第四章多光束干涉与光学薄膜

⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫=∂∂-∇=∂∂-∇010*********t H H t E E υυ物理光学第一章 光的电磁理论 1.1光的电磁波性质1.麦克斯韦方程组2.物质方程3.电磁场的波动性波动方程：4.电磁波光的来历：由于电磁波传播速度与实验中测定的光速的数值非常接近，麦克斯韦以此为重要依据，语言光是一种电磁波。

麦克斯韦关系式：（注：对于一般介质，εr 或n 都是频率的函数， 具体的函数关系取决于介质的结构，色散） （注：相对介电常数通常为复数 会吸收光）折射率：可见光范围：可见光(760 nm~380 nm)每种波长对应颜色：红 色 760 nm~650 nm 绿 色 570 nm~490 nm 紫 色 430 nm~380 nm 橙 色 650 nm~590 nm 青 色 490 nm~460 nm 黄 色 590 nm~570 nm 蓝 色 460 nm~430 nms d l d E A t BCρρρρ⋅-=⋅⎰⎰⎰∂∂⎰⎰⎰⎰⎰=⋅V A dv s d D ρρρ0=⋅⎰⎰A s d B ρϖs d J l d H A t DCρρρρρ⋅+=⋅⎰⎰⎰∂∂)(tB E ∂∂-=⨯∇ρρρ=⋅∇D ρ0=⋅∇B ρtD J H ∂∂+=⨯∇ρρρs m c /1092997.21800⨯==εμr n ε=r r cn εμυ==1.2平面电磁波1.2.1波动方程的平面波解波面：波传播时，任何时刻振动位相总是相同的点所构成的面。

平面波：波面形状为平面的光波称为平面波。

球面波：波面为球面的波被称为球面波。

1.2.2平面简谐波 （1）空间参量空间周期： 空间频率： 空间角频率(波数):（2）时间参量时间周期： 时间频率： 时间角频率：（3）时间参量与空间参量关系1.2.3 一般坐标系下的波函数（三维情形）1.2.4 简谐波的复指数表示与复振幅一维简谐波波函数表示为复指数取实部的形式：不引起误解的情况下：复振幅：1.6 光在两介质分界面上的反射和折射1.6.1 反射定律和折射定律入射波、反射波和折射波的频率相同 反射定律：反射角等于入射角 折射定律：λfλ1=f kλππ/22±=±=f k T υλ=T νT 1=νωT ππνω22==υω=k []{}00(,)cos()Re exp ()E z t A kz t A i kz t ωφωφ=-+=-+r rr 0(,)exp[()]E z t A i kz t ωφ=-+r r 0()exp[()]E z A i kz φ=+r r tt i i r r i i n n n n θθθθsin sin sin sin ==1.6.2 菲涅尔公式s 分量和p 分量：通常把垂直于入射面振动的分量叫做s 分量， 把平行于入射面振动的分量称做p 分量。

物理光学Physical optics学分：4 总学时：64 理论学时：64 实验／实践学时：一、课程作用与目的1．使学生牢固地掌握有关干涉、衍射、偏振等现象的基本原理和规律，理解光的波动本性，为后续课程奠定必要的基础。

2．使学生牢固地掌握几何光学中的基本概念、近轴成像的规律和作图成像法，熟悉典型助视光学仪器的基本原理。

通过本课程的学习，使学生掌握光学的基本理论、基本知识，为后续课程打好基础。

二、课程基本要求1．要求学生牢固掌握有关光的传播及其本性，包括干涉、衍射、偏振等基本现象、原理和规律，为后继课程奠定必要的基础。

并了解它们在科研、生产和实践上的应用。

2．要求学生牢固掌握几何光学的基本概念、成像规律和作图方法。

熟悉典型助视光学仪器的基本原理。

3．培养学生在课堂教学、习题课及课外作业中的独立思考能力。

三、教材及主要参考书1．主要使用教材梁铨廷编著．物理光学．第3版．北京：电子工业出版社，2008年．2．主要参考书[1] 刘翠红编著．物理光学学习指导与题解．第1版．北京：电子工业出版社，2009年．[2] 梁铨廷，刘翠红编著．物理光学简明教程．第1版．北京：电子工业出版社，2010年．[3] 张洪欣，高宁，车树良编著．物理光学．第1版．北京：清华大学出版社，2010年．[4] 刘晨主编．物理光学．第3版．合肥：合肥工业大学出版社，2007年．四、课程内容绪论主要内容：光学的发展史。

