2024年度光學(xué)自學(xué)輔導(dǎo)材料(二)波動光學(xué)基本原理

光學(xué)自學(xué)輔導(dǎo)材料(二)波動光學(xué)基本原理12024/3/23目錄contents波動光學(xué)基本概念干涉原理及應(yīng)用衍射原理及應(yīng)用偏振光原理及應(yīng)用波動光學(xué)綜合應(yīng)用22024/3/23波動光學(xué)基本概念0132024/3/23光具有電磁波的特性，如反射、折射、干涉、衍射等。光是一種電磁波光波的基本參數(shù)光波的表示方法光波具有波長、頻率、波速等基本參數(shù)，這些參數(shù)決定了光的性質(zhì)和行為。光波可以用正弦波或余弦波表示，其振幅、相位等特征可以通過波動方程來描述。030201光波與電磁波42024/3/23干涉是兩列或多列波在空間某些區(qū)域相遇時，相互疊加形成新的波形的現(xiàn)象。干涉現(xiàn)象的定義產(chǎn)生干涉的兩列波必須滿足頻率相同、振動方向相同、相位差恒定等條件。干涉的條件根據(jù)光源和干涉方式的不同，干涉可分為雙縫干涉、薄膜干涉、牛頓環(huán)等。干涉的種類光的干涉現(xiàn)象52024/3/23衍射的種類衍射可分為菲涅爾衍射和夫瑯禾費衍射兩種，前者適用于障礙物尺寸與波長相當(dāng)?shù)那闆r，后者適用于障礙物尺寸遠大于波長的情況。衍射現(xiàn)象的定義衍射是光在傳播過程中遇到障礙物或小孔時，偏離直線傳播的現(xiàn)象。衍射的應(yīng)用衍射現(xiàn)象在光學(xué)儀器、光譜分析等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，如光柵光譜儀、X射線衍射儀等。光的衍射現(xiàn)象62024/3/23偏振光的定義01偏振光是指光波中振動方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚ΨQ性，即光矢量在垂直于傳播方向的平面上有固定的振動方向。偏振光的種類02根據(jù)光矢量振動方向的不同，偏振光可分為線偏振光、圓偏振光和橢圓偏振光等。雙折射現(xiàn)象03雙折射是某些晶體中，一條入射光線產(chǎn)生兩條折射光線的現(xiàn)象。這兩條折射光線遵循不同的折射定律，具有不同的折射率。雙折射現(xiàn)象在光學(xué)器件、偏振光檢測等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。偏振光與雙折射72024/3/23干涉原理及應(yīng)用0282024/3/23

楊氏雙縫干涉實驗實驗裝置楊氏雙縫干涉實驗裝置包括光源、雙縫、屏幕等部分。干涉現(xiàn)象當(dāng)單色光通過雙縫后，在屏幕上出現(xiàn)明暗相間的干涉條紋。干涉條件光源發(fā)出的光波經(jīng)過雙縫后產(chǎn)生兩個相干波源，它們的光程差滿足干涉條件。92024/3/23當(dāng)光照射在薄膜上時，薄膜的前后兩個表面反射的光波相遇產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。薄膜干涉現(xiàn)象利用薄膜干涉可以測量光學(xué)表面的反射相移，以及制作光學(xué)濾波器等。薄膜干涉的應(yīng)用薄膜干涉及其應(yīng)用102024/3/23當(dāng)單色光垂直照射在凸透鏡上時，在透鏡的反射光中觀察到的明暗相間的環(huán)狀干涉條紋。將兩塊玻璃板疊在一起，并在其一端墊入紙片，使兩板之間形成空氣劈尖。當(dāng)單色光垂直照射時，可以觀察到明暗相間的直線干涉條紋。牛頓環(huán)與劈尖干涉劈尖干涉牛頓環(huán)112024/3/23邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)該儀器主要由分光鏡、反射鏡、補償鏡和屏幕等部分組成。邁克爾遜干涉儀的原理利用分光鏡將單色光分為兩束，分別經(jīng)過兩個反射鏡后再次相遇產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。