波动-光学精选文档.ppt

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1、波动-光学本讲稿第一页，共二十二页yxOt1t2x=u(t2-t1)3.当当x和和t都变化时，都变化时，y(x，t)给出了给出了x轴上各个质点在不同轴上各个质点在不同 时刻的位移在空间的分布，即反映了波形的传播时刻的位移在空间的分布，即反映了波形的传播说明在说明在t时间内，时间内，t时刻的整个波形曲线将沿波线平移时刻的整个波形曲线将沿波线平移u t的距离的距离u本讲稿第二页，共二十二页疏疏密密疏疏密密 四四、半波损失半波损失(Half-wave Loss)：当波由波疏介质向波密介质垂直入射时，界面的当波由波疏介质向波密介质垂直入射时，界面的反射波不是入射波的反向延伸，而有反射波不是入射波的反向

2、延伸，而有 的相位突变，的相位突变，也就是半个波长的损失。也就是半个波长的损失。用用 u 表示介质对波的表示介质对波的疏密程度疏密程度,其中其中 是介质的是介质的密度密度,u 是波在介质中的传是波在介质中的传播速度。播速度。u 小表示波疏介质，小表示波疏介质，u 大表示波密介质。对于大表示波密介质。对于光波光波,折射率折射率 n 小的为光疏小的为光疏介质，介质，n 大的为光密介质。大的为光密介质。反射波有半波损失反射波有半波损失反射波无半波损失反射波无半波损失本讲稿第三页，共二十二页例例 波长为波长为的简谐平面波沿的简谐平面波沿 x 轴正向传播，已知轴正向传播，已知 x=/2处波引起质点的振动

3、函数为处波引起质点的振动函数为y=Acost，(1)求波函求波函数；数；(2)x=L(/2)处有反射面，处有反射面，1u1 2u2，反射波，反射波振幅为振幅为 A/，求反射波的波函数。，求反射波的波函数。/2xOxL1u12u2解：用滞后法解。已知某点振解：用滞后法解。已知某点振动，其下游点的振动相位都比动，其下游点的振动相位都比其落后。其落后。(1)(2)有半波损失，所以反射波有半波损失，所以反射波 波函数为波函数为本讲稿第四页，共二十二页五、驻波(Standing Wave)同一介质中两列频率、振动方向、振幅都相同的同一介质中两列频率、振动方向、振幅都相同的简谐波，在同一直线上沿相反方向传

4、播时形成驻波。简谐波，在同一直线上沿相反方向传播时形成驻波。相加得驻波表达式相加得驻波表达式x=0,y=2Acostx=/6,y=Acostx=/4,y=0 x=/3,y=Acost =Acos(t+)x=/2,y=2Acost=2Acos(t+)y2A2AOx波节波节4波腹波腹本讲稿第五页，共二十二页2.由驻波表达式由驻波表达式 得得波腹波腹波节波节所以相邻两波腹所以相邻两波腹(或相邻两波节或相邻两波节)之间的距离为之间的距离为/2。讨论讨论1.驻波振幅随驻波振幅随 x 周期性变化，同波腹内质元振动同相，周期性变化，同波腹内质元振动同相，相邻波腹内的质元反相。相邻波腹内的质元反相。3.驻波的

5、平均能流密度为零。驻波的平均能流密度为零。4.利用驻波可测波长：利用入射波和反射波叠加成驻利用驻波可测波长：利用入射波和反射波叠加成驻 波，相邻波腹波，相邻波腹(或波节或波节)距离为半个波长。距离为半个波长。本讲稿第六页，共二十二页xOxL5.设入射波波函数为设入射波波函数为则由波密介质向波疏介质入射的反射波波函数为则由波密介质向波疏介质入射的反射波波函数为驻波驻波两种情况反射面两种情况反射面 L 处分别为波腹和波节。处分别为波腹和波节。若由波疏介质向波密介质入射，反射波波函数为若由波疏介质向波密介质入射，反射波波函数为(半波损失半波损失)本讲稿第七页，共二十二页1、物体物体A质量质量m=1k

