2024年度光学自学辅导材料(二)波动光学基本原理

光学自学辅导材料(二)波动光学基本原理12024/3/23目录contents波动光学基本概念干涉原理及应用衍射原理及应用偏振光原理及应用波动光学综合应用22024/3/23波动光学基本概念0132024/3/23光具有电磁波的特性，如反射、折射、干涉、衍射等。光是一种电磁波光波的基本参数光波的表示方法光波具有波长、频率、波速等基本参数，这些参数决定了光的性质和行为。光波可以用正弦波或余弦波表示，其振幅、相位等特征可以通过波动方程来描述。030201光波与电磁波42024/3/23干涉是两列或多列波在空间某些区域相遇时，相互叠加形成新的波形的现象。干涉现象的定义产生干涉的两列波必须满足频率相同、振动方向相同、相位差恒定等条件。干涉的条件根据光源和干涉方式的不同，干涉可分为双缝干涉、薄膜干涉、牛顿环等。干涉的种类光的干涉现象52024/3/23衍射的种类衍射可分为菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射两种，前者适用于障碍物尺寸与波长相当的情况，后者适用于障碍物尺寸远大于波长的情况。衍射现象的定义衍射是光在传播过程中遇到障碍物或小孔时，偏离直线传播的现象。衍射的应用衍射现象在光学仪器、光谱分析等领域有广泛应用，如光栅光谱仪、X射线衍射仪等。光的衍射现象62024/3/23偏振光的定义01偏振光是指光波中振动方向对于传播方向的不对称性，即光矢量在垂直于传播方向的平面上有固定的振动方向。偏振光的种类02根据光矢量振动方向的不同，偏振光可分为线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光等。双折射现象03双折射是某些晶体中，一条入射光线产生两条折射光线的现象。这两条折射光线遵循不同的折射定律，具有不同的折射率。双折射现象在光学器件、偏振光检测等领域有重要应用。偏振光与双折射72024/3/23干涉原理及应用0282024/3/23

杨氏双缝干涉实验实验装置杨氏双缝干涉实验装置包括光源、双缝、屏幕等部分。干涉现象当单色光通过双缝后，在屏幕上出现明暗相间的干涉条纹。干涉条件光源发出的光波经过双缝后产生两个相干波源，它们的光程差满足干涉条件。92024/3/23当光照射在薄膜上时，薄膜的前后两个表面反射的光波相遇产生干涉现象。薄膜干涉现象利用薄膜干涉可以测量光学表面的反射相移，以及制作光学滤波器等。薄膜干涉的应用薄膜干涉及其应用102024/3/23当单色光垂直照射在凸透镜上时，在透镜的反射光中观察到的明暗相间的环状干涉条纹。将两块玻璃板叠在一起，并在其一端垫入纸片，使两板之间形成空气劈尖。当单色光垂直照射时，可以观察到明暗相间的直线干涉条纹。牛顿环与劈尖干涉劈尖干涉牛顿环112024/3/23迈克尔逊干涉仪的结构该仪器主要由分光镜、反射镜、补偿镜和屏幕等部分组成。迈克尔逊干涉仪的原理利用分光镜将单色光分为两束，分别经过两个反射镜后再次相遇产生干涉现象。通过调整反射镜的位置，可以改变光程差从而观察到不同的干涉条纹。迈克尔逊干涉仪122024/3/23衍射原理及应用03132024/3/23惠更斯原理波面上的每一点（面元）都是一个次级球面波的子波源，子波的波速与频率等于初级波的波速和频率，此后每一时刻的子波波面的包络就是该时刻总的波动的波面。其核心思想是：介质中任一波面上的各点，都可以看做发射子波的波源，即可把下一时刻新的波面前沿，看作是这些子波的包络面（惠更斯原理只能定性解释波的衍射现象，不能给出波的强度，不能解释衍射现象与狭缝或障碍物的大小的关系）。菲涅尔原理在光波照射屏上某点P的光振动，可看作是屏上子波源发出的子波在P点的相干叠加。惠更斯-菲涅尔原理142024/3/23单缝衍射光在传播过程中遇到障碍物，光波会绕过障碍物继续传播的现象叫做光的衍射。如果波长与障碍物相当，或比障碍物大，衍射现象最为明显。当缝宽远大于波长时，衍射现象很不明显，可以认为光沿直线传播；当缝宽与波长相当或比波长小得多时，衍射现象较为明显；当缝宽小于波长时，光的绕射现象非常明显。要点一要点二光栅衍射由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件称为光栅（grating）。一般常用的光栅是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成，刻痕为不透光部分，两刻痕之间的光滑部分可以透光，相当于一狭缝。精制的光栅，在1cm内有数千条乃至上万条刻痕。这种利用透射光衍射的光栅称为透射光栅，还有利用两刻痕间的反射光衍射的光栅，如在镀有金属层的表面上刻出许多平行刻痕，两刻痕间的光滑金属面可以反射光，这种光栅称为反射光栅。