第9章-1-波动光学-干涉剖析
大学物理之波动光学讲解
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未来发展趋势预测
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拓扑光子学
拓扑光子学是研究光在具有拓扑特性的材料中传播行为的 新兴领域。拓扑保护的光子态具有鲁棒性和缺陷免疫性， 为设计高性能、高稳定性的光学器件和系统提供了新的思 路和方法。
量子光学与量子信息
随着量子技术的不断发展，量子光学与量子信息已成为当 前研究的热点领域。利用光的量子特性，可以实现量子计 算、量子通信和量子精密测量等前沿应用。
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干涉现象与原理
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双缝干涉实验及结果分析
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实验装置与步骤
结果分析
干涉条件
使用激光作为光源，通过双缝装置，在屏 幕上观察到明暗相间的干涉条纹。
双缝干涉实验结果表明光具有波动性，明 暗相间的干涉条纹是光波叠加的结果。
当两束光波的频率相同、振动方向相同、 相位差恒定时，它们叠加后会产生干涉现 象。
超材料
超材料是一种具有特殊物理性质 的人工复合材料，其性质往往超 越自然材料的限制。在波动光学 领域，超材料可用于实现负折射 率、完美透镜、隐身斗篷等奇特 现象和应用。
表面等离激元
表面等离激元是一种存在于金属 和介质界面上的电磁模式，具有 亚波长尺度的场局域和增强效应 。表面等离激元在纳米光子学、 生物光子学和光电子学等领域具 有广泛的应用前景。
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薄膜干涉及其应用实例
薄膜干涉原理
当光照射在薄膜上时，薄膜的前后两 个表面都会反射光，这两束反射光叠 加后会产生干涉现象。
应用实例
肥皂泡、水面上的油膜等都可以观察 到薄膜干涉现象。此外，在光学仪器 中，也常常利用薄膜干涉来增强或减 弱光的反射或透射。
波动光学基础
波动光学基础波动光学是光学中的一个重要分支，研究光传播过程中的波动现象。
本文将介绍波动光学的基础知识，包括光的干涉、衍射和偏振等方面。
一、光的干涉现象干涉是指两个或多个波源发出的波相互叠加和相互作用的现象。
光的干涉现象在日常生活和科学研究中都有广泛应用。
干涉分为构成干涉的要素和干涉的种类两部分。
1. 构成干涉的要素光的干涉所需的要素包括两个或多个波源和一个探测屏。
波源是产生波的物体，可以是点光源、扩展光源或多个波源。
探测屏接收波传播到达的位置和方向，用于观察干涉现象。
2. 干涉的种类光的干涉可分为构成干涉图样的特定点处的干涉和整个波面上的连续干涉。
根据光程差的大小，干涉可以分为相干干涉和非相干干涉。
干涉还可以分为近似干涉和严格干涉。
二、光的衍射现象衍射是指波通过障碍物、缝隙或物体边缘时发生偏离直线传播方向的现象。
光的衍射现象是波动光学的重要内容，其理论和实验都具有重要意义。
1. 衍射的特点光的衍射具有波动性特征，表现为波通过障碍物、缝隙或物体边缘后的弯曲、弯曲程度与波长有关、衍射图案的产生等。
2. 衍射的条件光的衍射需要满足一定的条件。
具体来说，波长要适合障碍物大小、波传播到达障碍物的位置要符合一定的角度条件等。
三、光的偏振现象偏振是指光波中振动方向在特定平面上进行的现象。
偏振光在实际应用中有广泛的用途，例如偏振片、太阳眼镜等。
1. 偏振的方式光的偏振有线偏振、圆偏振和椭圆偏振三种形式。
线偏振是指光波中的振动方向在固定的平面上振动；圆偏振是指光波中的振动方向像旋转矢量一样随时间旋转；椭圆偏振是指光波的振动方向沿椭圆轨迹运动。