通過調(diào)整反射鏡的位置，可以改變光程差從而觀察到不同的干涉條紋。邁克爾遜干涉儀122024/3/23衍射原理及應(yīng)用03132024/3/23惠更斯原理波面上的每一點（面元）都是一個次級球面波的子波源，子波的波速與頻率等于初級波的波速和頻率，此后每一時刻的子波波面的包絡(luò)就是該時刻總的波動的波面。其核心思想是：介質(zhì)中任一波面上的各點，都可以看做發(fā)射子波的波源，即可把下一時刻新的波面前沿，看作是這些子波的包絡(luò)面（惠更斯原理只能定性解釋波的衍射現(xiàn)象，不能給出波的強度，不能解釋衍射現(xiàn)象與狹縫或障礙物的大小的關(guān)系）。菲涅爾原理在光波照射屏上某點P的光振動，可看作是屏上子波源發(fā)出的子波在P點的相干疊加?；莞?菲涅爾原理142024/3/23單縫衍射光在傳播過程中遇到障礙物，光波會繞過障礙物繼續(xù)傳播的現(xiàn)象叫做光的衍射。如果波長與障礙物相當(dāng)，或比障礙物大，衍射現(xiàn)象最為明顯。當(dāng)縫寬遠大于波長時，衍射現(xiàn)象很不明顯，可以認為光沿直線傳播；當(dāng)縫寬與波長相當(dāng)或比波長小得多時，衍射現(xiàn)象較為明顯；當(dāng)縫寬小于波長時，光的繞射現(xiàn)象非常明顯。要點一要點二光柵衍射由大量等寬等間距的平行狹縫構(gòu)成的光學(xué)器件稱為光柵（grating）。一般常用的光柵是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成，刻痕為不透光部分，兩刻痕之間的光滑部分可以透光，相當(dāng)于一狹縫。精制的光柵，在1cm內(nèi)有數(shù)千條乃至上萬條刻痕。這種利用透射光衍射的光柵稱為透射光柵，還有利用兩刻痕間的反射光衍射的光柵，如在鍍有金屬層的表面上刻出許多平行刻痕，兩刻痕間的光滑金屬面可以反射光，這種光柵稱為反射光柵。單縫衍射與光柵衍射152024/3/23是指光在通過圓孔時發(fā)生的衍射現(xiàn)象。在光的衍射中，激光打到一個小圓孔上，會在后面屏幕上產(chǎn)生明暗相間的圓環(huán)。圓孔衍射當(dāng)單色光照射在直徑恰當(dāng)?shù)男A板或圓珠時，會在之后的光屏上出現(xiàn)環(huán)狀的互為同心圓的衍射條紋，并且在所有同心圓的圓心處會出現(xiàn)一個極小的亮斑，這個亮斑就被稱為泊松亮斑。形成的原因是由于光的衍射，可以利用衍射公式來具體計算?？捎嬎愕牧堪靼禇l紋間距的規(guī)律和亮斑（第一級暗斑）的半徑。泊松亮斑圓孔衍射與泊松亮斑162024/3/23X射線衍射及其應(yīng)用X射線是原子內(nèi)層電子在高速運動中所發(fā)射的波長很短的電磁波，其波長約為（20～0.06）×10^-8厘米之間。這個波長與晶體內(nèi)部原子面之間的間距相近，晶體可以作為X射線的空間衍射光柵，即一束X射線照射到物體上時，受到物體中原子的散射作用，每個原子都產(chǎn)生散射波，這些波互相干涉，結(jié)果就產(chǎn)生衍射。衍射波疊加的結(jié)果使射線的強度在某些方向上加強，在其他方向上減弱。分析衍射結(jié)果，便可獲得晶體結(jié)構(gòu)。X射線衍射X射線衍射技術(shù)已經(jīng)成為最基本、最重要的一種結(jié)構(gòu)測試手段，其主要應(yīng)用主要有：物相分析、結(jié)晶度的測定、精密測定點陣參數(shù)、宏觀應(yīng)力的測定、晶粒尺寸和點陣畸變的測定、單晶取向和多晶織構(gòu)的測定等。X射線衍射的應(yīng)用172024/3/23偏振光原理及應(yīng)用04182024/3/23馬呂斯定律描述線偏振光通過偏振器后的光強變化，定律表達式為I=I0cos2θ，其中I0為入射光強，θ為偏振器透振方向與入射光偏振方向的夾角。布儒斯特角當(dāng)自然光以某一特定角度（布儒斯特角）入射到兩種透明介質(zhì)的分界面時，反射光為完全偏振光，折射光為部分偏振光。此時反射光和折射光的傳播方向互相垂直。馬呂斯定律與布儒斯特角192024/3/23可通過反射、折射、雙折射和選擇性吸收等方法獲得偏振光。