3．光的衍射与偏振
4．激光
学
习
目 标 知 识 脉 络
1.观察光的衍射现象进一步认识光的波动性.
2.了解光明显衍射的条件，了解衍射图样．(重点)
3.观察光的偏振现象，了解自然光与偏振光的区别．(难点)
4.了解激光的特点及其应用，知道激光和自然光的区别.
光的衍射
[先填空]
1．单缝衍射现象
(1)当单缝较宽时，光沿着直线方向通过单缝，在光屏上可以看到一条跟单缝(或圆孔)宽度相当的亮线．
(2)把单缝调窄些，可以看到屏上亮线也随之减小．
(3)当单缝调到很窄时，光通过单缝后就明显地偏离了直线传播方向，到达屏上以后，不再是一条很窄的亮线，而是照到了相当宽的地方，并且出现了明暗相间的条纹；再调小单缝，条纹也随之变得清晰、细小．
2．光的衍射
光在传播过程中遇到障碍物或小孔(狭缝)时，绕过障碍物或通过小孔、狭缝传播到阴影区域的现象．
3．衍射图像
衍射时产生的明暗条纹或光环．
[再判断]
1．白光通过盛水的玻璃杯，在适当的角度，可看到彩色光，是光的衍射现象．(×)
2．菜汤上的油花呈现彩色，是光的折射现象．(×) 3．用两支圆柱形铅笔并在一起，形成一个狭缝，使狭缝平行于日光灯，会看到彩色的衍射条纹．(√)
[后思考]
1．白光经单缝衍射和双缝干涉产生的条纹有什么共同特点？
【提示】 都是中央为白色条纹，两侧为彩色条纹．
2．光遇到小孔、单缝或障碍物时，衍射现象可能发生，也可能不发生，这种说法对吗？
【提示】 不对．光遇到小孔、单缝或障碍物时，衍射现象只有明显与不明显之分，无发生与不发生之别．
1．三种衍射图样的比较
(1)单缝衍射图样(如图531所示)
单色光衍射 白光衍射
图531
①中央条纹最亮，越向两边越暗；条纹间距不等，越靠外，条纹间距越小．
②缝变窄通过的光变少，而光分布的范围更宽，所以亮纹的亮度降低．
③中央亮条纹的宽度及条纹间距跟入射光的波长及单缝宽度有关，入射光波长越大，单缝越窄，中央亮条纹的宽度及条纹间距就越大．
天津工程师范学院 第五章 光的偏振
第五章 光的偏振
● 学习目标
理解自然光和线偏振光，理解马吕斯定律及布儒斯特定律。了解线偏振光的获得方法和检验方法。
● 教学内容
5.1 光的偏振状态
5.2 线偏振光的获得与检验
5.3 反射和折射时光的偏振
5.4 双折射现象
● 本章重点
线偏振光的获得、反射折射光的偏振
● 本章难点
反射与折射光的偏振
5.1 光的偏振状态
光是横波，对横波的讨论包含对振动方向的讨论。在一个垂直于光传播方向的平面内考察，光振动的方向不一定是各向同性的，可能在某一个方向振动强，在另一个方向弱（甚至为零），这称为光的偏振现象。偏振是横波区别于纵波的一个最明显的特点，光的偏振现象是表明光是横波的直接证明。
一、自然光与线偏振光的定义
如果一束光的光矢量E只沿一个固定的方向振动，我们把这样的光称为线偏振光（或面偏振光），光矢量与光传播方向所组成的平面称为振动面。由原子（或分子）跃迁发出的每一个光波列，都有其自身的振动方向，故都是线偏振光。不过我们通常所说的线偏振光（简称偏振光），不是指某个波列，而是指一束光是偏振光，意即光束中所有的波列都有相同的振动方向。实际光源都由大量的分子、原子组成，由于自发辐射的随机性，普通光源发出的光，是大量的不同振动方向的光波列的集合。在一个与光传播方向垂直的平面内考察，光矢量沿各方向天津工程师范学院 第五章 光的偏振
的平均值相等，没有哪一个方向的光振动较其它方向占优势，这种光叫做自然光，自然光是非偏振的。较为定量的描述是：自然光中的每一波列的光矢量，都可以在任意给定的两个互相垂直的方向上进行分解，其结果是将自然光分成两束光强相等、振动方向互相垂直的，没有确定相位差的偏振光，如下图所示。
自然光可以分解成两个独立的振动方向互相垂直的偏振光