2. 获得偏振光的方法获得偏振光主要有自然光通过偏振片、波片或通过偏振装置产生的方法。
总结：本文介绍了波动光学基础知识，包括光的干涉、衍射和偏振。
干涉是指波的相互叠加和相互作用的现象，衍射是指波通过障碍物或物体边缘后的弯曲现象，偏振是指光波中振动方向在特定平面上进行的现象。
通过学习波动光学的基础知识，我们可以更好地理解光的本质和特性，为实际应用中的光学问题提供解决思路。
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。
大学物理中的波动光学光的干涉和衍射现象
大学物理中的波动光学光的干涉和衍射现象大学物理中的波动光学：光的干涉和衍射现象波动光学是物理学中的一个重要分支，主要研究光的传播与相互作用的波动性质。
在这个领域中，光的干涉和衍射现象是两个关键概念。
本文将以大学物理的角度，对波动光学中的干涉和衍射进行探讨。
1. 干涉现象干涉是指两个或多个光波相遇时所产生的明暗相间的干涉条纹现象。
它的基本原理是光波的叠加效应。
当两束光波相遇时，会发生干涉现象。
根据相位差的不同，干涉可分为相干干涉和非相干干涉两种。
1.1 相干干涉相干干涉指的是两束或多束光波的相位和振幅有固定的关系，使得它们在相遇的区域内能够产生稳定而有规律的干涉图样。
在相干干涉中，常见的一种情况是等厚干涉。
比如，当光线通过一个厚度均匀的平行光学板时，会因光速在介质中的改变而引起相位差，从而产生干涉现象。
1.2 非相干干涉非相干干涉指的是两束或多束光波的相位关系不稳定，在相遇的位置不会产生规律可辨的干涉图样。
光源的宽度、时间相干性以及光的偏振状态等因素都会影响非相干干涉。
2. 衍射现象衍射是指当光通过具有一定尺寸障碍物的缝孔或物体边缘时，光的传播方向发生偏离并产生干涉条纹的现象。
衍射实验是研究光的波动性质的重要手段之一。
著名的夫琅禾费衍射实验就是其中之一。
夫琅禾费衍射实验中，光通过狭缝后发生衍射，产生干涉条纹。
2.1 夫琅禾费衍射夫琅禾费衍射是狭缝衍射的一种特殊情况，在物理学中具有重要的研究价值。
当一束平行光波通过一个非常窄的缝隙时，光会弯曲和发散，产生强弱交替的干涉条纹。
这里的交替现象是因为光的波动性质叠加所致。
夫琅禾费衍射给我们提供了研究光的波动特性的重要线索，对于理解光的传播和干涉现象有着重要的意义。
2.2 衍射光栅衍射不仅限于狭缝，还可以通过光栅来实现。
光栅是一种由有规则的孔或条带构成的光学元件，可以用于衍射实验。
由于光栅具有多个凹槽（或条带），光通过光栅后会发生衍射，产生出多个明暗相间的衍射条纹。
物理学中的波动和光的干涉和衍射
物理学中的波动和光的干涉和衍射在自然界中，我们所见、所感知的一切都是波动的形式。
无论是声音、光线还是电磁波，它们都表现出明显的波动现象。
而当这些波与其他波相遇时，它们就会发生干涉和衍射现象。
这些现象是物理学中非常重要的概念，对于我们理解光学和电磁学有着重要的作用。
一、波动和光的干涉波动学中的干涉现象是指两个或两个以上波的叠加效应。
当两个波的相位相同时，它们会相互加强，这称为构造性干涉；当相位相反时，它们会相互抵消，这称为破坏性干涉。
在光学中，干涉现象可以通过光路差实现。
光路差是指两束光从源到目标处的传播距离的差别。
当两个光路的差值为波长的整数倍时，会发生构造性干涉，光线会加强；当差值为半波长的奇数倍时，会发生破坏性干涉，光线会相互抵消。
例如，当两束光线相遇时，它们会在交汇处形成一组明暗相间的干涉条纹。
这一现象通常称为杨氏双缝实验，这是一类典型的干涉现象。
在这个实验中，光源通过一个狭缝进入屏幕。
屏幕上有两个小孔，使通过每个小孔的光线相互干涉。
当观察屏幕时，可以看到一组明暗相间的环形干涉条纹。
除了双缝干涉，还有Michaelson干涉、牛顿环和Fabry Perot干涉等其他类型的干涉现象。
