【引子1】何謂虹霓？霓虹1【引子2】激光監控抽絲粗細2【引子3】3D電影3大學物理學

CollegePhysics波動光學

WaveOptics波動光學光的干涉光的衍射光的偏振光具有波動性光的橫波性光為電磁波平面電磁波方程

真空中的光速光強5教學內容（4時）【§11.1、§11.2、§11.3

】理解相干光的條件及獲得相干光的方法。理解光程的概念。掌握分波面干涉。掌握分振幅干涉。了解邁克耳孫干涉儀的工作原理。6【A5.6】光源光的相干性1）光源(Lightsource)：發射光波的物體7原子能級及發光躍遷基態激發態躍遷自發輻射【A5.6】光源光的相干性2）普通光源(Lightsource)的發光機制：隨機自發輻射。同位置不同時間同時不同位置非相干光8

LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation，Laser。（受激輻射的光放大，激光）..。發光前發光后受激輻射的光放大示意圖受激輻射躍遷所產生的受激輻射光，與入射光具有相同的頻率、相位、傳播方向和偏振方向，是相干光。【A5.6】光源光的相干性3）激光發光機制－受激輻射9【A5.6例】He-Ne激光器原理圖He-Ne

激光器原理圖He-Ne

激光器中He是輔助物質，Ne是激活物質，He與Ne之比為5∶1

10∶1，波長632.8nm。10【A5.6比較】LightEmittingDiode，LEDLED發光原理圖11【A5.6】光源光的相干性相干條件1）頻率相同2）振動方向一致3）相位差恒定光波干涉？聲波干涉水波干涉12【A5.6】光源光的相干性4）相干光(coherentlight)的獲得普通光源或激光光源同時同位置發光相干任意時間任意位置發光相干132)光程差*P*相位差物理意義：光程就是光在介質中通過的幾何路程，等效折合（傳播時間相同或相位改變相同）到真空中的路程。1)光程:介質折射率與光的幾何路程之積【A5.7】光程(opticalpath)與光程差14【A5.7】光程與光程差ABAB焦平面3）薄透鏡引入光路中會引起附加光程差嗎？薄透鏡等光程性！15【A5.8】分波面干涉——楊氏干涉

pr1

r2

xxDod·實驗裝置以中央明紋(x=0)為對稱軸、明暗相間、等寬度干涉條紋光程差16【A5.8】分波面干涉——楊氏干涉加強減弱2)明暗條紋在屏上的位置暗紋明紋1)加強和減弱的條件17【A5.8】分波面干涉——楊氏干涉K

的意義：干涉級次。3)明紋(暗紋)寬度等寬度等間距暗紋明紋k=0k=1k=-1k=2k=-2k=0k=0k=1k=-1ΔxΔx明條紋寬度明條紋級數暗條紋級數暗條紋寬度18P【A5.8擴展】雙鏡19PML暗紋，半波損失【A5.8擴展】勞埃德鏡20【A5.8擴展】半波損失光從光疏介質射到光密介質表面反射時，反射光損失

，即半波損失。光疏介質，折射率較小的介質；光密介質，折射率較大的介質。折射光無半波損失。21

以單色光照射到相距為0.2mm的雙縫上,雙縫與屏幕的垂直距離為1m。

(1)從第一級明紋到同側的第四級明紋的距離為7.5mm,求單色光的波長;(2)若入射光的波長為600nm,求相鄰兩明紋間的距離.解（1）（2）【A5.8例】光的干涉22【A5.9】分振幅干涉23根據具體情況而定【A5.9.1】薄膜干涉(filminterference)PLDC34E5A1B2反射光3與2光程差反射光光程差折射光光程差241）薄膜干涉時，光程差僅僅與入射角、薄膜厚度和介質折射率有關。2）透射光和反射光干涉具有互補性，符合能量守恒定律。d當光線垂直入射時利用薄膜干涉可以提高光學器件的透射率或反射率。【A5.9.1總結】薄膜干涉25最小厚度取此時透射光光程差滿足加強條件，氟化鎂為增透膜例2：為了增加透射率,求氟化鎂膜（MgF2）的最小厚度.已知空氣,氟化鎂,解：反射減弱23玻璃【A5.9.1例2】薄膜干涉應用光程差26SM明紋暗紋【A5.9.2】等厚干涉——劈尖干涉厚度相同的位置干涉條紋一致，等厚干涉。明紋暗紋273）條紋間距b（明紋或暗紋）2）相鄰明紋(暗紋)間的高度差劈尖干涉1）劈尖處為暗紋。【A5.9.2討論】劈尖明紋暗紋28【A5.9.2討論】劈尖干涉轉動與平移29

