第10章波动光学大学物理
大学物理之波动光学讲解
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25
未来发展趋势预测
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01 02 03
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。
6
02
干涉现象与原理
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7
双缝干涉实验及结果分析
03
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。
大学物理波动光学
第十章 波动光学第1课 电磁波 光的电磁本性教学目标：1.了解电磁场和电磁波的一般概念2.了解电磁波的性质及电磁波谱。
教学重点：光的电磁性 教学难点：物质发光的原理教学资源：网络视频、图片、多媒体设备 教学方法：讲授法、演示法、练习法 课 时：2 教学过程：引入课题：人们对光（这里主要指可见光）的规律和本性的认识经历了漫长的过程。
最早也是最容易观察到达规律是光的直线传播。
在机械观的基础上，人们认为光是一些微粒组成的，光线就是这些微粒的运动路径。
但人们已觉察到许多光现象可能需要用波动来解释，如牛顿环。
与牛顿同时代的惠更斯明确提出光是一种波动，直到进入19世纪，才由托马斯.杨和菲涅尔从实验和理论上建立起一套比较完整的光的波动理论。
19世纪中叶光的电磁理论的建立使人们对光波的认识更深入了一步，19世纪末麦克耳孙的实验及爱因斯坦的相对论更完善了光的波动理论。
本书关于光的波动规律基本上还是近200年前托马斯.杨和菲涅尔的理论。
但许多应用实例是现代化的。
正确的基本理论是不会过时的，而且它的应用将随时代的前进而不断翻新，现代的许多高新技术中的精密测量与控制就应用了光的干涉和衍射原理。
激光的发明也是40年前的事情。
人们对光的理论的认识也没有停止，20世纪初从理论和实验上证实了光具有粒子性，波动光学本身也在不断发展，光孤子就是一例。
本章主要光的波动理论及一些应用。
讲授新课： 一、电磁波的产生 1 无阻尼自由电磁振荡在电路中，电荷和电流以及与之相伴的电场和磁场的振动，称为电磁振荡。
LC 电磁振荡电路就是一种无阻尼的电磁振荡。
开关K 板向右边，使电源对电容器C 充电。
开关K 板向左边，使电容器C 和自感线圈L 相连接。
设某一时刻电路中的电流为i ，此时刻的自感电动势 由于 则令 则有 其解为无阻尼自由振荡中的电荷和电流随时间的变化KAB LCA B d d i qL V V t C ==-22d 1d q q t LC =-d d q i t=222d d q q o tω+=0cos()q Q ω t ϕ=+在LC 振荡电路中，电荷和电流都随时间作周期性变化，相应的电场和磁场能量也都作周期性的变化。
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 。
THANKS
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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。
大学物理下波动光学部分总结
k = 1,2,...
rk
kR n
l0 2 f a
单缝衍 射
f x k a
k = 1,2,...
l0 2l
其他公式： 1、迈克尔逊干涉仪：
N 2 d d 2 N
' 2(n 1)t N
2 、光学仪器最小分辨角和分辨本领：
爱里斑的半角宽度：
1.22
D
光栅衍射：光栅衍射条纹是单缝衍射和多光束 干涉的综合效果。 光栅方程
(a b) sin k (k 0,1,2...)
缺级现象 最高级次满足：
ab k k' a
kmax
ab
重
类别 杨氏双 缝 劈尖干 涉 牛顿环 明纹
x
要
公
暗纹
4n 2 4n 2
例4.一束波长为 550 nm的平行光以 30º 角入射到相距为 d =1.00×10 – 3 mm 的双缝上，双缝与屏幕 E 的间距为 D=0.10m。在缝 S2上放一折射率为1.5的玻璃片，这时双缝 的中垂线上O 点处出现第8 级明条纹。求：1）此玻璃片的 厚度。2）此时零级明条纹的位置。 E S1 解：1）入射光到达双缝时已有光程差：
x
式
条纹宽度
x D nd
D k nd
D ( 2k 1) nd 2
k = 0,1,2,...
k = 0,1,2,...
2k 1 e 4n
k = 1,2,...
e
k 2n
e
k = 0,1,2,...
