高等物理光學(xué)課件-平面波

高等物理光學(xué)課件-平面波平面波定義均勻性平面波在波前上的振幅和相位都相同。方向性平面波的波前是無限大的平面，其傳播方向垂直于波前。理想模型平面波是光學(xué)中的理想模型，用于簡化光波的分析和計算。平面波性質(zhì)波前平面波的波前是相互平行的平面。傳播方向平面波的傳播方向垂直于波前。振幅均勻在同一波前的任何點，平面波的振幅都相同。平面波傳播方程1波動方程描述波的傳播規(guī)律的方程。它表示波的位移與時間和空間坐標的關(guān)系。2平面波方程一種特殊的波動方程，用于描述平面波的傳播。它假設(shè)波的波前是平面的，并且波的振幅沿波傳播方向保持不變。3數(shù)學(xué)表達式平面波傳播方程通常用以下形式表示：u(x,y,z,t)=Acos(kx-ωt+φ)其中：u(x,y,z,t)為波的位移A為波的振幅k為波數(shù)，等于2π/λω為角頻率，等于2πfφ為相位常數(shù)平面波振幅和相位振幅平面波的振幅表示波的強度，它反映了波的能量大小。相位平面波的相位描述了波在一個特定時刻的運動狀態(tài)，它與波的頻率和時間有關(guān)。平面波的頻率和波長v頻率每秒鐘通過某一點的波峰個數(shù)λ波長相鄰兩個波峰之間的距離平面波的傳播速度真空中c=299,792,458m/s介質(zhì)中v=c/n平面波的極化電場方向平面波的極化方向指的是電場矢量在空間中的振動方向。線性極化電場矢量沿固定方向振動，例如垂直極化或水平極化。圓極化電場矢量在垂直于傳播方向的平面上以恒定幅值旋轉(zhuǎn)，形成圓形軌跡。橢圓極化電場矢量在垂直于傳播方向的平面上以恒定幅值旋轉(zhuǎn)，形成橢圓形軌跡。線偏振平面波線偏振平面波是指電場矢量始終沿一個固定方向振動的平面波。電場矢量振動方向稱為偏振方向，垂直于偏振方向的平面稱為偏振面。圓偏振平面波圓偏振平面波是電場矢量的末端在空間中描繪出一個圓形軌跡的平面波。圓偏振平面波是由兩個振幅相等、頻率相同、相位差為π/2的線偏振光疊加而成的。圓偏振光根據(jù)電場矢量旋轉(zhuǎn)的方向分為左旋圓偏振光和右旋圓偏振光。當電場矢量的旋轉(zhuǎn)方向與觀察者視線方向一致時，稱為左旋圓偏振光；當電場矢量的旋轉(zhuǎn)方向與觀察者視線方向相反時，稱為右旋圓偏振光。橢圓偏振平面波線偏振光電場矢量在一個平面上振動。圓偏振光電場矢量的端點在垂直于傳播方向的平面上描繪出一個圓形軌跡。橢圓偏振光電場矢量的端點在垂直于傳播方向的平面上描繪出一個橢圓形軌跡。平面波的強度平面波的強度是指單位時間內(nèi)通過單位面積的光能，與電場和磁場的振幅平方成正比。平面波能量通量定義單位時間內(nèi)通過單位面積的能量公式S=1/2ε0cE2單位瓦特/平方米(W/m2)平面波的反射1入射角入射光線與法線的夾角2反射角反射光線與法線的夾角3反射定律入射角等于反射角4反射系數(shù)反射光強與入射光強的比值平面波的折射1折射定律入射角和折射角正弦之比等于兩種介質(zhì)折射率之比。2斯涅耳定律光線在兩種介質(zhì)界面上的折射現(xiàn)象遵守斯涅耳定律。3折射率不同介質(zhì)對光的折射能力不同，用折射率來衡量。菲涅爾公式1反射系數(shù)描述了光波在兩種介質(zhì)界面上的反射強度。2透射系數(shù)描述了光波在兩種介質(zhì)界面上的透射強度。3偏振方向菲涅爾公式考慮了光波的偏振方向，分別計算平行和垂直偏振光的反射和透射。布魯斯特角入射角當光線從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時，反射光和折射光會發(fā)生偏振現(xiàn)象，當入射角等于布魯斯特角時，反射光將完全是線偏振光，偏振方向垂直于入射面。公式tanθB=n2/n1，其中θB為布魯斯特角，n1和n2分別為兩種介質(zhì)的折射率。應(yīng)用布魯斯特角在光學(xué)器件設(shè)計、偏振光應(yīng)用、表面清潔等方面具有重要應(yīng)用。全反射臨界角當光線從光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)時，入射角大于臨界角時，光線將發(fā)生全反射。條件光線從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，入射角大于臨界角。應(yīng)用全反射現(xiàn)象在光纖通信、顯微鏡、棱鏡等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。