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第16章 波动光学总结
第十六章 波动光学人们最初是从物体成像的研究中形成了光线的概念，并根据光线沿直线传播的现象总结出有关规律，从而逐步形成了几何光学。
17世纪已有两种关于光的本性的学说：一是牛顿所提出的微粒说，认为光是一股微粒流；二是惠更斯所提出的波动说，认为光是机械振动在特殊介质“以太”中的传播。
起初，微粒说占统治地位。
19世纪以来，随着实验技术的提高，光的干涉 、衍射 、偏振等实验结果证明光具有波动性，并且是横波，使光的波动学说获得普遍承认。
19世纪后半叶，麦克斯韦提出了电磁波理论，又为赫兹的实验所证实，人们才认识到光不是机械波，而是一种电磁波，形成了以电磁理论为基础的波动光学。
在19世纪末，20世纪初，当人们深入到光与物质的相互作用问题时，又进一步发现了光电效应等新现象，无法用波动光学理论来解释，只有从光的量子性出发才能说明，即认为光是有一定质量 、能量和动量的光子流。
而今，我们认识到光具有波动和粒子两方面相互并存的性质，称为光的二象性。
由于光具有波粒二象性，所以对光的全面描述需运用量子力学的理论。
根据光的量子性从微观上研究光与物质相互作用的学科叫做量子光学。
20世纪60年代激光的发现，使光学的发展又获得了新的活力。
激光技术与相关学科相结合， 导致了光全息技术、光信息处理技术 、光纤技术等的飞速发展，非线性光学 、傅里叶光学等现代光学分支逐渐形成，带动了物理学及其相关科学的不断发展。
在本篇中我们主要通过光的干涉 、衍射和偏振现象讨论光的波动性。
⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧量子光学光的偏振光的衍射光的干涉波动光学物理光学光的折射和反射定律光的独立传播定律光的直线传播定律几何光学光学§16-1 光的相干性光是一种电磁波（横波），用振动矢量E （电场强度），H （磁场强度）来描述。
光波中，产生感觉作用与生理作用的是E ，故常将E 称为光矢量，E 的振动称为光振动。
在以后，将以讨论E 振动为主。
大学物理波动的知识点总结
大学物理波动的知识点总结一、波动的基本概念1.波动的定义波动是一种可以在介质中传播的能量或者信息的方式。
波动既可以是物质的波动，比如水波、声波等，也可以是场的波动，比如电磁波等。
根据波的传播方式和规律，波动可以分为机械波和电磁波。
2.波动的特点波动具有传播性、干涉性、衍射性和波粒二象性等特点。
波动的传播性表明波动能够沿着介质传播，干涉性指波动能够互相叠加，并产生干涉现象，衍射性说明波动能够弯曲传播并产生衍射现象，波粒二象性则是指波动既具有波动特征，也具有粒子特征。
3.波的基本要素波的基本要素包括振幅、频率、波长、波速等。
振幅是波动能量的大小，频率是波动的振动周期，波长是波动在空间中占据的长度，波速是波动在介质中的传播速度。
二、波动方程1.一维波动方程一维波动方程描述了一维波动在空间和时间上的变化规律。
一维波动方程的基本形式为：∂²u/∂t²=v²∂²u/∂x²其中u(x,t)表示波动的位移，v表示波速，t表示时间，x表示空间坐标。
2.二维波动方程二维波动方程描述了二维波动在空间和时间上的变化规律。
二维波动方程的基本形式为：∂²u/∂t²=v²(∂²u/∂x²+∂²u/∂y²)其中u(x,y,t)表示波动的位移，v表示波速，t表示时间，x和y表示空间坐标。
3.波动方程的解波动方程一般是偏微分方程，其解一般通过分离变量、叠加原理、傅里叶变换等方法求解。
对于特定的边界条件和初始条件，可以得到波动方程的具体解。
三、波动的性质1.反射和折射波动在介质表面的反射和折射是波动的基本性质之一。
反射是波动从介质边界反射回来的现象，折射是波动通过介质界面时改变传播方向的现象。
2.干涉和衍射干涉是波动相遇并相互叠加的现象，衍射是波动通过小孔或者障碍物后产生的弯曲传播的现象。
干涉和衍射都是波动的波动性质。
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-第十四章-波动光学
一部分反射回原介质即光线a1， 另一部分折入另一介质，其中一 部分又在Ｃ点反射到Ｂ点然后又 折回原介质，即光线a2。因a1,a2是
从同一光线S1Ａ分出的两束，故
满足相干条件。
S
S1
a
a1
iD
e
A
B
C
a2
n1
n2
n1
31
2 薄膜干涉的光程差
n2 n1
CDAD
sin i n2
跃迁 基态
自发辐射
原子能级及发光跃迁
E h
普通光源发光特 点： 原子发光是断续
的，每次发光形成一
长度有限的波列, 各 原子各次发光相互独
立，各波列互不相干.