l
2 n
2n
(2k 1) R rk 2n
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。
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r) u
★光矢量：电场强度 E 。
★ 真空中光速 c 1 3 108 m/s
2、普通光源发光机理:
1）光由光源中大量原子或分子从高能激发态向低能级状态 跃迁时产生的。
2）原子或分子能量跃迁时发出
频率和振动方向各不相同、 长度有限的光波波列。
激 发
En
态
波列
E h
Lc ct
t 108 s
求：1 ) 中央明纹两侧两条10级明纹中心的距离。 2 ) 以厚度为 e 6.6 105m，折射率为n=1.58的玻璃片
注意： δ是光程差不是波程差。λ是真空中波长，不
一定是实际波长。
§10.2 杨氏双缝干涉
10.2.1、杨氏双缝实验 1801年英国科学家Thomas Young首先成功实现光的干
涉，证实光具有波动性。
1、实验现象及定性分析:
实
s1
验 s d o
装 置
s2
r1 r2
p
x
o
D
2、光程差 由图知： r12
D2
(x
d )2 2
r2 2
D2
(x
d )2 2
r22 r12 (r2 r1 )(r2 r1 ) 2 xd
D d，D x,
r1 r2 2D
(r2 r1 )(r2 r1 ) 2xd
2xd d
r2 r1
2D
x D
S1
Sd
r1
r2
p
x o
S2
D
n(r2
r1 )
nd D
2
为真空中的波长
n2r2 n1r1
[例]
s1
d
r1
P
s•
n
o
s2
r2
r2 [(r1 d ) nd ] (r2 r1 ) (n 1)d
2
பைடு நூலகம்
2
[(r2
r1) (n 1)d ]
产生相干光的基本方法:
1、分波阵面法： 同一波面的不同处发出的光为相干光。
2、分振幅法： 利用光的反射和折射将一束光分为两部分。
s1
P
s
s2
分波阵面法
分振幅法
10.1.5：薄透镜等光程性
结论：当用透镜观测干涉时， 光线的传播方向可以改变，不 会带来附加的光程差。
L
•
S'
10.1.6、明暗干涉条纹产生的条件：
当
2
2k 时 (2k 1) 时
干涉加强 干涉减弱
k
用光程差表示为:
(2k 1) 2
干 涉 加 强（ 明 ） 干涉减弱（暗）
x
（ 空气中n = 1 ）
nd x
D
讨论
1、明暗条纹以O点为中心对称分布于屏上。
当 n d x k 时，产生明纹
D
明纹位置:
x k D
nd
k = 0,1,2,... ox
当k = 0 时，对应O点 — 中央明纹中心的位置
当 nd x (2k 1) 时产生暗条纹
D
2
暗纹位置: x (2k 1) D
I 0 , (2k 1) 2
I 4I0
光
强
分 布
4 3 2 0 2 3 4 5
图
例题1 单色光照射到两个相距2×10-4的狭缝上。双缝和屏之
间为空气n=1,距离为1m。在缝后处的屏上，从第一级明条纹
到第四级明条纹的距离为7.5×10-3，求此单色光的波长。
解:由明条纹中心位置为 x D k
2nd
k = 1,2,...
2、相邻的明（暗）纹的间距相等。
注意
x D
nd
影响条纹间距的因素：
1）条纹间距与双缝间距的关系 x 1 d
ox
2）条纹间距与波长的关系 x
3、用白光光源产生彩色干涉条纹
k 3 k 2 k 1 k 1 k 2 k 3
4、双缝干涉光强分布 4I0 , k
nd
第一、四级明条纹中心位置分别为
x1
D d
x4
D d
4
故第一级明条纹到第四级明条纹的间距为
从而得到单色光的波长为
(k 0,1,2, )
x4
x1
3
D d
x4
x1
d
7.5103 2104
5.0107 m
o
5000 A
3D
31
[例2]在双缝干涉实验中,波长 5500 A的单色平行光垂直照射到 缝间距为 a 2 104 m 的双缝上,屏到双缝的距离 D=2m.
第10章 波动光学
光学是历史悠久的物理学分支,也是现代物理学研究非常 活跃的领域。它的发展分为以下几个时期：
萌芽时期
几何光学
光学
近代光学时期
波动光学---光传播过程中的干涉, 衍 射,偏振等现象和规律。
现代光学时期
量子光学---光和其他物质发生相互 作用的现象及规律。
光的本性: 光的本性问题曾是物理学界争论不休的问题, 直 到1905年Albert Einstein 提出光子理论,争论才基本结束。
§10.1 光的相干性、光程
10.1.1、光源
1、光（可见光）指真空中波长为4000~7600 Å 的电磁波。
7600A ~ 6300A ~ 6000A ~ 5700A ~ 5000A ~ 4500A ~ 4300A ~ 4000A
★光是横波 平面电磁波方程
E
E0
cos ( t
r) u
H
H0
cos ( t
1672年Newton 提出微粒说—一种实体粒子，哥里马第、惠更 斯、托马斯.杨、菲涅耳等建立了波动说，1865年麦克斯韦建立 了光的电磁理论, 给光的波动说提供了有力的证据。
19世纪末,光电效应又使波动理论陷入困境.1905年A.Einstein 提出了光子理论,指出光既具有波动性又具有粒子性---光具有波粒 二象性,为光的本性的争论画上了句号.本章只讨论光的波动性
2 r n
n
u
c
n
n
n
2 r 2 nr
1
n
u
r2
定义：若光在折射率为n 的介质中传播的几何距离为r ，
则光程为 nr 。
…
n1
n2
n3
…
nm
L ni ri
i
r1 r2
r3
rm
物理意义： 光在媒质中传播的路程 r 等效于相同时间内
在真空中能够传播 nr 的路程。
相位差与光程差的关系:
自发辐射 基态
原子能级及发光跃迁
发光特点：光束是由频率不同、振动方向各异、无确定相位 关系的各自独立的波列组成。
10.1.2 、光的单色性和相干性 1、光的单色性
1）单色光：具有单一 频率（波长）的光。 2）复色光：含有很多不同频率的光。 3）准单色光：由一些波长相差很小的单色光组合而成的光。
谱线宽度：光强为最大光强一半处的曲线宽度 。
4）单色光的获得：棱镜、滤光片等。 I
10.1.3、光的相干性 相干光的相干条件：
I0 I0 / 2
谱线宽 度
1）同频率、同振动方向、在相遇 点相位差恒定为相干光。
O
2）补充条件 两束光在相遇点的光强差不能太大。
两束光在相遇点的光程差不能太大。
10.1.4、光程:
当光在 某一媒质中（n）传播、通过路径 r 时， 振动相位的改变量为