光的波動(dòng)模型

光的波動(dòng)模型第1頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三波動(dòng)光學(xué)的建立1678年，Huygens提出光的波動(dòng)學(xué)說。1801年，T．Young在光通過雙孔的實(shí)驗(yàn)中，首次觀察到了光的干涉現(xiàn)象。1808年，Malus觀察到了光的偏振現(xiàn)象，說明光是橫波。1865年，Maxwell提出電磁波理論。后來證實(shí)光是電磁波。 光的電磁波模型第2頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.1定態(tài)光波及其描述一、波動(dòng)的特征波，振動(dòng)的傳播。振動(dòng)在空間的傳播形成物理量在空間的分布，形成波場(chǎng)。波動(dòng)的最基本特征是具有周期性第3頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三光波場(chǎng)具有時(shí)間和空間兩重周期性

波場(chǎng)中任一點(diǎn)：具有振動(dòng)的周期性，即時(shí)間周期性，用振動(dòng)的周期T描述。第4頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三任一時(shí)刻：波場(chǎng)具有空間分布的周期性，即物理量在空間作周期分布，用波長(zhǎng)λ描述。

第5頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三簡(jiǎn)諧波的數(shù)學(xué)描述最簡(jiǎn)單的是簡(jiǎn)諧波，其振動(dòng)可以用三角函數(shù)表示，在一維情況下，為表示沿X方向傳播的余弦波第6頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三 振動(dòng)取決于位相，所以振動(dòng)的傳播就是位相的傳播。2π時(shí)間內(nèi)的頻率，圓頻率（角頻率）2π長(zhǎng)度內(nèi)的頻率，角波數(shù)，波矢波的位相，與時(shí)間和空間相關(guān)第7頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、光波是電磁波（矢量波）

電場(chǎng)分量、磁場(chǎng)分量、波的傳播方向即波矢等物理量，都是矢量。傳播方向的單位矢量

電場(chǎng)分量的振幅、磁場(chǎng)分量的振幅、波長(zhǎng)、頻率等物理量是標(biāo)量

波矢第8頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三光速真空中的光速折射率

對(duì)于透光的介質(zhì)

故第9頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三能流密度，即坡印廷矢量

如光波做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，E0為簡(jiǎn)諧振動(dòng)的振幅，則光強(qiáng)

即在均勻介質(zhì)中，通常取坡印廷矢量表示的是能流密度的瞬時(shí)值，這一數(shù)值以光的頻率作周期性變化，光強(qiáng)是指能流密度的平均值。第10頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三光波長(zhǎng)的范圍紫外光

可見光

紅外光50nm------400nm-------760nm--------100μm對(duì)紅外光1μm------------10μm-----------100μm

近紅外

中紅外

遠(yuǎn)紅外

對(duì)紫外光(UV)，其波長(zhǎng)較短的部分由于只能在真空中傳播，被稱為真空紫外光（VUV）第11頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三．定態(tài)光波

1．定態(tài)光波

具有下述性質(zhì)的波場(chǎng)為定態(tài)波場(chǎng)（1）空間各點(diǎn)的擾動(dòng)是同頻率的簡(jiǎn)諧振動(dòng)。（2）波場(chǎng)中各點(diǎn)擾動(dòng)的振幅不隨時(shí)間變化，在空間形成一個(gè)穩(wěn)定的振幅分布。

第12頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三滿足上述要求的光波應(yīng)當(dāng)充滿全空間，是無限長(zhǎng)的單色波列。但當(dāng)波列的持續(xù)時(shí)間比其擾動(dòng)周期長(zhǎng)得多時(shí)，可將其當(dāng)作無限長(zhǎng)波列處理。任何復(fù)雜的非單色波都可以分解為一系列單色波的疊加。定態(tài)光波不一定是簡(jiǎn)諧波，其空間各點(diǎn)的振幅可以不同。第13頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第14頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2．定態(tài)光波的描述 電磁波都是矢量波，應(yīng)該用矢量表達(dá)式描述。但對(duì)符合上述條件的定態(tài)光波，通常用標(biāo)量表達(dá)式描述。