重点和难点：光学的学习内容和学习方法，光学的发展过程和特点。

第一章光的电磁理论主要内容：光的电磁波性质、平面电磁波、球面波和柱面波、光源和光的辐射、电磁场的边值关系、光在两介质分界面上的反射和折射、全反射、重点和难点：光波在金属表面的透射和反射、光的吸收、色散和散射第二章光波的叠加与分析主要内容：两个频率相同、振动方向相同的单色光波的叠加、驻波、两个频率相同振动方向互相垂直的光波的叠加、不同频率的两个单色光波的叠加、光波的分析重点和难点：振动方向相同的单色光波的叠加、光波的分析第三章光的干涉和干涉仪主要内容：实际光波的干涉及实现方法、杨氏干涉实验、分波前干涉的其他实验装置、条纹的对比度、相干性理论、平行平板产生的干涉、楔形平板产生的干涉、用牛顿环测量透镜的曲率半径、迈克耳孙干涉仪重点和难点：杨氏干涉实验、分波前干涉的其他实验装置、用牛顿环测量透镜的曲率半径、迈克耳孙干涉仪第四章多光束干涉与光学薄膜主要内容：平行平板的多光束干涉、法布里-珀罗干涉仪和陆末-盖尔克板、多光束干涉原理在薄膜理论中的应用、重点和难点：法布里-珀罗干涉仪、多光束干涉原理第五章光的衍射主要内容：惠更斯-菲涅耳原理、菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射、矩孔和单缝的夫琅禾费衍射、圆孔的夫琅禾费衍射、光学成像系统的衍射和分辨本领、多缝夫琅禾费衍射、衍射光栅、圆孔和圆屏的菲涅耳衍射、全息照相重点和难点：惠更斯-菲涅耳原理、菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射、分辨本领第六章傅里叶光学主要内容：平面波的复振幅及空间频率、单色波场中复杂的复振幅分布及其分解、衍射现象的傅里叶分析方法、透镜的傅里叶变换性质和成像性质、相干成像系统分析及相干传递函数、非相干成像系统分析及光学传递函数、相干光学信息处理重点和难点：衍射现象的傅里叶分析方法、透镜的傅里叶变换性质和成像性质、相干成像系统分析及相干传递函数第七章光的偏振与晶体光学基础主要内容：偏振光和自然光、晶体的双折射、晶体光学性质的图形表示、光波在晶体表面的反射和折射、晶体光学器件、偏振光和偏振器件的矩阵表示、偏振光的干涉、旋光性、晶体、液体和液晶的电光效应、晶体的非线性光学效应重点和难点：晶体的双折射、偏振光的干涉、晶体的非线性光学效应五、习题或作业（此项可根据课程特点自行选择）根据教学需要，布置60道习题对各章重点内容加强巩固，作业完成情况作为评定课程成绩的一部分。