这些干涉现象广泛应用于实验室的光学测量和现代光学技术的发展。
二、衍射现象衍射是指当波通过小孔或障碍物时，波与边缘相互作用，产生波的扩散和弯曲现象。
光的衍射一般使用光的波动特性来解释。
当光通过较小的孔时，光的波形会扩散。
这会导致光的强度在屏幕上呈现出一系列彩色环形的图案。
作为一种典型的衍射现象，菲涅尔正衍射是一种中心光点周围产生光环的现象，这是由于圆孔光线在传播过程中扩散的结果。
与干涉现象不同，衍射现象通常不需要光的多个源进行相位干涉或添加，而是通过单个波源的衍射产生的。
衍射现象在日常生活中也有许多应用。
例如，CD、DVD的读取就是基于衍射原理的。
毫无疑问，波动性质在光学和电磁学中发挥着非常重要的作用，它们不仅有助于我们建立光学和电磁学的数学模型，同时也为我们的生活带来了无数的便利和乐趣。
波动光学实验：马赫-曾德干涉
波动光学实验：马赫-曾德干涉
简介
波动光学实验是光学领域的重要实验之一，其中马赫-曾德干涉是一种经典的干涉实验。
该实验利用干涉现象来研究光的波动特性，揭示光的波动性质和干涉现象的精密性。
历史
马赫-曾德干涉是19世纪德国物理学家阿尔贝特·阿布拉姆施和德意志实验研究师路德维希·玛迪暗的一系列干涉实验得名。
在这些实验中，他们展示了光的波动特性并研究了光的相互干涉。
实验原理
马赫-曾德干涉实验利用一束单色平行光通过干涉仪（通常是双缝干涉仪）进行干涉。
通过调节干涉仪中的光程差，观察干涉条纹的形成和变化。
根据干涉条纹的模式，可以推断出光的波长、相位等信息。
实验步骤
1.准备双缝干涉仪和单色光源。
2.调节双缝干涉仪的缝宽和间距，使之符合实验要求。
3.使光源射入双缝干涉仪，观察干涉条纹的形成。
4.调节干涉仪的光程差，观察干涉条纹的变化。
5.记录干涉条纹的特征并进行分析。
实验应用
马赫-曾德干涉实验不仅可以用于研究光的波动特性，还可应用于光学测量、光学成像等领域。
干涉技术也广泛应用于激光技术、光学通信等现代科技领域。
结论
波动光学实验中的马赫-曾德干涉是一种重要的实验方法，通过这一实验可以深入了解光的波动性质和干涉现象。
在现代光学和相关领域中，干涉技术的应用正日益广泛，为科学研究和技术发展提供了重要支持。
第九章 光的干涉
二、薄透镜的一个性质
屏
屏
a.d e . . g . b. .h c.
a . F b . c .
F
adeg与bh几何路程不等，但光程是相等的。 abc三点在 同一波阵面上，相位相等，到达F 点相位相等，形成亮点，
所以透镜的引入不会引起附加的光程差。 斜入射时，abc三点在同一波阵面上，相位相等，到达F 点 相位相等，形成亮点，透镜的引入同样不会引起附加的光程差 。
p
r
1
·
x x
d
r
2
o
D
xd r2 r1 k D
xd r2 r1 (2 k 1) D 2
（光强极大位置）
光强极大
k 0,1, 2,
光强极小
（光强极小位置）
O点处，x=0，k=0，出现明纹，称为中央明纹
• 光强分布
讨论
x-2 -2 x-1 -1
第九章 光的干涉
北极光
Hale Waihona Puke 一节 光源及光的相干性一、光源 各种光源的激发方法、辐射机理不同，我们对热光源发光机 制略加讨论： 1．发光的独立性 在热光源中，大量的分子和原子在热能的激发下，从正常 态跃迁到激发态，在它们从激发态返回正常态的过程中，都将 辐射电磁波，各个分子or原子的激发和辐射参差不齐，而且彼 此之间没有联系，因而在同一时刻，各个分子、原子所发出光 的频率振动方向和相位均不相同。
基于光干涉原理而制成的各种干涉仪 (interferometer)是近代最精密的测量仪器之一；
镀膜(plat)技术使光学仪器性能得到显著的改善； 基于光的衍射原理而制成的衍射光栅(grating)在工 程技术中广泛应用于分析，鉴定及标准化测量方面。
波动光学与干涉现象
波动光学与干涉现象波动光学是一门研究光波传播和光与物质相互作用的学科，其中干涉现象是波动光学的重要组成部分。