例如，利用玻璃片堆或晶體片堆的起偏作用，可獲得線偏振光。偏振光的產(chǎn)生使用偏振器來檢測偏振光。當(dāng)偏振器透振方向與入射光偏振方向一致時，光強最大；當(dāng)兩者垂直時，光強最小。通過旋轉(zhuǎn)偏振器并觀察透射光強的變化，可判斷入射光是否為偏振光以及確定其偏振方向。偏振光的檢測偏振光的產(chǎn)生與檢測202024/3/23雙折射現(xiàn)象在晶體中，由于晶格結(jié)構(gòu)導(dǎo)致各向異性，使得光線在晶體中傳播時發(fā)生雙折射現(xiàn)象，即一條入射光線在晶體內(nèi)部被分解為兩條折射光線。這兩條折射光線分別遵循不同的折射率，形成兩個不同的光程。晶體光學(xué)性質(zhì)晶體的光學(xué)性質(zhì)與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。不同類型的晶體具有不同的光學(xué)性質(zhì)，如單軸晶體和雙軸晶體等。這些性質(zhì)決定了偏振光在晶體中的傳播方式和特性。偏振光在晶體中的傳播212024/3/23液晶顯示器（LCD）LCD利用偏振光和液晶分子的旋光性來實現(xiàn)圖像的顯示。通過控制液晶分子的排列方式，可以改變透射光的偏振狀態(tài)，從而實現(xiàn)像素點的明暗變化。光學(xué)儀器在光學(xué)儀器中，如顯微鏡、望遠鏡等，利用偏振光可以減少或消除反射光的干擾，提高成像質(zhì)量。同時，偏振光還可以用于測量光學(xué)表面的反射相移等新原理技術(shù)。攝影技術(shù)在拍攝過程中使用偏振濾鏡可以消除或減少非金屬表面的反射光，從而改善照片的色彩和對比度。此外，在拍攝風(fēng)光或水下攝影時，使用偏振濾鏡還可以增強藍天的色彩和清晰度?？茖W(xué)研究在物理、化學(xué)等科學(xué)研究中，偏振光被廣泛應(yīng)用于各種實驗和測量中。例如，利用偏振光的干涉和衍射現(xiàn)象研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)；利用圓二色性光譜研究生物大分子的結(jié)構(gòu)和功能等。01020304偏振光的應(yīng)用舉例222024/3/23波動光學(xué)綜合應(yīng)用05232024/3/23通過雙縫干涉實驗可以了解光波的干涉現(xiàn)象，進一步探究光的波動性。雙縫干涉實驗衍射光柵是一種具有周期性結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件，能夠使光波發(fā)生衍射和干涉，廣泛應(yīng)用于光譜分析、光學(xué)測量等領(lǐng)域。衍射光柵薄膜干涉是利用薄膜的反射和透射光波干涉形成的現(xiàn)象，可用于測量薄膜的厚度和折射率。薄膜干涉干涉與衍射的綜合應(yīng)用242024/3/23033D顯示3D顯示技術(shù)利用偏振光的分離和合成原理，使左右眼分別看到不同的圖像，從而產(chǎn)生立體視覺。01液晶顯示液晶顯示技術(shù)利用偏振光的旋轉(zhuǎn)來控制像素的亮度，實現(xiàn)圖像顯示。02OLED顯示OLED顯示技術(shù)通過控制有機發(fā)光材料的發(fā)光狀態(tài)來產(chǎn)生偏振光，實現(xiàn)高對比度和廣視角的圖像顯示。偏振光在顯示技術(shù)中的應(yīng)用252024/3/23123非線性光學(xué)研究光與物質(zhì)相互作用時產(chǎn)生的非線性現(xiàn)象，如二次諧波、和頻、差頻等。非線性光學(xué)現(xiàn)象非線性光學(xué)材料具有特殊的非線性光學(xué)性質(zhì)，如非線性折射率、非線性吸收等，是實現(xiàn)非線性光學(xué)現(xiàn)象的關(guān)鍵。非線性光學(xué)材料非線性光學(xué)在激光技術(shù)、光通信、光信息處理等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，如光開關(guān)、光限幅器、全光網(wǎng)絡(luò)等。非線性光學(xué)應(yīng)用非線性光學(xué)簡介26