大学物理光学期末总结.ppt

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干涉仪和衍射仪使用方法
干涉仪使用方法
通过分束器将光源发出的光波分成两束，再经过反射镜反射后汇聚到一点，形成干涉图样。通过调整反射镜的位 置和角度，可以观察不同干涉现象。
衍射仪使用方法
将光源发出的光波通过衍射光栅或单缝等衍射元件，观察衍射现象。通过调整光源位置、衍射元件参数等，可以 研究光电效应、康普顿效应等 现象表明光具有粒子性， 即光量子（光子）。
波粒二象性的统一
光既具有波动性又具有粒 子性，二者是统一的。在 不同条件下，光表现出不 同的性质。
4
光的传播速度与介质关系
真空中的光速
在真空中，光的传播速度最快，约为 3×10^8 m/s。
光速与波长、频率的关系
2024/1/30
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光学存储技术原理及应用
光学存储技术的分类
只读型、一次写入型和可重写型
光学存储技术的原理
利用激光束在存储介质上形成微小坑点来记录信息
光学存储技术的应用
数字音频、视频、图像和计算机数据的存储
2024/1/30
光学存储技术的优缺点及发展前景
容量大、保存时间长，但读写速度相对较慢
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应用
透镜广泛应用于摄影、望远镜、 显微镜等光学仪器中，用于实现 物体的放大、缩小和成像等功能 。
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反射镜成像原理及应用
成像原理
反射镜通过反射光线来改变光线的传 播方向，从而形成像。反射镜的成像 规律遵循光的反射定律和光路可逆原 理。
应用
反射镜广泛应用于天文望远镜、激光 测距仪、光学干涉仪等光学系统中， 用于实现光线的反射、聚焦和成像等 功能。
光学传感器种类及工作原理
光学传感器的分类
光电传感器、光纤传感器、光谱传感器等

两束相干光波在空间相遇时，会 在某些位置产生加强，在某些位 置产生减弱的干涉现象。
薄膜干涉
光波在薄膜表面反射和透射时产 生的干涉现象，常用于增反膜和 增透膜的设计。
光的衍射现象
单缝衍射
光波通过一个狭窄的缝隙时，会在屏 上产生明暗相间的衍射条纹。
圆孔衍射
光波通过一个圆孔时，会在屏上产生 明亮的中心和逐渐减弱的衍射条纹。
吸收光谱
物质对不同波长的光的吸收程度 不同，形成了物质的吸收光谱。 通过对吸收光谱的分析，可以了 解物质的组成和性质。
吸收系数
物质对光的吸收能力可以用吸收 系数来表示，吸收系数越大，表 示物质对光的吸收能力越强。
光散射
光的散射现象
当光通过物质时，由于物质中微粒的散射作用，光发生散射现象，散射光的强度和方向 与入射光的波长、微粒的大小和形状有关。
3
光的相干性
同频率、同方向、同相位的光波具有相干性。
光的传播
反射定律
光在平滑界面上按特定角度反射 。
折射定律
光在不同介质间传播时，传播方向 发生变化。
光速
光在真空中的速度是一个恒定的值 ，不随光源或观察者的运动而改变 。
光的干涉
干涉现象
两束或多束相干光波在空间某一点叠加，产生明 暗相间的干涉条纹。
光与物质相互作用时，光作为粒子，其能量与物质中的电子相互作 用，引起电子的跃迁和能级变化，从而改变物质的状态。
光的波粒二象性
光既具有波动性又具有粒子性，在光与物质相互作用时，表现出不同 的性质和效果。
光吸收
光的吸收定律
当光通过物质时，物质吸收光能 并转化为热能或其他形式的能量 ，光的强度随传播距离的增加而 逐渐减弱。
光的偏振现象

2


相邻干涉明（暗）条纹所对应的光程差之差为一个波长 条纹间距
D x d

三、等倾干涉
光程差 2e
2 n2 2 n1 sin 2 i
k ,
2 k 0,1,2,3... 明纹

(半波损失 )
1 ( k ) 2
n1 暗纹 n2 n1
i
D A C e r B
(n0 ne )d 四分之一波片
附加光程差
4
二分之一波片


4


2
2
四分之一波片：椭圆偏振光（圆偏振光）
线偏振光
二分之一波片：线偏振光
x 杨氏双缝干涉：光程差 d D 改变光程差的因素：放于介质中，或用介质覆盖某条狭缝（例17-1）
l
a
标准平面

工件
解： 若工件表面是平的,等厚条纹 应为平行于棱边的直线条纹。由于一 条纹对应着一个厚度，由图的纹路弯 曲情况可知， 工件表面的纹路是凹 下去的。因条纹间距 l / 2 又由图可知：H=asin =a H 所以纹路深度 a
H l 2
B
A
B
A
2）牛顿环： 2ne ( )
S1
r1
P
1 2
求：P点的合振幅。
S2
r2
解：波源 S1 的振动表达式： yS1 0.01cos(200 t 01 ) (SI) S1波在P点振动表达式： yP1 0.01cos[200 (t 4.00 ) 01 ] (SI)
S2 的振动表达式： yS 2 0.01cos(200 t 01 ) (SI) 波源 3 S2 波在P点振动表达式： y 0.01cos(200 t ) (SI) P2 01