单缝衍射与光栅衍射152024/3/23是指光在通过圆孔时发生的衍射现象。在光的衍射中，激光打到一个小圆孔上，会在后面屏幕上产生明暗相间的圆环。圆孔衍射当单色光照射在直径恰当的小圆板或圆珠时，会在之后的光屏上出现环状的互为同心圆的衍射条纹，并且在所有同心圆的圆心处会出现一个极小的亮斑，这个亮斑就被称为泊松亮斑。形成的原因是由于光的衍射，可以利用衍射公式来具体计算。可计算的量包括明暗条纹间距的规律和亮斑（第一级暗斑）的半径。泊松亮斑圆孔衍射与泊松亮斑162024/3/23X射线衍射及其应用X射线是原子内层电子在高速运动中所发射的波长很短的电磁波，其波长约为（20～0.06）×10^-8厘米之间。这个波长与晶体内部原子面之间的间距相近，晶体可以作为X射线的空间衍射光栅，即一束X射线照射到物体上时，受到物体中原子的散射作用，每个原子都产生散射波，这些波互相干涉，结果就产生衍射。衍射波叠加的结果使射线的强度在某些方向上加强，在其他方向上减弱。分析衍射结果，便可获得晶体结构。X射线衍射X射线衍射技术已经成为最基本、最重要的一种结构测试手段，其主要应用主要有：物相分析、结晶度的测定、精密测定点阵参数、宏观应力的测定、晶粒尺寸和点阵畸变的测定、单晶取向和多晶织构的测定等。X射线衍射的应用172024/3/23偏振光原理及应用04182024/3/23马吕斯定律描述线偏振光通过偏振器后的光强变化，定律表达式为I=I0cos2θ，其中I0为入射光强，θ为偏振器透振方向与入射光偏振方向的夹角。布儒斯特角当自然光以某一特定角度（布儒斯特角）入射到两种透明介质的分界面时，反射光为完全偏振光，折射光为部分偏振光。此时反射光和折射光的传播方向互相垂直。马吕斯定律与布儒斯特角192024/3/23可通过反射、折射、双折射和选择性吸收等方法获得偏振光。例如，利用玻璃片堆或晶体片堆的起偏作用，可获得线偏振光。偏振光的产生使用偏振器来检测偏振光。当偏振器透振方向与入射光偏振方向一致时，光强最大；当两者垂直时，光强最小。通过旋转偏振器并观察透射光强的变化，可判断入射光是否为偏振光以及确定其偏振方向。偏振光的检测偏振光的产生与检测202024/3/23双折射现象在晶体中，由于晶格结构导致各向异性，使得光线在晶体中传播时发生双折射现象，即一条入射光线在晶体内部被分解为两条折射光线。这两条折射光线分别遵循不同的折射率，形成两个不同的光程。晶体光学性质晶体的光学性质与其内部结构密切相关。不同类型的晶体具有不同的光学性质，如单轴晶体和双轴晶体等。这些性质决定了偏振光在晶体中的传播方式和特性。偏振光在晶体中的传播212024/3/23液晶显示器（LCD）LCD利用偏振光和液晶分子的旋光性来实现图像的显示。通过控制液晶分子的排列方式，可以改变透射光的偏振状态，从而实现像素点的明暗变化。光学仪器在光学仪器中，如显微镜、望远镜等，利用偏振光可以减少或消除反射光的干扰，提高成像质量。同时，偏振光还可以用于测量光学表面的反射相移等新原理技术。摄影技术在拍摄过程中使用偏振滤镜可以消除或减少非金属表面的反射光，从而改善照片的色彩和对比度。此外，在拍摄风光或水下摄影时，使用偏振滤镜还可以增强蓝天的色彩和清晰度。科学研究在物理、化学等科学研究中，偏振光被广泛应用于各种实验和测量中。例如，利用偏振光的干涉和衍射现象研究物质的结构和性质；利用圆二色性光谱研究生物大分子的结构和功能等。01020304偏振光的应用举例222024/3/23波动光学综合应用05232024/3/23通过双缝干涉实验可以了解光波的干涉现象，进一步探究光的波动性。双缝干涉实验衍射光栅是一种具有周期性结构的光学元件，能够使光波发生衍射和干涉，广泛应用于光谱分析、光学测量等领域。衍射光栅薄膜干涉是利用薄膜的反射和透射光波干涉形成的现象，可用于测量薄膜的厚度和折射率。薄膜干涉干涉与衍射的综合应用242024/3/23033D显示3D显示技术利用偏振光的分离和合成原理，使左右眼分别看到不同的图像，从而产生立体视觉。01液晶显示液晶显示技术利用偏振光的旋转来控制像素的亮度，实现图像显示。02OLED显示OLED显示技术通过控制有机发光材料的发光状态来产生偏振光，实现高对比度和广视角的图像显示。偏振光在显示技术中的应用252024/3/23123非线性光学研究光与物质相互作用时产生的非线性现象，如二次谐波、和频、差频等。非线性光学现象非线性光学材料具有特殊的非线性光学性质，如非线性折射率、非线性吸收等，是实现非线性光学现象的关键。非线性光学材料非线性光学在激光技术、光通信、光信息处理等领域有广泛应用，如光开关、光限幅器、全光网络等。非线性光学应用非线性光学简介26