其實(shí)是在一個(gè)取定的平面內(nèi)描述定態(tài)光波的振動(dòng)第15頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三振幅的空間分布

位相的空間分布

均與時(shí)間t無關(guān)

定態(tài)光波（光場(chǎng)）的標(biāo)量表達(dá)式第16頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3．定態(tài)光波按波面分類

波面：波場(chǎng)空間中位相相同的曲面構(gòu)成光波的等位相面，即波面或波陣面?？筛鶕?jù)波面的形狀將光波分類。

位相相同的空間點(diǎn)應(yīng)滿足下述方程（相同時(shí)刻）場(chǎng)點(diǎn)第17頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（1）平面波：波面是平面

（a）振幅為常數(shù)（b）空間位相為直角坐標(biāo)的線性函數(shù)

滿足上式的點(diǎn)構(gòu)成與波矢垂直的一系列平面

波面第18頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第19頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三波矢的方向角表示

在數(shù)學(xué)中常用方向余弦表示矢量的方向，即用矢量與坐標(biāo)軸間的夾角表示在光學(xué)中習(xí)慣上采用波矢與平面間的夾角表示矢量的方向第20頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第21頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三波場(chǎng)中一點(diǎn)（X,Y,Z)處的位相為

通常取一平面在z=0處，則該平面上的位相分布為

XOY平面0Z第22頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三 如果平面波沿z向傳播，其波面垂直于z軸。軸上某一點(diǎn)z處的波面在t時(shí)刻的位相為

在下一時(shí)刻，

設(shè)該波面的位置為

相速度

沿+z向傳播第23頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三如果波面的表達(dá)式為

其相速度為

向-z方向傳播

第24頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（2）球面波：波面是球面

振幅空間位相第25頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三波面為球面振幅沿傳播方向衰減

從點(diǎn)源發(fā)出或向點(diǎn)源匯聚

第26頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第27頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三如果波源為O（0，0，0），波面為

從原點(diǎn)發(fā)出的發(fā)散球面波

向原點(diǎn)匯聚的球面波

如果波面為第28頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三在一個(gè)平面（觀察平面）上，球面波的位相分布不是恒定值。第29頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三軸上一點(diǎn)發(fā)散和匯聚的球面波第30頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（0，0，z0）發(fā)出的球面波在（x，y，0）平面的振動(dòng)為

（0，0，-z0）出發(fā)出的球面波在（x，y，0）平面上的振動(dòng)亦為

第31頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三向（0，0，z0）點(diǎn)匯聚的球面波為

向（0，0，-z0）點(diǎn)匯聚的球面波為

第32頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三軸外一點(diǎn)發(fā)散和匯聚的球面波第33頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三如果點(diǎn)光源在軸外（x0，y0，±z0），則發(fā)出和匯聚的球面波分別為

第34頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4．光波的復(fù)振幅描述

由于可以用復(fù)指數(shù)的實(shí)部或虛部表示余弦或正弦函數(shù)，所以可以用復(fù)數(shù)來描述光波的振動(dòng)指數(shù)取正號(hào)第35頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三定態(tài)光波的頻率都是相等的，可以不寫在表達(dá)式中。定態(tài)部分，即與時(shí)間無關(guān)部分為

復(fù)振幅包含了振幅和位相，直接表示了定態(tài)光波在空間P點(diǎn)的振動(dòng)，或者說復(fù)振幅表示了波在空間的分布情況。所以，凡是需要用振動(dòng)描述的地方，都可以用復(fù)振幅代表。

第36頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三光波場(chǎng)在P點(diǎn)的強(qiáng)度

第37頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三光學(xué)多媒體網(wǎng)頁(yè)/cui/第38頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三四．有關(guān)光波的幾個(gè)概念

1．波面：位相相等的空間點(diǎn)構(gòu)成的曲面，也稱波陣面。2．波前：光波場(chǎng)中的任一曲面。3．等幅面：振幅相等的空間點(diǎn)構(gòu)成的曲面。4．共軛波：復(fù)振幅互為共軛的波。 互為共軛的波，其傳播方向應(yīng)該是相關(guān)聯(lián)的。

