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大学物理课件波动光学

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目录

引言

光的干涉

光的衍射

光的偏振

光的双折射现象

现代光学技术简介

01

引言

光是一种电磁波，具有波动性质，如干涉、衍射等现象。

光的波动性

光的传播方式

光的偏振现象

光在空间中以波动形式传播，其传播方向与传播速度遵循波动规律。

光波在一定条件下可以表现出偏振现象，即光波振动方向受到限制。

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01

波动光学主要研究光的干涉、衍射、偏振等波动现象及其规律。

研究对象

波动光学采用实验观测与理论分析相结合的方法，通过精密实验测量光波的各种参数，并运用波动理论进行分析和解释。

研究方法

光学仪器

光通信

光学材料

其他领域

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波动光学在光学仪器的设计和制造中发挥着重要作用，如干涉仪、衍射光栅等。

波动光学为光通信技术的发展提供了理论基础和技术支持，如光纤通信、量子通信等。

波动光学对光学材料的性质和应用有重要影响，如光学晶体、光学薄膜等。

波动光学还在生物医学、环境监测、军事技术等领域发挥着重要作用。

02

光的干涉

两束或多束光波在空间某些区域相遇时，相互作用产生加强或减弱的现象。

干涉现象

两束光波的频率相同、振动方向相同、相位差恒定。

产生条件

干涉产生的光强分布呈现明暗相间的条纹。

干涉图样

包括光源、双缝、屏幕等部分。

将光源发出的光波分为两束相干光波。

明暗相间的直条纹，条纹间距与双缝间距、光波波长和屏幕距离有关。

验证了光的波动性，为波动光学的发展奠定了基础。

实验装置

双缝的作用

干涉图样的特点

实验意义

仪器构造

工作原理

干涉图样的特点

应用领域

包括分光镜、补偿镜、反射镜和观察屏等部分。

呈现明暗相间的圆形条纹，条纹的形状和位置与反射镜的位置和角度有关。

通过调节反射镜的位置和角度，使两束光波在观察屏上产生干涉现象。

测量光波的波长、检测光学元件的表面质量等。

03

光的衍射

光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，光将偏离直线传播的途径而绕到障碍物后面传播的现象，叫光的衍射。

衍射现象

障碍物或孔的尺寸可以跟光的波长相比，甚至比光的波长还要小。

产生条件

单缝衍射、圆孔衍射、圆板衍射及泊松亮斑。

主要类型

装置与现象

01

用单色光照射在宽度极小的单缝上，在缝后远处的屏幕上出现明暗相间的衍射条纹，中心条纹宽度最大，亮度最大，两侧为次级亮纹，亮度逐渐减小。

强度分布公式

02

描述了单缝衍射条纹的强度分布规律，中心为极大值，两侧有若干次级大值和小值。

应用

03

测量细丝直径、透镜焦距等。

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光学仪器能够分辨开两个靠近的点或线的能力。

分辨本领

当两个点或线的衍射图样的中心最暗处刚好重合时，这两个点或线刚好能被分辨开。

瑞利判据

光的波长、透镜的孔径大小、观察距离等。

影响因素

光栅方程

描述了衍射光栅的衍射角与波长之间的关系。

衍射光栅

由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件，可以使不同波长的光发生明显的衍射并产生干涉现象。

应用

光谱分析、波长测量、光通信等。

04

光的偏振

自然光

光源直接发出的光，其振动方向在垂直于传播方向的平面内均匀分布，各个方向的振动强度相同。

偏振光

只在一个特定方向上振动的光，其振动方向与传播方向构成的平面称为振动面。根据振动方向的不同，偏振光可分为线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。

通过起偏器将自然光转变为偏振光的实验。起偏器是一种只允许某一特定方向振动的光通过的光学器件。

通过检偏器检验入射光是否为偏振光的实验。检偏器也是一种只允许某一特定方向振动的光通过的光学器件，但其透振方向与起偏器不同。

检偏实验

起偏实验

马吕斯定律

描述了偏振光通过检偏器后光强与检偏器透振方向夹角的关系。定律指出，偏振光通过检偏器后的光强与入射光强和透振方向夹角的余弦值的平方成正比。

应用

马吕斯定律在光学仪器、光学测量和光学通信等领域有广泛应用。例如，在光学仪器中，可以利用马吕斯定律调整偏振光的振动方向，以获得更好的实验效果。

当光从一种介质射向另一种介质时，在分界面上会发生反射现象。反射光一般为部分偏振光，其振动方向垂直于入射面和分界面所构成的平面。

反射光的偏振

当光从一种介质射向另一种介质时，除了反射现象外，还会发生折射现象。折射光一般为部分偏振光，其振动方向平行于入射面和分界面所构成的平面。但是，当入射角满足一定条件时，折射光可以成为完全偏振光。

折射光的偏振

05

光的双折射现象

双折射现象定义

当光入射到某些各向异性的介质（如方解石、石英等晶体）中，会分解为两束光，沿不同方向传播的现象。

双折射产生原因

由于介质内部原子排列的特殊性质，使得光在介质中的传播速度和折射率随光的偏振状态和传播方向而变化。

03

晶体双折射的应用

利用晶体的双折射现象，可以制作各种光学器件，如偏振器、波片等。

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