例3

有一玻璃劈尖,放在空氣中,劈尖夾角,用波長的單色光垂直入射時,測得干涉條紋的寬度,求玻璃的折射率。解【A5.9.2例3】劈尖干涉301）干涉膨脹儀空氣2）測細絲的直徑【A5.9.2應用】劈尖干涉31由一塊平板玻璃和一平凸透鏡組成光程差明紋暗紋【A5.9.3】等厚干涉——牛頓環32Rrd【A5.9.3】等厚干涉——牛頓環暗環半徑明環半徑光程差33

測量透鏡曲率半徑或波長【A5.9.3應用】牛頓環例：用氦氖激光器發出的波長為632.8nm的單色光做牛頓環實驗，測得第個k暗環的半徑為5.63mm,第k+5暗環的半徑為7.96mm，求平凸透鏡的曲率半徑R？34【A5.9.3應用】牛頓環實驗中，如果用弦長取代牛頓環直徑是否可以？結論：可以！35等傾干涉的光源必須是擴展光源，并在焦平面上觀察。i同一入射面內所有相同入射角的入射光線不同入射面內所有相同入射角的入射光線反射光會聚于同一點反射光會聚于同一圓環【A5.9.3補充】等傾干涉36【A5.10】邁克耳遜干涉儀MichelsonInterferometer37單色光源反射鏡反射鏡與成角補償板

分光板移動導軌【A5.10】邁克耳遜干涉儀邁克耳遜干涉儀示意圖38【A5.10】邁克耳遜干涉儀當垂直于時,等傾干涉條紋.當不垂直于時,等厚干涉條紋.等傾干涉條紋等厚干涉條紋39反射鏡移動距離干涉條紋移動數目相鄰明紋(暗紋)【A5.10應用】邁克爾遜干涉儀40【物理學家】Michelson

邁克耳遜（1852-1931），德國-美國物理學家，實驗物理學家。因其在光學精密儀器、光譜學與計量學研究所作的貢獻于1907年獲諾貝爾物理學獎。

1883年，邁克耳遜和莫雷合作，為研究“以太”漂移實驗而設計制造出來的精密光學儀器——邁克耳遜干涉儀）。實驗結果否定了以太的存在，并為愛因斯坦發現相對論提供了實驗依據。41干涉小結分振幅干涉分波面干涉干涉楊氏雙縫干涉薄膜干涉等厚干涉等傾干涉劈尖干涉牛頓環干涉邁克耳孫干涉儀獲得相干光方法42【B5.11】光的時間相干性和空間相干性時間相干性空間相干性把光通過相干長度所需的時間稱為相干時間。時間相干性由光源的性質決定。波列長度就是縱向相干長度。橫向空間相干性（相干面積），某時刻在與光傳播方向垂直的平面上使任意兩點光場有相干性的最大空間面積。43【引子】光的衍射現象(Diffractionoflight)繞到障礙物后面,光強分布不均勻。44教學內容（2時）【§11.4、§11.5

】了解惠更斯—菲涅爾原理掌握單縫夫瑯禾費衍射掌握光柵衍射掌握圓孔夫瑯禾費衍射45：波陣面上面元(子波波源)