6、g，放在倾角，放在倾角 的光滑斜面上，的光滑斜面上，并用绳子跨过一轻质定滑轮与劲度系数并用绳子跨过一轻质定滑轮与劲度系数k=49N/m的轻质弹的轻质弹簧连接。如图，将物体由弹簧尚未变形的位置静止释放簧连接。如图，将物体由弹簧尚未变形的位置静止释放并开始计时，试写出物体并开始计时，试写出物体A的运动方程。的运动方程。OxkA2、一平面简谐波沿、一平面简谐波沿X轴正向传播，其振幅为轴正向传播，其振幅为A，频率为，频率为 ,波速为波速为u，设设t=t时刻的波形曲线如图所示，求：时刻的波形曲线如图所示，求：（1）x=0处质点的振动函数处质点的振动函数（2）该波的波动函数）该波的波动函数Oyxu本讲稿第

7、八页，共二十二页OPTICS本讲稿第九页，共二十二页量子光学量子光学：以光的量子理论为基础，：以光的量子理论为基础，研究光与物质相互作用的规律。研究光与物质相互作用的规律。光学光学通常分为以下三部分：通常分为以下三部分：几何光学几何光学：以光的直线传播规律为基础，：以光的直线传播规律为基础，主要研究各种成象光学仪器的理论。主要研究各种成象光学仪器的理论。波动光学波动光学：研究光的电磁性质和传播规律，：研究光的电磁性质和传播规律，特别是干涉特别是干涉,衍射衍射,偏振的理论和应用。偏振的理论和应用。限于本课教学要求，将只讲授波动光学限于本课教学要求，将只讲授波动光学本讲稿第十页，共二十二页6.1

8、光的发光机制光的发光机制 6.1.1 光源的发光机制光源的发光机制 相干光相干光 6.1.2 光程与光程差光程与光程差6.2 分波阵面干涉分波阵面干涉 6.2.1 杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉 6.2.2 劳埃德镜与半波损失的验证劳埃德镜与半波损失的验证6.3 分振幅干涉分振幅干涉 6.3.1 等倾干涉等倾干涉 6.3.2 等厚干涉等厚干涉 6.3.3 牛顿环牛顿环 6.3.4 迈克尔孙干涉仪迈克尔孙干涉仪(1)第六章第六章 波动光学波动光学(Wave Optics)本讲稿第十一页，共二十二页6.1 光源的发光机制光源的发光机制一、光源一、光源1.1.光源最基本的发光源最基本的发光单元是光单元是分

9、子、原子分子、原子 =(E2-E1)/h2.机制机制能级跃迁能级跃迁波列波列波列长波列长L=c（氢（氢原子）原子）基态基态激发态激发态0E(eV)-13.6-3.39-1.51-0.85-0.54n=1n=2n=3n=4n=53.特点：特点：原原子子或或分分子子发发光光是是间间歇歇的的，大大约约只只持持续续10-8s；发发出出的的光光是是具具有有有有限限长长度度、一一定定频频率率、一一定定振振动动方方向向，振振幅幅缓缓慢慢变变化化或或不不变变的的一一列光波列光波波列波列。本讲稿第十二页，共二十二页1).普通光源：自发辐射普通光源：自发辐射独立独立(不同原子发的光不同原子发的光)独立独立(同一原

10、子先后发的光同一原子先后发的光)同一原子先后发光是彼此独立的：同一原子先后发光是彼此独立的：同一时刻不同原子或分子发出的光同一时刻不同原子或分子发出的光(波波)是彼此独立无关的；是彼此独立无关的；2).激光光源：受激辐射激光光源：受激辐射 =(E2-E1)/hE1E2 相相干干光光,频频率率,位位相相,振振动动方方向向,传传播播方方向向完完全全一样。一样。把光源上同一发光点的光分成两部分后再叠加起来，把光源上同一发光点的光分成两部分后再叠加起来，是来自同一发光原子的同一次发光，成为相干光是来自同一发光原子的同一次发光，成为相干光非相干光：非相干光：频率频率,位相位相,振动方向均振动方向均不稳定