平面波干涉干涉現(xiàn)象當兩束或多束相干光波相遇時，會在空間中產(chǎn)生穩(wěn)定的光強分布，這種現(xiàn)象被稱為干涉。相干性干涉現(xiàn)象需要兩束光波具有相同的頻率、振動方向和相位關(guān)系，即相干性。路徑差兩束光波相遇時，由于傳播路徑不同，會產(chǎn)生路徑差，導(dǎo)致光波相位差。明暗條紋當兩束光波相位差為2π的整數(shù)倍時，光波疊加，形成明條紋；當兩束光波相位差為π的奇數(shù)倍時，光波抵消，形成暗條紋。兩束平面波干涉1干涉條件兩束平面波的頻率相同，且相位差恒定。2干涉現(xiàn)象在兩束平面波疊加區(qū)域，波的振幅會發(fā)生變化，形成明暗相間的干涉條紋。3干涉類型根據(jù)兩束平面波的相位差，干涉可以分為相長干涉和相消干涉。多束平面波干涉多光束干涉多束干涉是指多束相干光束在空間中疊加形成的干涉現(xiàn)象。干涉條紋多束干涉產(chǎn)生的干涉條紋比兩束干涉更清晰、更明亮，因為干涉條紋的對比度更高。應(yīng)用多束干涉在光學(xué)儀器中有著廣泛的應(yīng)用，例如激光干涉儀、光柵。光柵方程1衍射光柵衍射光柵是用來產(chǎn)生衍射光譜的器件。它是由許多等間距的狹縫或反射面組成的。2光柵方程光柵方程描述了衍射光柵產(chǎn)生的衍射光譜的位置和強度。3應(yīng)用光柵方程廣泛應(yīng)用于光譜學(xué)，材料科學(xué)和光學(xué)儀器等領(lǐng)域。單縫衍射1單縫衍射現(xiàn)象當一束平行光照射到寬度為a的單縫上，穿過單縫的光將在屏上形成明暗相間的衍射條紋。2衍射條紋特征中心亮條紋最亮，寬度最大，兩側(cè)的亮條紋強度逐漸減弱，寬度逐漸變窄。3衍射現(xiàn)象說明光具有波動性，當光波通過狹縫時會發(fā)生衍射現(xiàn)象，導(dǎo)致光線發(fā)生偏折。雙縫干涉1疊加兩束光波相遇2干涉振幅疊加3條紋明暗相間光學(xué)腔共振腔光學(xué)腔是一種用來儲存光的裝置，通常由兩個或多個反射鏡組成，反射鏡之間的距離被稱為腔長。諧振條件只有滿足特定諧振條件的光波才能在腔內(nèi)穩(wěn)定的儲存，這些條件通常由腔長和光波波長決定。應(yīng)用光學(xué)腔在激光器、光纖通信和精密測量等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，它能夠提高光信號的強度、穩(wěn)定性和方向性。激光原理1受激輻射激光器利用受激輻射原理，使原子或分子在受到特定頻率的光照射后，從高能級躍遷到低能級，同時發(fā)射出與入射光相同頻率、相位和方向的光子。2光學(xué)諧振腔激光器包含一個光學(xué)諧振腔，通過反射鏡的多次反射，使受激發(fā)射的光子在腔內(nèi)不斷傳播并放大，形成高強度的激光。3增益介質(zhì)激光器需要一種增益介質(zhì)，例如氣體、液體或固體，能夠吸收特定頻率的光，并將其轉(zhuǎn)換為受激發(fā)射的光子。激光特性高方向性激光束具有高度的平行性，光束發(fā)散角很小，因此可以傳播很遠的距離而不會明顯發(fā)散。高單色性激光輻射的頻率非常窄，幾乎只包含一種顏色，被稱為單色光。高相干性激光光波具有高度的相干性，這意味著它們在空間和時間上都是相互關(guān)聯(lián)的，具有穩(wěn)定的波形。高亮度激光束的能量集中在一個很小的區(qū)域內(nèi)，因此具有很高的亮度，可以用來切割、焊接等。激光器分類固體激光器固體激光器使用固體材料作為增益介質(zhì)，例如摻釹釔鋁石榴石（Nd:YAG）或摻釹玻璃（Nd:Glass）。氣體激光器氣體激光器使用氣體作為增益介質(zhì)，例如氦氖激光器（HeNe）或二氧化碳激光器（CO2）。染料激光器染料激光器使用有機染料作為增益介質(zhì)，可以產(chǎn)生可調(diào)諧的激光輸出。半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器使用半導(dǎo)體材料作為增益介質(zhì)，例如砷化鎵（GaAs）或量子阱激光器。半導(dǎo)體激光器小型化半導(dǎo)體激光器體積小巧，便于集成到各種設(shè)備中。高效率半導(dǎo)體激光器具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率，可節(jié)省能源消耗。應(yīng)用廣泛半導(dǎo)體激光器廣泛應(yīng)用于光通信、光存儲、激光打印等領(lǐng)域。光纖激光器光纖激光器利用光纖作為增益介質(zhì)，能夠?qū)崿F(xiàn)高功率