。
P
S1
S2
S'2
2、全息照片的摄制与再现装置
摄制过程：
激光束 激光束
参考光束
反射镜
全息照片
物光束
物象再现过程：
激光束
虚象
全息照片
实象
激光器L
分光镜L’
反射镜M2
透镜L1
透镜L2
3）惠更斯－菲涅耳原理
2、衍射光栅 a、光栅：由大量的等宽等间距的平行狭 缝所组成的光学器件 b、光栅工作原理：单缝衍射基础上的多缝干涉 c、光栅衍射的特点：细、亮、疏
d、衍射公式 (a b)sin k
e、应用： 1）光栅光谱仪
2）x射线衍射
3、光学仪器的分辨本领
1）爱里斑的半角宽度 0
微波 104 m ~ 1m 短波 1m ~ 102 m 中波 102 m ~ 103 m 长波 103 m ~ 105 m
不同的波段对应不同的传播方式和应用领域
长波：
超长波（100~10Km）（3~30KHz）用于水下通信， 因为试验表明，无线电波在海水中的衰减是很大 的，而且波长越短（频率越高）衰减就越大。所 以海底通信用超长波。核爆炸时会产生超长波， 所以用超长波无线电能够测出在何处进行了核爆 炸试验。
透射光的光强
E//
E0
E
I E/2/ E02 cos2 I0 cos2
0o I I0 90o I 0
5、布儒斯特定律
tgi0
n2 n1
反射光为完全偏振光
i0 布儒斯特角
n1 i0 i0
tgi0
sin i0 cos i0
n2 n1
sin i0 n2
sin 0 n1
n2
接近垂直入射或掠入射的情况（作图时进行了 夸张）
l
ek
ek 1
4、 应用：测波长，测薄膜厚度，检验光学玻璃 的平整度，增透增反等
举例： 1）检查平面与直角：
被检体
被检体
被检体
被检体
标
被检体
准
角
规
标
被检体
准
角
规
2）测量微小厚度和微小厚度变化
l
L
3）增透增反膜
纸 d
五、光的衍射和分辨本领 “室内讲话，墙外有耳”
§3.5 光的干涉、衍射和偏振 一、光的干涉
1、光矢量
2、 光的相干条件：同频率、同振动方向、相位 差恒定
3、光程与光程差
1) 光程: 媒质折射率与光的几何路程之积 = nr
物理意义：光程就是光在媒质中通过的几何 路程 , 按波数相等折合到真空中的路程.
微波（1~10－4m），又称米波，由于频率高，所以 通信容量大，可以传输大容量的电视（TV）信号。 微波导航 ，广播、导航
二、无线电波的传播
电离层60～20000km
空间波 接收天线 天波
发
射
天 线
调制 调频：使载波的频率随调制信号而改变
c、发射 调幅波 调频玻
2、接收 a、无线电波是变化的电磁场，其变化的电磁
场使天线中产生同 的感应电流
b、检波器检波或解调器将此信号从感应电流中 分离出来 c、将信号还原
d、选台：将所需的 成分从感应电流中选出来
看书：P92～100
n2 n1 “1”为光疏媒质 “2”为光密媒质
2、全反射：当光从光密媒质射向光疏媒质，且 入射角大于临界角时，光线被100%反射的现象
“1”
r “2”
sin i n2
sin n1
3、临界角：c
arcsin(
n1 n2
)
(n1 n2 )
4、 光纤导光原理：全反射
光纤结构示意图： 纤芯：5~75μm掺杂了的SiO2，n一定或随半 径增加而减小 包层: 总直径为100~200μm,折射率稍小于纤 芯的掺杂了的SiO2 涂敷层：硅铜或丙烯酸盐，隔离杂光 护套：尼龙或有机材料，增加强度，保护光纤
n2 n1
n21
n2 n1,i n2 n1,i
为什么有的物质亮晶晶？有的物质黯淡无光
4、反射率R:
R
( n21
1 )
2
( n2
n1 )2
n21 1
n2 n1
折射率:（1－R）
对透明物质，4% 的光被反射，96% 折射
n空＝1；n水＝1.33；n玻＝1.52；n金刚石＝2.4
四、全反射 1、光疏媒质和光密媒质
光的直线传播定律 几何光学 光的独立传播定律
光的折射和反射定律
光学
光的干涉
物理光
学波动光
学光的衍射 光的偏振
近代光学（20世
量子光学
激光全息光学
纪60年代激光问世之后）
傅立叶光学 非线性光学
§3-4 光的反射、折射和全反射
一、惠更斯原理
媒质中波动传到的各点，都可 以看作是发射子波的波源，而 在其后的任意时刻，这些子波 的包络面就是新的波面。(适用 于机械波和电磁波)
1、基本原理
光的波动信息：
既能记录光波振幅的信息，又能记录光波的位相信 息。这种记录光波全部信息的照相称为：全息照相。
P
将一束相干光（激光）垂直
地照射在两条平行狭缝S1和S2 上，通过S1和S2发出的两束光 在屏幕P上叠加成干涉条纹。
S1 S1
如果把狭缝S2看作物体，S1作 为参考光源，则屏幕P上的干
0
cos i0 sin 0
i0 0 90o
偏振光的应用 1）防止对面来的灯光耀眼
2）放立体电影 原理：利用人眼的双眼效应
§3-6 无线电波、广播和电视
一、无线电波：波长最长的电磁波
:104 m ~ 105 m
例:广播电台：
中波（535—1605 kHz），短波（2—24 MHz）； 调频广播（88——108 MHz） 亚太地区卫星广播（11.7-12.2kMHz）； 电视、雷达、无线电导航、卫星通讯等： 微波段： 几千兆赫）。
