大物-波动光学

大学物理课程

通知1.

课程不做硬性要求，学生可自愿提交，提交后由教师评阅打分作为附加分计入期末成绩。2.

优秀

可成绩满分为5分。作为每年一届的“东南大学大学物理课程研究

竞赛”的参赛3.中需有自己的见解和思想，对于。、滥竽充数以及质量很低的

，附加成绩为4.

提交。时间：本学期最迟第15周EBc

ccEc+-B§10-7

平面电磁波变化的电磁场在空间以一定的速度

就形成电磁波振荡电偶极子附近的电磁场线+-uEHxo一、平面电磁波的特性(1)电磁波是横波0uE

E

cos

(t

x

)+

0)+xuH

H

cos

(t

(2)E

和H

同相位(3)E

和H数值成比例

H

E00998.2cu(4)真空介质nu

1

c

c

r

rn

/

nH

)

E

H

w

)u

S

wu

(w22(

E

u2

Hme二、电磁波的能量2e2e2

21

E

,

w

1w

,

H

E

,

u

1/式中S

E

H矢量式右螺旋ESH可以证明200

0E2

2

μ

με

ε0

r0

rS

1

E

H

1能流密度：单位时间内通过单位面积的能量(玻印廷矢量)平均能流密度——光强0I

S

E2红外线

紫外线可见光射线X射线长波无线电波6

10144

81210

10

10

10

101610

1020102410010频率Hz波长m108

104104100108

1012

1016短波无线电波无线电波红外线可见光3104

m

~

0.1cm6105

nm

~

760nm760nm

~

400nm400nm

~5nm

~

0.0

0.04nm紫外线x

射线

射线三、

电

磁

波

谱四、可见光：能激起视觉的一类电磁波红

紫：760

nm

400

nm光矢量：E矢量五、光学：研究光现象、光的本性和光与物质相互作用等规律的学科几何光学：研究光学仪器的理论波动光学：研究光的电磁性质和规律量子光学：研究光与物质相互作用的规律现代光学：非线性光学、光学等基本内容光的光的衍射光的偏振Interference

of

Light（除激光外）两个独立光源或一个光源上两个不同部分所发出的光不相干一、相干光的获得1．普通光源发光特点一个有限长光波列不同原子

同一时刻同原子

不同一时刻原子能级基态激发态En自发辐射光的单色性光矢量(E矢量)不相干间歇性、独立性、随机性2．获得相干光的方法原理：同一光源的一束光分割为两束或多束光，使之经过不同路径后相遇基本方法：（1）波阵面分割法（2）振幅分割法oB1sos2srx1rr2dp二、分波阵面1．杨氏双缝d

'r

r2

r1

d

sin波程差sin

tan

x

/

d'd

2d

d

'

(2k

1)

暗纹

k

d

x

明纹k

0,1,2,2．条纹分布：

明条纹（Δr

=0）两侧对称分布明暗相隔条纹相邻明（暗）条纹中心间距相等dx

d

'

d

x

k

d

'

（3）条纹的光强相遇处:cos

10

20

10

202

2

2E

EE

E

E2

2

rI

I1

I2

2

I1I2

cos如

I1

I2

I0

,

Imax

4I0非均匀且稳定分布Imin

0

2

3

ro

2

3问题：相干叠加是否违背能量守恒？I2I0P1MLCd2sM2d

's1s4.其它的波阵面分割法双镜实验镜Ps2Md

'P'Ls1d5、光波的相位突变结论：疏媒质(光速较大)密媒质(光速较小)入反2L处反射光较入射光相位跃变

(等效波程差为

)6.

空间相干性和时间相干性双缝

实验的局限性：（2）模糊。Bs1ss2Rd条纹整个图样的中间部分清晰，边缘（1）狭缝S必须很窄；S有一极限宽度a

R

时间相干性最大波程差max

2b2光源的非单色性[例]在以单色光垂直照射相距为0.2m的双缝上,d'=1m.(1)如第1级明纹中心到同侧第4级明纹中心的间距为7.5

mm,求

;(2)若入射光波长为600

nm,则

500

nm明纹到第2条暗纹若情况(2)中将整个装置放入水中(n=4/3)重求(2);如改用白光入射,定性

条纹分布情况.若在情况(2)中,光源S略微下移,

条纹移动情况

,如

S1S’-

S2S’=

,求解明纹位置

x

表达式

;dS1S2xo1rr2d

SBx2

4.5mm中心的间距为多少?

x2

3.38mmS1S2xo1r2rd

SBS(5)由于S1S’-S2S’=

,在S1和S2之前已存在波程差r=0点移动情况)条纹上移

(注:对任一点B

:r

(r2

s2s)

(r1

s1s)

(r

r

)

(s

s

s

s)

d

x

2 1 2 1d

k

01,)(1,令r

kdx

d

k

明纹k

=

00dx

d

3mm(o点上方)[例]杨氏双缝实验，采用加有蓝绿色滤光片的白光光源，其波长范围为

100nm，平均波长为490nm，估算从第几级开始，条纹将变得无法分辨？S1S201

440

nm,

2

540

nm(k

1)1

k2思考:杨氏双缝实验中，如果将一薄云母片（

n

=1.58）覆盖在条缝S1上，条纹如何变化？S1S20P2rr1nn

三、光程介质中的波长当光在介质n中

几何路程L时，其相位变化

2

π

L

2π

nLn

光在介质n中

路程L时，相位的变化，相当于光在真空中通过nL的路程所引起的相位变化光程:介质折射率与光的几何路程之积nL波程差21r

r

rn

1

2π(

r2

r1

)

2π

(

nr2

r1

)相位差例：*Pr1s1

*s2r2n把光在不同介质中

的路程折算到该光在真空中

的路程，解决了光在不同介质中时的问题光程差记为Δ

2

π

2k

π加强(2k

1)π

减弱即

k

(2k

1)k

0,1,2k

0,1,22加强减弱

(ni

Li

nj

Dj

)

(0,

2

)：真空中波长FABoF

'AB焦平面例：透镜的等光程性例:

杨氏双缝

实验中，如果将一薄云母片（n=1.58）覆盖在条缝S1上，发现原屏幕上中心明条移到第五级明条中心位置处，若已知入射光波长为600nm，求云)

S1S2母片厚度t。

p

r2

r1

(0n

1t

5

5.17

106

mP2rr1

0

5

(

)（3）条纹的光强相遇处:cos

10

20

10

202

2E

E

E2

2E

E：相干叠加与非相干叠加(两光矢量E

方向相同光波列)11222

1

2

1

2

r

)项：

(

)t

(

)

(

2

r测量光的各种探测器的响应时间或分辨时间>>光矢量的振动周期平均值(如视觉，对时间

)E2

E2

E2

2E

E

cos10

20

10

201

2

1

20Idt

II

10

I

2

I

I

[1cos

dt]对非相干光cos

f

(t,

r)

0

cos

dt

0I

I1

I2对相干光(1=2

,1=2

)cos

f

(r)

f

(t)均匀叠加cos

dt

cos

10I

I1

I2

2

I1I2

cos如I1

I2

I0

,I

4I0如

I1

I2