部分偏振光是介于偏振光与自然光之间的一种光，例如把一束偏振光与一束自然光混合，得到的光就属于部分偏振光。在垂直于光传播方向的平面内，光矢量的振动方向沿各个方向分布，但沿某一方向的振动最强，沿它的垂向振动最弱。相对于部分偏振光，线偏振光又叫完全偏振光。
光的波动性
一. 双缝干涉
1．双缝干涉实验
(1)实验：如图，让一束平行的单色光投射到一个有两条狭缝的挡板上，两狭缝相距很近，两狭缝就成了两个波源，它们的振动情况总是相同的，两个波源发出的光在挡板后面的空间互相叠加．
(2)现象：屏上得到了明暗相间的条纹．
(3)结论：证明光是一种波．
2．出现明、暗条纹的条件
(1)当光从两狭缝到屏上某点的路程差为波长λ的整数倍时，这些点出现明条纹；当路程差为半波长12λ的奇数倍时，这些点出现暗条纹．
(2)和一般波的干涉一样，光干涉的条件是两列光的频率相同，能发生干涉的两束光称为相干光．
3．计算波长的公式
设两缝间距为d，两缝到屏的距离为l，当d和l一定时，计算表明：当l≫d时，相邻两条明条纹(或暗条纹)的间距为Δx＝ldλ.
利用此式，测出条纹间距离Δx，即可求出光的波长．
（1）.双缝干涉示意图
（2）．单、双缝的作用
平行光照射到单缝S上后，又照到双缝S1、S2上，这样一束光被分成两束频率相同和振动情况完全一致的相干光．
（3）．明、暗条纹产生的条件
亮条纹：
屏上某点P到两缝S1和S2的路程差正好是波长的整数倍或半个波长的偶数倍．
即|PS1－PS2|＝kλ＝2k·λ2(k＝0,1,2,3…)时出现亮条纹．
暗条纹：
屏上某点到两缝S1和S2的路程差正好是半波长的奇数倍．
即：|PS1－PS2|＝(2k＋1)λ2(k＝0,1,2,3…)时出现暗条纹．
（4）．干涉图样的特点
(1)单色光：干涉条纹是间距相等、明暗相间的条纹，且中央为亮纹．红光的条纹间距最大，紫光的条纹间距最小．
(2)白光：干涉条纹是彩色条纹，且中央条纹是白色的．原因是各种色光都在中央条纹处形成亮条纹，从而复合成白色条纹，除中央条纹以外的其他条纹不能完全重合，便形成了两侧的彩色条纹．
(3)条纹间距：条纹间距与波长成正比，Δx＝ld·λ(其中d为两逢间距，l为两缝到屏的距离，λ为光的波长)．
光学精品课程习题解
第五章 光的偏振 - 52 -
第五章 光的偏振
1.试确定下面两列光波
10[cos()cos()]2xyEAetkzetkz
20[sin()sin()]2xyEAetkzetkz
的偏振态。
解：（1）10[cos()cos()]2xyEAetkzetkz
0[cos()sin()]xyAetkzetkz
为左旋圆偏振光
（2）20[sin()sin()]2xyEAetkzetkz
0[cos()sin()]22xyAetkzetkz
所以为左旋圆偏振光
2．为了比较两个被自然光照射的表面的亮度，对其中一个表面直接进行观察，另一个表面通过两块偏振片来观察。两偏振片的透振化方向的夹角为060。若观察到两表面的亮度相同，则两表面实际的亮度比是多少？已知光通过每一块偏振片后损失入射光能量的10％。
解：根据马吕斯定律，通过第一个偏振片光的强度
'2002(110)2II
通过第二个偏振片光的强度
"'2022000022211(110)cos60(110)0.124IIIII
则两表面实际的亮度比为： 2110II
3．两个尼可耳1N和2N的夹角为060，在它们之间放置另一个尼可耳3N，让平行的自然光通过这个系统。假设各尼克耳对非常光均无吸收，试问1N和3N的夹角为何值时，通过系统的光强最大？设入射光的强度为0I，求此时所能通过的最大光强。
解：设1N和3N的夹角为，光通过尼可耳1N的光强度 012II 光学精品课程习题解
第五章 光的偏振 - 53 -
通过尼可耳3N的光强度 203cos2II
通过尼可耳2N的光强度 22002coscos(60)2II