菲涅耳指出：

點振動是各子波在此產生的振動的疊加,振動振幅,并與有關。

：時刻波陣面

*【A5.12】惠更斯—菲涅耳原理惠更斯—菲涅耳原理:惠更斯：子波概念菲涅耳：子波相干惠更斯認為：共同解釋干涉與衍射現象46夫瑯禾費衍射光源、屏與縫相距都無限遠縫在實驗中實現夫瑯禾費衍射菲涅爾衍射縫光源、屏與縫相距有限遠【A5.13.1】衍射分類(是否為平行光)47圓孔衍射單縫衍射**【A5.13.2】衍射分類(障礙物形狀)48單縫夫瑯禾費衍射衍射角（衍射角：向上為正，向下為負。）【A5.13.3】單縫夫瑯禾費衍射最大光程差49暗紋明紋【A5.13.3】單縫夫瑯禾費衍射菲涅爾半波帶法50介于明暗之間減弱（暗紋）加強（明紋）中央明條紋【A5.13.3】單縫夫瑯禾費衍射51【A5.13.3討論1】條紋寬度（1）明紋(暗紋)寬度一般明紋(暗紋)寬度中央明紋寬度（明紋）（暗紋）中央明紋521條縫20條縫3條縫5條縫狹縫條數越多，明紋越細銳明亮。【A5.14.1】多縫衍射圖像？53衍射角【A5.14.2】光柵衍射（gratingdiffraction）衍射圖許多等寬度、等距離的平行狹縫組成的光學系統為光柵。54分析相鄰兩縫間的光程差：光柵常數：衍射角透光部分不透光部分【A5.14.2】光柵衍射條紋最高級數光柵方程(gratingequation)55明紋間距(暗條紋寬度)入射光波長越大,明紋間相隔越大。【A5.14.2討論1】條紋間距的影響因素光柵常數越小,明紋間相隔越大。光柵方程56當單縫衍射減弱，光柵衍射加強處產生缺級現象。【A5.14.2討論2】缺級問題缺級應滿足

缺極單縫光柵例5：用波長為589.3nm的平行鈉黃光垂直照射光柵，已知光柵上每毫米中有500條刻痕，且刻痕的寬度與其間距相等。問最多能觀察到幾條亮條紋？光柵的衍射條紋是衍射和干涉的總效果。57解:由題意知由于光屏是無限大，最大衍射角應在

/2到+

/2之間

由光柵方程解得k=

3.4取整數則為

3但當

時缺級，譜線消失【A5.14.2例5】衍射缺級屏上出現的k值為0、

1、

2和

3七條譜線。

在屏上的譜線只有5條，其k值分別為0,

1和

3。

當

=

1時，k=

2，也就是第二級譜線消失了。58【A5.14.2補充】光柵（分光器件）類型59入射光為白光時，不同，不同，按波長分開形成光譜。一級光譜二級光譜三級光譜【A5.14.2討論3】光柵光譜60艾里斑為艾里斑直徑【A5.15.1】圓孔夫瑯禾費衍射半角寬度通光孔徑61**最小分辨角光學儀器分辨率光學儀器的通光孔徑【A5.15.2】光學儀器的分辨本領

對于兩個強度相等的不相干的點光源,兩個艾里斑中心的距離等于每個艾里斑的半徑，這時兩個點光源（或物點）恰為這一光學儀器所分辨，稱為瑞利判據。62

例6

設人眼在正常照度下的瞳孔直徑約為3mm，而在可見光中，人眼最敏感的波長為550nm，問

（1）人眼的最小分辨角有多大？（2）若物體放在距人眼25cm（明視距離）處，則兩物點間距為多大時才能被分辨？解（1）（2）【A5.15.2例6】圓孔衍射應用631990年發射的哈勃太空望遠鏡的凹面物鏡的直徑為2.4m，最小分辨角，在大氣層外615km