10
3.相干光的获得：
①原则：将同一光源同一点发出的光波列，即某个原子某次 发出的光波列分成两束，使其经历不同的路程之后相遇叠加。
S2
r2
P
20
为计算方便，引入光程和光程差的概念。
2、光程
光在真空中的速度 光在介质中的速度
c 1 00
u 1
u1 cn
介质的 折射率
真空
u n c
介质中的波长
n
n
n n
21
介质中的波长
n
n
s1 *
r1
P
波程差 r r2 r1
k 0,1,2,
x
d
'
d
(2k
1)
k 0,1,2,
暗纹
d
2
k=0,谓之中央明纹，其它各级明（暗）纹相对0点对称分布
大学物理(波动光学知识点总结)
大学物理(波动光学知识点总结)contents•波动光学基本概念与原理•干涉理论与应用目录•衍射理论与应用•偏振光理论与应用•现代光学技术发展动态简介波动光学基本概念与原理01光波是一种电磁波，具有横波性质，其振动方向与传播方向垂直。
描述光波的物理量包括振幅、频率、波长、波速等，其中波长和频率决定了光的颜色。
光波的传播遵循波动方程，可以通过解波动方程得到光波在不同介质中的传播规律。
光波性质及描述方法干涉现象是指两列或多列光波在空间某些区域相遇时，相互叠加产生加强或减弱的现象。
产生干涉的条件包括：两列光波的频率相同、振动方向相同、相位差恒定。
常见的干涉现象有双缝干涉、薄膜干涉等，可以通过干涉条纹的形状和间距等信息来推断光源和介质的性质。
干涉现象及其条件衍射现象及其分类衍射现象是指光波在传播过程中遇到障碍物或小孔时，偏离直线传播的现象。
衍射现象可以分为菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射两种类型，其中菲涅尔衍射适用于障碍物尺寸与波长相当或更小的情况，而夫琅禾费衍射适用于障碍物尺寸远大于波长的情况。
常见的衍射现象有单缝衍射、圆孔衍射等，可以通过衍射图案的形状和强度分布等信息来研究光波的传播规律和介质的性质。
偏振现象与双折射偏振现象是指光波在传播过程中，振动方向受到限制的现象。
根据振动方向的不同，光波可以分为横波和纵波两种类型，其中只有横波才能发生偏振现象。
双折射现象是指某些晶体在特定方向上对光波产生不同的折射率，使得入射光波被分解成两束振动方向相互垂直的偏振光的现象。
这种现象在光学器件如偏振片、偏振棱镜等中有重要应用。
通过研究偏振现象和双折射现象，可以深入了解光与物质相互作用的基本规律，以及开发新型光学器件和技术的可能性。
干涉理论与应用02杨氏双缝干涉实验原理及结果分析实验原理杨氏双缝干涉实验是基于光的波动性，通过双缝产生的相干光波在空间叠加形成明暗相间的干涉条纹。
结果分析实验结果表明，光波通过双缝后会在屏幕上产生明暗相间的干涉条纹，条纹间距与光波长、双缝间距及屏幕到双缝的距离有关。
波动光学基本概念总结
波动光学基本概念总结波动光学是光学的一个重要分支，它研究的是光的波动性。
在这一领域，有许多基本概念需要我们深入理解和掌握。
首先，我们来谈谈光的干涉。
光的干涉是指两列或多列光波在空间相遇时，在某些区域始终加强，在另一些区域始终减弱，形成稳定的强弱分布的现象。
这就好像两队士兵步伐整齐地前进，当他们的步伐完全一致时，在某些地方会显得特别强大，而在另一些地方则相对较弱。
产生干涉的条件有三个：两束光的频率相同、振动方向相同以及相位差恒定。
杨氏双缝干涉实验是光干涉现象的经典例证。
在这个实验中，通过两条狭缝的光在屏幕上形成了明暗相间的条纹。
这些条纹的间距与光的波长、双缝间距以及双缝到屏幕的距离有关。
通过对干涉条纹的观察和测量，我们可以深入了解光的波动性，并能精确计算光的波长等重要参数。
接下来是光的衍射。
光的衍射是指光在传播过程中遇到障碍物或小孔时，偏离直线传播而进入几何阴影区，并在屏幕上出现光强不均匀分布的现象。
就像水流绕过石头继续流淌一样，光也会绕过障碍物继续传播。
夫琅禾费衍射是一种常见的衍射现象，比如单缝衍射。
当一束平行光通过一个宽度有限的单缝时，在屏幕上会形成中央亮纹宽而明亮，两侧对称分布着一系列强度逐渐减弱的暗纹和亮纹。
衍射现象不仅让我们看到了光的波动性，也在很多光学仪器的设计和应用中起着关键作用。
再说说光的偏振。