干涉现象是指两个或多个波相遇产生的相互作用，形成明暗相间的干涉条纹。
本文将对波动光学与干涉现象进行探讨，以加深对光学现象的理解。
一、光的波动特性光的波动特性是描述光行为的重要依据。
光波是一种电磁波，具有波长、频率和速度等特性。
光的波动特性可以解释光的传播、反射、折射等现象。
波动光学理论的基础是互补波动，它描述了波传播的两个重要方面：相位和振幅。
相位反映了波的位置，振幅则表示波的能量强度。
这两个参数决定了光波的特性，包括颜色、强度和方向等。
二、波动光学的基本原理1. 艾利奥特原理艾利奥特原理是波动光学的基本原理之一。
它表明，一个波在到达某个地点时，会沿着所有可能路径传播，而不仅仅是沿着直线传播。
这种现象被称为波的超波传播。
艾利奥特原理解释了光波的传播形式和路径选择。
2. 海森伯不确定性原理海森伯不确定性原理是波动光学的另一个基本原理。
它指出，无法同时准确测量粒子的位置和动量。
这是因为光波的传播需要同时具备粒子和波动的特性，而这两种特性不能同时完全确定。
三、干涉现象的基本原理干涉是波动光学中重要的现象之一。
通过两个或多个波的相互叠加，产生干涉现象。
干涉现象可分为两类：构造干涉和破坏干涉。
1. 构造干涉构造干涉是指两个波共享相同相位的情况。
当两个波的相位相同并且干涉相长，其中一个波的波峰与另一个波的波峰相遇，形成增强干涉。
而当两个波的相位相差半个波长时，一个波的波峰与另一个波的波谷相碰，形成减弱干涉。
2. 破坏干涉破坏干涉是指两个波相长波相消的现象。
当两个波的相位相差半个波长时，它们的波峰和波谷相重叠，导致波能互相抵消，形成破坏干涉。
这种干涉现象在波动光学中被广泛应用，例如激光干涉仪的原理。
四、干涉现象的应用干涉现象在科学和工程领域有着广泛的应用。
以下是其中一些重要的应用领域：1. 各向同性薄膜干涉各向同性薄膜干涉是一种通过沉积一层或多层材料来控制光波的干涉行为的方法。
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· ·
独立(不同原子发的光)
结论：普通光源 独立(同一原子先后发的光) 不是相干光源。
普通光源：太阳光、电灯、手电筒、煤油灯等发 出来的光，没有干涉现象发生，为什么？
因为它们不是相干波源，发射的光波不是相干波， 所以普通光相遇，没有干涉现象发生。
相干光
问题二
（三）、相干光的获得
一入射波传播到带有小孔的屏时，不论入射波的波阵面是 什么形状，通过小孔时，在小孔的另一侧都产生以小孔作为 点波源的前进球面波，可将其抽象为从小孔处发出的一种次 波或球面子波，其频率与入射波频率相同。
波源
S1
分波阵面法
S2
相干光的产生方法： 分振幅法
分波阵面法
s1
光源 *
s2
第三节
托马斯.杨
一. 杨氏双缝干涉实验
杨氏双缝干涉实验装置：
S 线光源，G 是一个遮光屏，其上有两条与 S 平行的狭缝 S1、S2，且与S 等距离，因此S1、S2 是相干光源，且相位相同； S1、S2 之间的距离是d ，到屏的距离是D。(D>>d)
二、光的本质
光具有波动性和粒子性，合称波粒二象性。 光的波动性是指光是某一波段的电磁波。
光在不同媒质的分界面上会发生反射和折射现象； 在传播过程中出现干涉、衍射和偏振等现象。
光在真空中的传播速度为：
c 3108 m / s
光的粒子性是指光是由单个的光子构成的。光电效应
实验可以证明这一点。
1. 光是电磁波, 其波动方程是什么?
一、光谱
光谱——光的强度按频率（或波长）的分布
λ (nm)
紫外区
可见光区
紫 光
红外区 红 光
•可见光: 光在人眼视觉范围内的波段为
400nm 760nm，
可见光
可见光七彩颜色的波长和频率范围
光色 波长(nm) 红 760~622 橙 622~597 黄 597~577 绿 577~492 青 492~470 兰 470~455 紫 455~400
2.