高空繞地運行,可觀察130億光年遠的太空深處,發現了500億個星系。【A5.15.2擴展1】哈勃太空望遠鏡64【A5.15.2擴展2】“世界上最復雜射電望遠鏡”阿塔卡馬大型是12米直徑毫米/亞毫米陣列望遠鏡于2011年9月30日正式觀測運行。其精度是哈勃太空望遠鏡的500倍，是人眼的60萬倍。它所達到的分辨率相當讓一個人站在紐約看洛杉磯的報紙。65【擴展2】“世界上最復雜射電望遠鏡”最新拍攝的宇宙圖像，距離地球7000萬光年之遙的一對碰撞螺旋星系。66【擴展2】中國架全球最大口徑射電望遠鏡全球最大單口徑射電望遠鏡“FAST”工程，500米口徑的射電望遠鏡67【B5.16】X射線衍射(crystaldiffraction)1895年，德國物理學家倫琴在做陰極射線實驗時發現了X射線。電子在陰極K和陽極A之間受到幾萬至幾十萬伏高壓的加速，撞擊陽極，產生X射線。本質上，原子內殼層電子躍遷產生的一種輻射和高速電子在靶上驟然減速時伴隨的輻射，稱為X射線。X射線特點：在電磁場中不發生偏轉；使某些物質發熒光，使氣體電離，底片感光具有極強的穿透力。波長較短的電磁波，范圍在10-11m-10-8m68【B5.16】X射線衍射X射線晶體衍射1912年德國物理學家勞厄的實驗裝置69【B5.16】X射線衍射70伽伯(DennisGabor1900-1979)全息照相原理在1948年就由匈牙利物理學家伽伯(DennisGabor1900-1979)提出（伽伯因此于1971年榮獲諾貝爾物理學獎60年代初期激光問世后，全息照相技術得到了迅速發展、廣泛應用。【B5.17】全息照相(holography)71【B5.17】全息照相普通照片全息照片只記錄物體所發光波的振幅以干涉、衍射為基礎的無透鏡攝影，記錄物體所發光波的振幅和位相（全部光信息）72記錄物體上各點發出的光波的頻率、振幅、位相物光和參考光在感光膠片處相干疊加、感光。一、全息照片的拍攝激光器反射鏡分光鏡反射鏡感光膠片振幅不同使條紋變黑程度不同，相位不同則使條紋的密度、形狀各異。【B5.17】全息照相底片上的干涉條紋間距及條紋走向反映了物體上各發光點的位置差別。73用拍攝照片時所用的同一波長的照明光沿原參考方向照射底片，在照片背面向照片看就可看到物體。底片上各處透射率不同（相當于衍射屏），照明光透射后發生衍射，衍射光波再現物光波。照明光二、全息照片的觀察【B5.17】全息照相74【B5.17】全息照相全息顯微鏡用短脈沖激光在一張底片上記錄粒子的運動。再現粒子的運動狀態及瞬時分布。全息信息儲存拍攝全息照片，改變參考光束方向，可將不同物體攝在同一張底片上。全息干涉計量兩次曝光或連續曝光，可記錄物體的微小、高速運動。再現時得到多個相互交疊而略有差異的物體光波的像。三、全息技術的應用75【A5.18】光的偏振Polarization偏振鏡頭拍攝76【A5.18應用】偏振光應用機械工業：利用偏振光的干涉分析機件內部的應力分布——光測彈性力學；化工、制藥：利用振動面的旋轉（旋光效應），測量溶液濃度；地質、生物、醫學：廣泛使用偏振光干涉儀、偏振光顯微鏡；航海、航空：使用偏振光天文羅盤；立體電影拍攝與放映。（如：阿凡達Avatar）77教學內容(2時)【§11.6】了解光的偏振特性了解偏振光的獲得掌握馬呂斯定律掌握布儒斯特定律

78

自然光：一般光源發出的光中，光矢量在所有可能方向上的振幅都相等（軸對稱）這樣的光叫自然光。

自然光可用兩相互且獨立的振幅相等的光振動表示,各具有一半的振動能量。符號表示注意各光矢量間無固定的相位關系。

二互相垂直方向是任選的。【A5.18.1】光的偏振狀態光的偏振態有：自然光、完全偏振光、部分偏振光、橢圓偏振光和圓偏振光。79

符號表示

部分偏振光：某一方向的光振動比與之垂直方向上的光振動占優勢的光為部分偏振光。符號表示光振動只沿某一固定方向的光，叫完全偏振光。（平面偏振光、線偏振光）振動面【A5.18.1】光的偏振狀態80【A5.18.1】光的偏振狀態橢圓偏振光：在傳播過程中，光矢量圍繞傳播方向旋轉，其末端在垂直于傳播方向的平面上的投影是橢圓。圓偏振光：光矢量末端在垂直于傳播方向的平面上的投影是圓。右旋橢圓(圓)偏振光:迎(逆)著光前進的方向看時,光矢量順時針旋轉。左旋橢圓(圓)偏振光:迎(逆)著光前進的方向看時,光矢量逆時針旋轉。右旋圓偏振光左旋橢圓偏振光81【A5.18.2】獲得偏振光方法二向色性晶體（即偏振片）（重點）界面反射與折射（重點）雙折射現象：波(晶)片，即相位延遲片(了解)82