光的偏振是指光的振动方向对于传播方向的不对称性。
我们可以把光想象成一根绳子上的波动，正常情况下，这根绳子可以在各个方向上振动，而偏振光就像是这根绳子只能在特定的方向上振动。
偏振光分为线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。
线偏振光的振动方向始终在一个固定的直线方向上，而圆偏振光和椭圆偏振光的振动方向则是不断变化的。
偏振片是一种常用的获取和检测偏振光的器件。
在实际应用中，偏振光有着广泛的用途。
例如，在立体电影中，通过给观众佩戴不同偏振方向的眼镜，让两只眼睛分别看到不同的画面，从而产生立体感。
还有光的波长和频率。
大学物理 8波动光学3
考察衍射角 0 的一束平行光，经透镜
后同相位地到达P0点，所以P0点振幅为各 分振动振幅之和，合振幅最大，光强最强。
sin
菲涅耳半波带法
B
A1 A2 A3
A
C
有三种情况： Ⅰ可分为偶数个半波带； Ⅱ可分为奇数个半波带； Ⅲ不能分为整数个半波带。
三个半波带
亮纹
BC a sin 3
一、 光的衍射现象及其分类
1. 光的衍射现象 屏幕
屏幕
阴
影
缝较大时，光是直线传播的 缝很小时，衍射现象明显
光在传播过程中遇到障碍物，能够绕过障碍物的边缘前 进,这种偏离直线传播的现象称为光的衍射现象。
2. 惠更斯-费涅耳原理
从波阵面上各点所发出的子波都是相干波源，
它们发出的波在空间某点相遇时相互叠加, 产
2
中央明纹 k 1.2.3... 明纹 k 1.2.3... 暗纹
非以上值： 介于明纹与暗纹之间
讨论：1. 光强分布
I
问题：当 增加时
光强的极大值迅速 衰减？
5λ 3λ
0
2a 2a
3λ 5λ sin
2a 2a
当 角增加时，半波带数增加，未被抵消的
半波带面积减少，所以光强变小；
2. 中央亮纹宽度 a sin k
k=2
k=4
k=6
k=-5 k=-3
k=-1 k=1
k=3
k=5
3.缺级现象
缺级 由于单缝衍射 的影响，在应该出现 干涉极大（亮纹）的 地方，不再出现亮纹
缺极时衍射角同时满足：
单缝衍射极小条件
a ·sin= ± k'
k'= 1, 2,··· 即： k =(a+b) /a ·k'
2024版大学物理波动光学总结
光波性质及描述方法光波是一种电磁波，具有波动性质，可以用振幅、频率、波长等物理量来描述。
光波在真空中的传播速度最快，且在不同介质中传播速度不同，服从折射定律。
光波具有横波性质，其振动方向与传播方向垂直。
干涉现象与条件010203衍射现象及规律123偏振光可以通过偏振片或反射、折射等方式产生。
偏振现象在光学仪器、光通信、生物医学等领域有广泛应用，如偏振显微镜、偏振光干涉仪等。
偏振现象是指光波中只包含特定振动方向的光波分量。
偏振现象及应用实验操作步骤准备相干光源、双缝装置、屏幕等实验器材；调整光源和双缝装置，使光源发出的光通过双缝照射到屏幕上；观察并记录屏幕上的干涉条纹。
双缝干涉实验原理通过双缝的相干光源产生干涉现象，观察屏幕上明暗相间的干涉条纹，研究光的波动性。
数据分析方法测量干涉条纹间距，计算光源的波长；根据干涉条纹的形状和分布，分析光源的相干性和双缝间距对干涉条纹的影响。
双缝干涉实验原理及操作薄膜干涉实验方法薄膜干涉原理实验操作步骤数据分析方法牛顿环测量光学表面反射相移牛顿环原理实验操作步骤数据分析方法长度测量表面形貌检测折射率测量光学器件性能测试干涉在精密测量中应用单缝衍射实验原理及操作原理：当单色光通过宽度与波长可比拟的单缝时，在屏上形成明暗相间的衍射条纹。
准备实验器材：激光器、单缝装置、分析实验数据，计算波长等参数。
调整激光器，使光束正对单缝装置，并调整单缝宽度。
圆孔衍射特点分析晶格衍射是X射线在晶体中发生的衍射现象，可用于研究晶体结构。
通过测量晶格衍射角度和强度，可以确定晶体中原子排列方式和晶格常数等参数。
晶格衍射技术在材料科学、化学、地质学等领域具有广泛应用。
晶格衍射在晶体结构研究中的应用衍射在光谱分析中的应用衍射可将复合光分解为不同波长的单色光，是光谱分析的基本原理之一。
通过测量不同波长光的衍射角度和强度，可以确定物质的成分和含量等信息。
光谱分析技术在化学、物理学、生物学等领域具有广泛应用，如原子吸收光谱、拉曼光谱等。