第39頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三平面波的共軛波由于上述角度是波矢于平面間的夾角，所以不能認(rèn)為兩列波的方向相反第40頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三如果θ2=0在z=0平面上第41頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三球面波發(fā)出匯聚從向第42頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三5.波線與波面垂直的直線，表示波的傳播方向。與波矢的方向是相同的。在幾何光學(xué)中，波線就是光線。第43頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三6．波的位相與光程

平面波，在一維情況下，位相為

ns為介質(zhì)中波的光程空間位相由光程決定第44頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三即同一時(shí)刻，空間中光程相同的點(diǎn)，其位相也相同，振動(dòng)也相同。波在不同媒質(zhì)中，光程改變，產(chǎn)生折射，方向和波面都會(huì)發(fā)生改變。棱鏡、透鏡的原理都可以從光程的變化進(jìn)行解釋

第45頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第46頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第47頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第48頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三菲涅耳（Fresnel）透鏡

第49頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三菲涅耳（Fresnel）透鏡

第50頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三五．位相的超前與滯后

P點(diǎn)的振動(dòng)是由O點(diǎn)傳播出來的

波從O點(diǎn)傳播到P點(diǎn)的時(shí)間為Δt

，即P點(diǎn)的振動(dòng)比O點(diǎn)延遲Δt時(shí)間，則P點(diǎn)在t時(shí)刻的振動(dòng)就是O點(diǎn)在t-Δt時(shí)刻的振動(dòng)第51頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三P點(diǎn)的位相

P點(diǎn)的位相比O點(diǎn)滯后kx，在上述表達(dá)式中，即通常的復(fù)振幅表達(dá)式中，位相數(shù)值大，為滯后

如果表達(dá)式寫成cos(ωt-kx+φ0)的形式，位相數(shù)值小，為滯后。第52頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第53頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三§2.2波的疊加原理

兩列波在空間相遇第54頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第55頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三一．內(nèi)容

1．波的獨(dú)立傳播定律從不同振源發(fā)出的波在空間相遇時(shí)，如振動(dòng)不十分強(qiáng)，各個(gè)波將保持各自的特性不變，繼續(xù)傳播，相互之間沒有影響。2．波的疊加原理幾列波在相遇點(diǎn)的合振動(dòng)是各個(gè)波獨(dú)自在該點(diǎn)振動(dòng)的矢量疊加（矢量和）。第56頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三成立的條件傳播介質(zhì)為線性介質(zhì)。振動(dòng)不十分強(qiáng)。在振動(dòng)很強(qiáng)烈時(shí)，線性介質(zhì)會(huì)變?yōu)榉蔷€性的。注意要點(diǎn)：不是強(qiáng)度的疊加，也不是振幅的簡(jiǎn)單相加，而是振動(dòng)矢量（瞬時(shí)值）的疊加。第57頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二．疊加方法

同頻率、同振動(dòng)方向的單色光。

1．代數(shù)法（瞬時(shí)值法）

合振動(dòng)第58頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2．復(fù)數(shù)法

振幅和位相的表達(dá)式與代數(shù)方法相同第59頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3．振幅矢量法

在復(fù)空間中，如圖所示

第60頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三連續(xù)多個(gè)振幅矢量的疊加各個(gè)矢量按次序首尾相接，夾角為相應(yīng)的位相差第61頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三．疊加的強(qiáng)度

光的頻率是1014Hz，其變化周期比儀器的響應(yīng)時(shí)間小得多光強(qiáng)的測(cè)量值只能是一定時(shí)間內(nèi)的平均值兩列波在空間P點(diǎn)的位相差第62頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三在觀察時(shí)間內(nèi)不是定值，而是隨時(shí)間改變，是時(shí)間的隨機(jī)函數(shù)，則有