光学薄膜的原理和用途光学薄膜是一种由多层材料组成的光学元件，其工作原理是利用材料的不同折射率和反射率，控制不同波长的光线在薄膜中的传播和反射。

它广泛应用于激光器、显示器、太阳能电池等领域。

一、光学薄膜的原理光学薄膜的原理是基于电磁波在介质中传播的性质。

当电磁波穿过介质边界时，会发生反射、透射和折射等现象。

这些现象与介质的折射率、反射率、入射角、波长等参数有关系。

光学薄膜利用了这些参数不同的特点，通过多层薄膜的组合来控制波长和相位的变化，以达到特定的光学性能。

基本的光学薄膜结构由几个不同折射率的层组成，其中高折射率层与低折射率层间相互堆积。

在其工作原理中，高折射率的层可以起到反射光线的作用，低折射率层可以控制光线的传播和相位的变化。

光学薄膜的厚度通常不到光的波长的1/4，这样可以形成光的干涉作用，实现特定波长范围内的衍射和反射。

薄膜的折射率决定了反射的强度和相位变化的大小，因此不同类型的薄膜需要不同的材料作为构成元件。

二、光学薄膜的用途光学薄膜广泛应用于各种光学器件中，包括滤光镜、反射镜、折射镜、透镜等。

以下是几种常见的光学薄膜应用。

1. 滤光镜滤光镜是一种可以选择性过滤掉某些波长的光线的光学元件。

滤光镜的原理就是利用光学薄膜的多层组合结构，对特定波长的光线进行反射或衍射，从而实现波长的选择性过滤。

滤光镜通常用于医学、电子、摄影等领域。

2. 反射镜反射镜是光学薄膜的另一种应用。

反射镜的原理是利用介质边界的反射现象，将入射光线反射回去，从而实现将光线在一个方向上聚焦或成像的功能。

反射镜通常用于望远镜、显微镜、激光器及激光打印机等领域。

3. 折射镜折射镜是利用光线在介质之间折射的现象制成的光学元件。

折射镜的原理同样是通过多层薄膜的组合来控制波长和相位的变化，以达到折射光线的效果。

折射镜通常用于显微镜、望远镜等成像设备。

4. 透镜透镜是利用透明介质对光线的折射和反射的现象来实现成像的光学元件。

透镜通常用于相机、显微镜、望远镜等成像设备中。

多光束干涉的实验验证与应用多光束干涉是一种光学现象，它是指当两个或多个光束相互交叠时产生的干涉现象。

这种干涉现象广泛应用于实验验证和科学研究中，例如测量光的波长、验证光的干涉性质以及研究光的传播特性等。

下面将介绍一种多光束干涉的实验验证与应用。

实验方法：实验需要的器材有一个激光器、一块分束板、展光透镜、空物投影仪和一块屏幕。

首先将激光器放置在适当的位置，使其发出的光束通过半反射的分束板。

分束板上的一部分光经过反射板后通过透镜展宽，形成一束展宽光束；另一部分光经过透镜展宽后形成另一束展宽光束。

这两束光经过一定的路径延迟后重新相遇，最后在屏幕上产生干涉条纹。

实验结果与分析：在实验中，我们可以观察到屏幕上出现了一系列明暗相间的干涉条纹。

这些条纹是由于两束光的相位差引起的，相位差的大小决定着干涉条纹的亮暗程度。

当两束光的相位差为整数倍的波长时，会出现明条纹；而当相位差为半整数倍的波长时，会出现暗条纹。

在实验中，我们可以通过改变透镜与分束板之间的距离，控制两束光的光程差，从而改变干涉条纹的条数或密度。

当透镜与分束板的距离增加时，光程差也随之增加，条纹的条数或密度也会相应增加。

这样可以验证光的干涉性质，即干涉条纹的条数或密度与光程差有关。

应用：多光束干涉实验有着广泛的应用。

首先，多光束干涉可以用于测量光的波长。

通过改变两束光的光程差，我们可以观察到干涉条纹的变化，进而计算出光的波长。

这在光学研究中有着重要的意义。

另外，多光束干涉还可以用于研究光的传播特性。

通过观察干涉条纹的形态和变化，我们可以了解到光的传播路径和传播速度等信息。

这对于研究光的性质和光传输技术的发展具有重要的意义。

此外，多光束干涉还可以应用于光学测量和显微领域。

通过干涉条纹的变化，我们可以测量物体的形状和表面的偏差等参数。

这在工业生产和科学研究中都有广泛的应用。

总结：多光束干涉是一种重要的光学现象，通过实验验证和应用可以帮助我们深入了解光的性质、传播特性和测量方法。