电E磁波E是0c电o场s强(度t Eur与)磁场强度HH
的矢量波;
H0cos
(t
r u
)
3. 光矢量: 对人眼和感光仪器起作用的主要是电场强
度E, 所以人们称电场强度E为光矢量.EBiblioteka E0cos (tr u
)
三、光波的表达 E A1 cos t + ( j 2
1. 基本概念：
2pr )
l
光矢量E，光振动，振动面(振动方向与传播方向构成的平面)
(光谱特征) ： ⑴线谱光源：如气体放电管、钠光灯、
水银灯等；
⑵连续谱光源：（或热辐射光源）如 白炽灯、弧光灯、太阳等；
常用单色光源
(一)、光源的发光机制能：级跃迁辐射 高能级E2
低能级E1
光子
普通光源：自发辐射。每一个分子和原子都相当于 一个小光源，(1)它们所发出的波的振幅、相位、振 动方向各不相同；(2)原子发光是间歇的，眼睛感觉 到的光强是平均光强; （3）波列的长度即相干长度
频率(Hz)
3.9 1014 ~ 4.81014 4.81014 ~ 5.0 1014 5.0 1014 ~ 5.4 1014 5.4 1014 ~ 6.11014 6.11014 ~ 6.4 1014 6.4 1014 ~ 6.6 1014 6.6 1014 ~ 7.51014
中心波长 (nm) 660 610 570 540 480 460 430
相干光的获得原理：使普通光源的同一个点发出的光 分成两个或两个以上的相干光束, 使它们各经过不同 的路径后再相遇产生干涉。
1.分波阵面法 在同一波面上取两个点，使子波经过不同的路径
后再相遇产生干涉的方法为分波阵面法。如杨氏双缝 干涉实验。
2.分振幅法 一束光线经过介质薄膜界面的反射与折射，形成
的两束光线产生干涉的方法为分振幅法。如薄膜、劈 尖、牛顿环等。
光波是横波 E＝ A1 cos ( t + j 1)
光波
（一）.产生相干光的条件
两束光： 1. 频率相同； 2. 振动方向一致；
E1
E
E2
3. 有恒定的相位差；
y1 A1 cos t + ( j 1 y2 A2 cos t + ( j 2
2pr1 )
l
2pr2 )
l
（二）.光源 光源种类：热辐射、电致发光、光致发光、化学发光
光的认识过程：
（1）16、17和18世纪： 惠更斯的波动学说和牛顿的微粒学说
（2）19世纪初期： 杨氏----菲涅尔:波动学说
（3）麦克斯韦理论------光是电磁波 （4）光子假说------爱因斯坦和普朗克 （5）现代学说-------波粒二象性
重要的历史人物（波动光学）：
托马斯.杨(Thomas Young)：1773~1829，英国物理
菲涅尔（Augustin Jean Fresnel): 1788~1827，法国
物理学家，数学家，发明家和工程师，主要贡献：（1）菲涅尔
衍射实验；（2）惠更斯--菲涅尔原理；（3）波动光学的主要
创始人。
光学是研究光的本性、光的传播、光与物质相互 作用以及光在科学研究和技术中各种应用的科学；
几何光学：光的直线传播、反射、折射
光学：
物理光学：光的本性，传播、干涉、衍射、偏振
波动光学：光的波动性 物理光学
量子光学：光的粒子性
波动光学：用波动理论解释光的干涉、衍射、
偏振现象，电磁场理论
本章主要内容：波动光学 •光的干涉(Interference )； •光的衍射(Diffraction of Light )； •光的偏振性（横波 Polarization of Light ）。
学家，医师，主要贡献：（1）光学----杨氏干涉实验，向牛 顿的微粒学说挑战；（2）材料力学----杨氏模量；（3）生 理学-----眼对光的感受，三色原理。
夫琅和费（Toseph Von Fraunhefer)：1787~1826，
德国物理学家，光学家，天体分光学的创始人，主要贡献： （1）天体光谱观测；（2）夫琅和费衍射实验；（3）发明 衍射光栅，并刻出世界上第一块光栅。
第四节
9
第一丝光线照临大地， 新的一天开始了！
光：light
地球的母亲！
万物生长靠太阳
•太阳的能量就是通过光波送到地球！ •五光十色，缤纷的世界，光是主角！ •光通信技术！ •激光的发明，一场新技术革命！ •通过光，人类知道遥远的星空发生的事件！ •通过光，人类知道微观世界发生的事件！ •………...