地球
接 收 天 线
1、地波传播：中长波 2、天波传播：短波 3、空间波：微波与超短波
三、无线电广播、电视、传真
广播：声音信号
1、发射
传真：文字和图象 电视：图象、声音
a、将目标信号转变为电信号（调制波：频率低）
b、将此电信号加到高频等幅振荡的电流上（载波）
此过程称之为调制 调幅：使载波的振幅随调制信号改变
惠更斯原理的缺陷：能定性给出波的传播方向 和干涉、折射、衍射的解释，但不能定量地解 释，不能解释为什么没有后退波，也不能给出 传播的能量。
二、反射定律
反射定律：波在媒质介面
上传播时，入射角等
于反射角，入射线反射线
及介面的法线均在同 一平面内。
界面 i i' i i'
反射定律
三、两媒质界面上光的折射
长 波 （ 10~1Km ） （ 30~300KHz ） ， 是 人 类 最 早 使 用的通信波段，可谓老资格的信息载体，它已为 人类服务了近100年，近年来，由于其他波段的 通信方法日益成熟，长波通信逐渐被淘汰，现在 保留的主要用于导航、报时。
中波（100~1000m）是人们熟悉的波段，是大众媒 介的信息渠道，国际电信联盟规定526.5~1605.2 千赫专供无线电广播用，平时我们就在这个波段 收听广播。
1.22
D
D
0
爱
S
里
斑
d
D
0 0
d
2）瑞利判据 一个发光物点的爱里斑中心恰好与另一发光物 点的第一个暗纹重合时，这两个发光物点刚好 能被分辨。
0.8I0
3）最小分辨角： min
1.22 D
光学仪器的通光孔径 D
S1 S2
min
0
d2 f
1.22
D
0
d/2
0
d2 f
1.22
D
两物点对透镜光心的张角 min 能分辨。
§3-6 无线电波、广播和电视
一、无线电波：波长最长的电磁波
:104 m ~ 105 m
例:广播电台：
中波（535—1605 kHz），短波（2—24 MHz）； 调频广播（88——108 MHz） 亚太地区卫星广播（11.7-12.2kMHz）； 电视、雷达、无线电导航、卫星通讯等： 微波段： 几千兆赫）。
1
2
K=0,1,2… （减弱，相消）
5、相干光的获得方法 “一分为二” 法1）分波阵面法 2)分振幅法
P
So
S1
S2
分割波面法
分割振幅法
相干光源来源于同 一波面
相干光源来源于同 一光线（振幅）
三 杨氏双缝干涉实验
p
实 验 装 置
s
s1
d o
s2
r1
r
r2
B
x
o
D
D d
波程差
sin tan x D
r r2 r1 d sin
d
x D
实 验 装
r1
r
D
k
p
B
r2
x
o
加强
r d x D
k
(2k 1)
2
加强 减弱
k 0,1,2,
＝ 2
r
2
xd D
k D
x
d D (2k 1)
d
2
明纹
k 0,1,2,
暗纹
四、薄膜干涉及其应用
地面彩色油膜
S2 S2
涉条纹就是物体S2的全息图。
为了得到的再现像S2，只须仍用参考光束S1去照明 上述的全息照片P（即光栅版）。
P
S1
S2
S'2
2、全息照片的摄制与再现装置
摄制过程：
激光束 激光束
参考光束
反射镜
全息照片
物光束
物象再现过程：
激光束
虚象
全息照片
实象
激光器L
分光镜L’
反射镜M2
透镜L1
透镜L2
3）惠更斯－菲涅耳原理
2、衍射光栅 a、光栅：由大量的等宽等间距的平行狭 缝所组成的光学器件 b、光栅工作原理：单缝衍射基础上的多缝干涉 c、光栅衍射的特点：细、亮、疏
d、衍射公式 (a b)sin k
e、应用： 1）光栅光谱仪
2）x射线衍射
3、光学仪器的分辨本领
1）爱里斑的半角宽度 0
微波 104 m ~ 1m 短波 1m ~ 102 m 中波 102 m ~ 103 m 长波 103 m ~ 105 m
不同的波段对应不同的传播方式和应用领域
长波：
超长波（100~10Km）（3~30KHz）用于水下通信， 因为试验表明，无线电波在海水中的衰减是很大 的，而且波长越短（频率越高）衰减就越大。所 以海底通信用超长波。核爆炸时会产生超长波， 所以用超长波无线电能够测出在何处进行了核爆 炸试验。
透射光的光强
E//
E0
E
I E/2/ E02 cos2 I0 cos2
0o I I0 90o I 0
5、布儒斯特定律
tgi0
n2 n1
反射光为完全偏振光
i0 布儒斯特角
n1 i0 i0
tgi0
sin i0 cos i0
n2 n1
sin i0 n2
sin 0 n1
n2
接近垂直入射或掠入射的情况（作图时进行了 夸张）
l
ek
ek 1
4、 应用：测波长，测薄膜厚度，检验光学玻璃 的平整度，增透增反等
举例： 1）检查平面与直角：
被检体
被检体
被检体
被检体
标
被检体
准
角
规
标
被检体
准
角
规
2）测量微小厚度和微小厚度变化
l
L
3）增透增反膜
纸 d
五、光的衍射和分辨本领 “室内讲话，墙外有耳”
§3.5 光的干涉、衍射和偏振 一、光的干涉
1、光矢量
2、 光的相干条件：同频率、同振动方向、相位 差恒定
3、光程与光程差
1) 光程: 媒质折射率与光的几何路程之积 = nr
物理意义：光程就是光在媒质中通过的几何 路程 , 按波数相等折合到真空中的路程.