11、不稳定本讲稿第十三页，共二十二页二、光波是电磁波二、光波是电磁波1.光在真空中的速度光在真空中的速度2.电磁波是横波电磁波是横波4.电磁波频率与波长电磁波频率与波长3.引起人们视觉反应的是引起人们视觉反应的是 电场电场 的振动的振动光矢量光振动E播播传传方方向向r光矢量振幅介质：介质：本讲稿第十四页，共二十二页5.可见光的频率范围可见光的频率范围可见光的波长可见光的波长可见光的频率可见光的频率原子线度原子线度数量级数量级 7800 620059705770 4920 4700 45002900红外红外红红紫紫橙橙 黄黄绿绿青青蓝蓝紫外紫外Infrared RedOrangeYellowGree

12、nBlue VioletUltravioletBl.单色光：具有单一频率的光。单色光：具有单一频率的光。复色光：由各种频率的光复合而成的光。如白光。复色光：由各种频率的光复合而成的光。如白光。相对光强相对光强：光强光强：本讲稿第十五页，共二十二页三、光的相干性三、光的相干性问问题题：两两个个同同频频率率、光光矢矢量量振振动动方方向向相相同同的的普普通通光光源源发发出出的的单单色光在空间某点相遇。问：是否会产生干涉？色光在空间某点相遇。问：是否会产生干涉？=0两个独立普通光源是非相干光两个独立普通光源是非相干光 几几率率均均等等多多次次取取0到到 间间的一切可能值的一切可能值相干条件相干条件：两

13、个光源电场强度矢量的振动应是两个光源电场强度矢量的振动应是同频率、同频率、同振动方向、并在观察期内相位差固定不变。同振动方向、并在观察期内相位差固定不变。本讲稿第十六页，共二十二页 S2S1r1r2P n1n2Si定义：定义：光程光程光程差光程差真空中真空中n=1光程差光程差波程差波程差便于计算经过不同介便于计算经过不同介便于计算经过不同介便于计算经过不同介质时引起的相差质时引起的相差质时引起的相差质时引起的相差本讲稿第十七页，共二十二页光源初相差光程差产生的相位差a)b)c)加强加强加强加强减弱减弱减弱减弱合振幅合振幅P P亮亮亮亮明纹明纹P P暗暗暗暗暗纹暗纹明纹明纹暗纹暗纹.本讲稿第十八

14、页，共二十二页四、普通光源获得相干光的途径四、普通光源获得相干光的途径PS*分波阵面法分波阵面法分振幅法分振幅法P薄膜薄膜S S*1.获得相干光源的原理获得相干光源的原理光源上同一点发光源上同一点发出的光波列出的光波列分成两束分成两束相位差恒定相位差恒定频率相同频率相同振动方向相同振动方向相同2.获得相干光源的方法获得相干光源的方法分波阵面法分波阵面法分振幅法分振幅法从波阵面上分离出的初相位相同从波阵面上分离出的初相位相同的相干光源，使之产生干涉的相干光源，使之产生干涉利用入射光在薄膜界面的依次反利用入射光在薄膜界面的依次反射，将入光的振幅分解为若干部射，将入光的振幅分解为若干部分（能量分解）

15、经过不同的路径分（能量分解）经过不同的路径相遇相干相遇相干本讲稿第十九页，共二十二页6.1.2 6.1.2 光程与光程差光程与光程差一、引入光程的意义一、引入光程的意义 真空中：真空中：介质中：介质中：n n介质中波长介质中波长光程光程:L L=ndnd 真空中波长真空中波长光程是光的等效真空路程光程是光的等效真空路程dabn介质介质dab本讲稿第二十页，共二十二页n1n2nmd1d2dm 光程差光程差 例例 P P：相位差和光程差的关系：相位差和光程差的关系：光程光程S1S2r1r2dPn本讲稿第二十一页，共二十二页二、使用透镜不会产生附加光程差二、使用透镜不会产生附加光程差.FABCabccFF ABCab物象两点的等光程性物象两点的等光程性P P空气空气AOBA O nr2r3r1本讲稿第二十二页，共二十二页