《光学基础简介》 第四讲 光的波动性质

光学基础和光学测量 第三部分光的波动性质

光学基础和光学测量 第三部分 光的波动性质

主要内容 1光是电磁波 光源光波的叠加 3获得相干光的方法杨氏双缝实验 4光程与光程差 5薄膜干涉 6迈克耳孙干涉仪 7惠更斯菲涅耳原理 8单缝的夫琅禾费衍射 9衍射光栅及光栅光谱 10线偏振光自然光 1偏振片的起偏和检偏马吕斯定律 12反射和折射产生的偏振布儒斯特定律 13双折射现象

主要内容 1 光是电磁波 2 光源 光波的叠加 3 获得相干光的方法 杨氏双缝实验 4 光程与光程差 5 薄膜干涉 6 迈克耳孙干涉仪 7 惠更斯-菲涅耳原理 9 衍射光栅及光栅光谱 10 线偏振光 自然光 11 偏振片的起偏和检偏 马吕斯定律 12 反射和折射产生的偏振 布儒斯特定律 13 双折射现象 8 单缝的夫琅禾费衍射

1光是电磁波 11电磁波 1.电磁波的波源 凡做加速运动的电荷都是电磁波的波源 例如:天线中的振荡电流分子或原子中电荷的振动 2.电磁波是电场强度E与磁场强度的矢量波 E= EocoSO(t-) H=HoCOSO( 平面简谐电磁波的性质 (1)E和厅传播速度相同、 相位相同 (2)电磁波是横浪E×∥矿 H

1.1 电磁波 1 光是电磁波 1. 电磁波的波源 凡做加速运动的电荷都是电磁波的波源 例如：天线中的振荡电流 分子或原子中电荷的振动 2. 电磁波是电场强度 与磁场强度 的矢量波 u  E  H  ⚫平面简谐电磁波的性质 (1) (2) 电磁波是横波 E  H  和 传播速度相同、 相位相同 E H // u     O x y z cos ( ) 0 u r E = E  t −   cos ( ) 0 u r H = H  t −   E  H 

(3)量值关系 EE=√H (4)波速 真空中c 2.9979×108m Eu (5)电磁波具有波的共性—在介质分界面处有反射和折射 Eu 折射率n lV604 1 ≈、E 3.电磁波的能量 电磁波的能量密度w=EE2+H

(3) 量值关系 E = H (4) 波速  1 u = 8 1 0 0 2 9979 10 m s 1 − c = = .     (5) 电磁波具有波的共性 ——在介质分界面处有反射和折射 u c n = 00   = rr =  r   2 2 1 w =  E 3. 电磁波的能量 真空中 折射率 2 2 1 电磁波的能量密度 +  H

能流密度§(坡印亭矢量) dA·tdt·w dA·dt EE=√H dA (EE2+H2) EH ldt 坡印亭矢量 S=ExH 波的强度Ⅰ=s1c"sdt TJ EoHocoso(t-) dt =l e 口结论:正比于E2或H2,通常用其相对强度=E表示

能流密度 uw A t A u t w S =    = d d d d    1 ) 2 1 ( 2 1 2 2 = E + H E = H = EH S E H    =  波的强度 I  + = = = t T t S t T I S S d 1  + = − t T t t u r E H t T cos ( )d 1 2 0 0  2 0 2 1 E   = 结论：I 正比于 E0 2 或 H0 2 , 通常用其相对强度 2 0 2 1 I = E 坡印亭矢量 表示 S （坡印亭矢量）  udt u  S  dA

12光是电磁波 可见光七彩颜色的波长和频率范围 光色波长(m) 频率(Hz) 中心波长(mm) 红760-6223.9×104~4.8×1014 660 橙622-5974.8×104~5.0×1014 610 黄59757750×1014~5.4×104 570 绿5774925.4×104~6.1×10 540 青492-47061×1014~64×10 14 480 兰470~4556.4×104~6.6×1014 460 紫455~4006.6×1014~7.5×10 430 口说明:E称为光矢量

1.2 光是电磁波 光色 波长(nm) 频率(Hz) 中心波长 (nm) 红 760~622 660 橙 622~597 610 黄 597~577 570 绿 577~492 540 青 492~470 480 兰 470~455 460 紫 455~400 430 14 14 3.910 ~ 4.810 14 14 4.810 ~ 5.010 14 14 5.010 ~ 5.410 14 14 5.410 ~ 6.110 14 14 6.110 ~ 6.410 14 14 6.410 ~ 6.610 14 14 6.610 ~ 7.510 可见光七彩颜色的波长和频率范围 说明： E  称为光矢量

2光源光波的叠加 21光源 (1)热辐射 自 (5)同步辐射光源受 (2)电致发光发 (6)激光光源 辐 (3)光致发光射 激辐射 (4)化学发光 自发辐射2 浪列 能级跃迁 v=(E2-E1)/h E1 波列长L=τc

2 光源 光波的叠加 2.1 光源 (1) 热辐射 (2) 电致发光 (3) 光致发光 (4) 化学发光 能级跃迁 波列 波列长 L =  c 自 发 辐 射 (5) 同步辐射光源 (6) 激光光源 受 激 辐 射 自发辐射 E2 E1  = (E2 − E1 )/ h

非相干(不同原子发的光 非相干同一原子先后发的光) 光波列长度与其单色性关系由傅立叶分析可知L △久 △久 2+42 光波单色性

非相干(不同原子发的光) 非相干(同一原子先后发的光) 光波列长度与其单色性关系 由傅立叶分析可知    = 2 L   2    − 2    + 0 I 2 0 I  I O 光波单色性 .

22光波的叠加 E=Locos(at+u) P E=E+E Enochs( at +p E=E coS(ot +o) 在观测时间,P点的平均强度为 E3-=LEO+E20+2E0 E2ocos(P2-)dt E+E2+2E,E+ cOS (02-91)dt 对于两个普通光源或普通光源的不同部分 cos(2-91)dr=0

2.2 光波的叠加 cos( ) 1 = 10  +1 E E t   cos( ) 2 = 20  +2 E E t   E E1 E2    = + cos( ) E = E0 t +     = + + −     0 10 20 2 1 2 20 2 10 2 0 [ 2 cos( )]d 1 I E E E E E t  = + + + −     0 10 20 2 1 2 20 2 10 cos( )d 1 E E 2E E t cos( )d 0 0 2 − 1 =     t 对于两个普通光源或普通光源的不同部分 2 20 2 10 2 E0 = E + E · P 1 2 r1 r2 · · 在观测时间τ内，P点的平均强度为

口讨论 (1)非相干叠加 p=1+12 (2)相干叠加 对于频率相同;相位差恒定;光矢量振动方向相同的 两束光的叠加 E2=E+E20+2E10E2Cos(2-91) I=1+1,+2、1I2cos(q2-0)干涉项 ●相长干涉(明)△=±2k兀,k=0,1,2,3 I=lm=1+l2+2、12 如果1=12=l =4

1 2 I I I P = + 讨论 (1) 非相干叠加 (2) 相干叠加 对于频率相同； 相位差恒定；光矢量振动方向相同的 两束光的叠加 2 cos( ) 10 20 2 1 2 20 2 10 2 E0 = E + E + E E  − 2 cos( ) = 1 + 2 + 1 2 2 −1 I I I I I 干涉项 ⚫相长干涉(明)  = 2kπ , max 1 2 2 1 2 I = I = I + I + I I 1 2 0 I = I = I 0 I = 4I k = 0,1,2,3... 如果