起偏

二向色性:某些物質能吸收某一方向的光振動,而只讓與這個方向垂直的光振動通過,這種性質稱二向色性。偏振片:涂有二向色性材料的透明薄片。

偏振化方向:當自然光照射在偏振片上時，它只讓某一特定方向的光通過，這個方向叫此偏振片的偏振化方向。偏振化方向起偏器【A5.18.3】偏振片起偏與檢偏83檢偏器

檢偏起偏器【A5.18.3】偏振片起偏與檢偏84【附注】起偏與檢偏動畫演示85

如何利用一塊檢偏器與一塊四分之一波片，鑒別直線偏振光、圓偏振光、部分圓偏振光以及自然光、橢圓偏振光與部分橢圓偏振光、部分直線偏振光？1、直線偏振光的鑒別轉動檢偏鏡，光強隨之改變。如果最弱時完全看不到光，再轉過90度，光強就最大，可確定為直線偏振光。【附注】偏振光的鑒別862、分辨圓偏振光、部分圓偏振光與自然光轉動檢偏鏡，若透射光強度始終不變，入射光就是自然光或圓偏振光，或由自然光與圓偏振光混合而成的部分圓偏振光。（1）若是圓偏振光，那么通過四分之一波片后，便成為直線偏振光。要分辨這三種光，就應在光射達檢偏鏡前，使它先通過四分之一波片。【附注】偏振光的鑒別87（3）若光是自然光，（2）若為部分圓偏振光，則通過四分之一波片后，就變成直線偏振光與自然光混合而成的部分直線偏振光。這時轉動檢偏鏡可發現，當檢偏鏡在某一方位時，光特別亮，處于其他方位時都較暗，但卻不等于零。則經過四分之一波片后，就不會變成直線偏振光，也不會變成部分偏振光，仍為自然光。即轉動檢偏鏡時，所見的光強度始終不變。

【附注】偏振光的鑒別883、分辨橢圓偏振光與部分橢圓偏振光、部分直線偏振光在轉動檢偏鏡時，均可發現光線有時亮、有時暗，即使在最暗時，透過光強也都不完全減弱到零。為區別這三種光，可將一個四分之一波片插入待檢驗的偏振光與檢偏鏡之間，并先使四分之一波片的光軸取向跟單獨用檢偏鏡時看到最亮時的光振動方向一致。【附注】偏振光的鑒別89（1）若是橢圓偏振光，在通過四分之一波片后，它便將變成直線偏振光，因此可用檢偏鏡直接檢驗出來（有兩個消光位置）。（2）若是部分橢圓偏振光，（3）若是部分直線偏振光，則通過四分之一波片后，將會變成部分直線偏振光。在轉動檢偏器時，在某一方位，光特別亮，處于其他方位時都較暗，但卻不等于零。將四分之一波片轉過45度后，它應變成部分圓偏振光，檢偏器轉動時光強不變。【附注】偏振光的鑒別90NM檢偏器起偏器NM馬呂斯定律強度為的偏振光通過檢偏振片后,出射光的強度為入射光的。【A5.18.3】馬呂斯定律(Malus,1808年)91例7：有兩個偏振片,一個用作起偏器,一個用作檢偏器.當它們偏振化方向間的夾角為時,一束單色自然光穿過它們,出射光強為;當它們偏振化方向間的夾角為時,另一束單色自然光穿過它們,出射光強為,且。求兩束單色自然光的強度之比。解

設兩束單色自然光的強度分別為和.經過起偏器后光強分別為和。經過檢偏器后【A5.18.3例】馬呂斯定律應用92

例8：一束光是自然光和線偏振光的混合。當它通過一偏振片后，測得最大透射光強是最小透射光強的5倍，求入射光中自然光和線偏振光的光強之比。

解設入射光中自然光的光強為I1，線偏振光的光強為I2，則透射光強即入射光中自然光和線偏振光的光強之比為1:2。【A5.18.3例】馬呂斯定律應用93空氣

反射光垂直于入射面振動大于平行于入射面振動。

折射光平行于入射面振動大于垂直于入射面振動。玻璃【A5.19】布儒斯特定律(Brewster,1812年)入射面

反射光和折射光都是部分偏振光。偏振度完全偏振光(線、圓、橢圓)P=1自然光(非偏振光)P=0部分偏振光0<P<1理論和實驗表面：反射光的偏振化程度與入射角有關。94不管