是兩列光的強(qiáng)度簡(jiǎn)單相加，沒有干涉現(xiàn)象。或者說它們是不相干的第63頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三在觀察時(shí)間內(nèi)不隨時(shí)間改變，則有

被稱為干涉項(xiàng)

即兩列波在空間不同的地點(diǎn)有不同的位相差，疊加后有不同的強(qiáng)度，出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。 Δφ只與空間位置有關(guān)，即不同的空間點(diǎn)具有不同的位相差，因而有不同的干涉項(xiàng)的數(shù)值。第64頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三干涉相長(zhǎng)

干涉相消 兩列波在空間相遇，使得光的能量重新分布，稱為干涉現(xiàn)象。能夠產(chǎn)生干涉的光，稱為相干光

第65頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三四．相干條件

（1）、Δφ穩(wěn)定（2）、ω相同（3）、存在相互平行的振動(dòng)分量。

第66頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三總光強(qiáng)是兩列波的光強(qiáng)之和，無干涉。兩列波的振動(dòng)方向相互垂直按矢量疊加數(shù)量關(guān)系光強(qiáng)是振幅的平方第67頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三 如兩振動(dòng)不平行，可將其中一個(gè)正交分解為和另一個(gè)分別平行、垂直的分量，再進(jìn)行疊加。其中垂直的分量作為背底，不參與干涉。

第68頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三五．不同頻率單色波的疊加

振動(dòng)方向相同、傳播方向相同，頻率不同的兩列波

第69頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第70頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三形成光學(xué)拍，拍頻為ωm

，強(qiáng)度分布隨時(shí)間和空間變化。結(jié)論：

1、不同頻率單色光疊加形成光學(xué)拍；2、不同頻率的定態(tài)光波疊加形成非定態(tài)光。

光強(qiáng)隨時(shí)間變化，沒有穩(wěn)定的光強(qiáng)分布。第71頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.2兩列單色波的干涉花樣

一．兩相干個(gè)點(diǎn)光源的干涉發(fā)出球面波，在場(chǎng)點(diǎn)P相遇。

第72頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三可設(shè)初位相均為零，位相差

光程差

在真空中

干涉相長(zhǎng)

干涉相消

j=0，1，2，3，4，……，干涉級(jí)數(shù)第73頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

交錯(cuò)的亮條紋和暗條紋在空間形成一系列雙葉旋轉(zhuǎn)雙曲面。在平面接收屏上為一組雙曲線，明暗交錯(cuò)分布。 干涉條紋為非定域的，空間各處均可見到。

第74頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三楊氏雙孔干涉

軸外物點(diǎn)和場(chǎng)點(diǎn)都滿足近軸條件兩點(diǎn)光源間距為d，可以求得發(fā)出的光波在屏上的復(fù)振幅第75頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三合成的復(fù)振幅為

第76頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三強(qiáng)度分布為

從一個(gè)孔中出射的光波在屏中心的強(qiáng)度

第77頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三是一系列等間隔的平行直條紋

干涉相長(zhǎng)（亮條紋）干涉相消（暗條紋）相鄰亮（暗）條紋間隔第78頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第79頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三相鄰亮（暗）條紋間隔如光源和接收屏之間充滿介質(zhì)，則條紋間距為

第80頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三．干涉條紋的反襯度（可見度）

反襯度的定義：在接收屏上一選定的區(qū)域中，取光強(qiáng)最大值和最小值，有第81頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三當(dāng)A1=A2時(shí)，γ=1，反襯度最大當(dāng)A1<<A2或A1>>A2時(shí)，即A1、A2相差懸殊時(shí)，γ=0，反襯度最小第82頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三四．兩束平行光的干涉

兩列同頻率單色光，振幅分別為A1，A2；初位相為φ10，φ20，方向余弦角為（α1，

β1，

γ1），（α2，

β2，

γ2）

研究在Z=0的波前上的位相

ZXOY第83頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三Z=0第84頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三 亮、暗條紋都是等間隔的平行直線，形成平行直線族，斜率為

第85頁(yè)，共93頁(yè)，2023年，2月20日，星期三