U f2
f 2
聚光本领
物镜的聚光本领是描述物镜聚集光通量能力的物理量，可以 用象面的照度来量度。
分辨本领
瑞利判据：总照度分布曲线中央有下凹部分，其对应强度不超过每 一分布曲线最大值的74%，当一个中央亮斑的最大值位置恰和另一个中 央亮斑的最小值位置相重合时，两个像点刚好能被分辨。
36
第四章 光学仪器的基本原理
32
第三章 几何光学基本原理
球面折射对光束单心性的破坏
n
l P
A
n
l P
Or C
s
s
B
近轴光线条件下球面折射的物像公式
n n n n s s r
33
第三章 几何光学基本原理
横向放大率
在近轴光线和近轴物
Q
的条件下，垂直于主轴的 y
物所成的像仍然是垂直于
P
O
主轴的，像的横向大小与 物的大小之比值为横向放
棱镜
棱镜是一种常见的光学元件，它的主要用途有两种：作为色散 元件和利用光的棱镜内的全反射来改变光束的方向，即转向元件。
棱镜材料的折射率为：
n
sin i1
sin
0
2
A
sin i2
sin A
2
30
第三章 几何光学基本原理
符号法则
球面的中心点O称为顶 点，球面的球心C称为 曲率中心，球面的半径 称为曲率半径，连接顶 点和曲率中心的直线CO 称为主轴，通过主轴的 平面称为主平面。主轴 对于所有主平面具有对 称性。
u
sin2 N(d sin
sin2(d sin )
)
I0
s in 2 u2
u
sin2 Nv sin2 v

物理光学
绪论
1. 物理光学的研究对象和内容
光学是研究光的本性,光的传播以及它和物质相互作 用的学科。
光学
几何光学 物理光学 现代光学
波动光学 量子光学
几何光学：基于“光直线传播”的概念讨论光的传播规律 几何光学三个基本定律（直线传播，折射、反射定律）。
是光波衍射规律的短波近似。
它们在方法上是几何的，在物理上不涉及光的本质。
f ( ) 1 cos Ts ( )
在三个坐标轴方向上方向的空间频率为：
fx
cos
fy
cos
fz
cos
f x , f y , fz 又称为三维简谐波固有空间频率 f 的坐标轴分量。
f
2 x
f
2 y
f
2 z
1
2
f
2
光波的空间频率分量反映了波的传播方向， 所以可以根据光的波长和空间频率分量写出 波函数：
I A2 E(r ) E*(r )
此公式也适用于非单色光。
x 2π
O
0 y
-2π
共轭光波，也就是与原复振幅共轭的复振幅所描述的光波。 以图1.5的情形为例，z=0平面上的复振幅为：
E(r ) Aexp(ikx sin )
其中的γ也是入射光波的入射角。 其共轭为：
E*(r) Aexp(ikxsin ) Aexpikxsin( )
波面为球面的波被称为球面波。
理想点光源发出的波为球面波。
一个在真空或各向同性介质中的 理想点光源，它向外发射的光波 是球面光波，等相位面是以点光 源为中心、随着距离的增大而逐 渐扩展的同心球面。
1.3.1 球坐标系中的波动微分方程
球面波具有球对称性，在球坐标系中，球面波的波

实验装置
激光源、双缝、屏幕。
实验现象
在屏幕上观察到明暗相间的干涉条纹。
理论分析
通过双缝的光波在屏幕上叠加，形成干涉图样。根据干涉条件，可推 导出条纹间距与光源波长、双缝间距及屏幕距离的关系。
薄膜干涉原理及应用
01
薄膜干涉
光波在薄膜前后表面反射后叠加形成的干涉现象。
02 03
原理分析
光波在薄膜前后表面反射时，相位发生变化，当光程差为半波长的奇数 倍时，反射光相互加强，形成亮纹；当光程差为半波长的偶数倍时，反 射光相互减弱，形成暗纹。
光的偏振现象
光波是横波，其振动方向 垂直于传播方向。通过偏 振片可以观察到光的偏振 现象。
几何光学基本概念
光线和光束
光线表示光传播的路径和 方向，光束是由无数条光 线组成的集合。
光的反射和折射
光在两种不同介质的交界 面上会发生反射和折射现 象，遵循反射定律和折射 定律。
透镜成像
透镜是一种光学元件，可 以改变光线的传播方向。 通过透镜可以形成实像或 虚像。
光的色散
色散是指复色光分解为单色光的现象 。牛顿的棱镜实验揭示了光的色散现 象。
02
光的干涉现象
干涉现象及其条件
干涉现象
干涉图样
两列或多列光波在空间某些区域相遇 时，光强在空间重新分布的现象。
明暗相间的条纹，反映了光波的振幅 和相位信息。
干涉条件
两列光波的频率相同、振动方向相同 、相位差恒定。
双缝干涉实验分析
量子光学应用与前景
列举量子光学在量子通信、量子计算、量子精密测量等领域的应 用，以及未来可能的发展趋势和挑战。
06
实验方法与技巧指导
基本实验仪器使用说明
分光计

薄膜的最小厚度对应 k 0 ，所以 emin 4n
在镀膜工艺中，常把 ne 称为薄膜的光学厚度，镀膜时控 制厚度e，使膜的光学厚度等于入射光波长的1/4。
注意: 一定的膜厚只对应一定波长的单色光，照相机镜头常
取 550 n黄m绿光
来计算镀膜的厚度。在白光
下观看此薄膜的反射光，因缺少黄绿色光而表面呈蓝紫色。
相对光强 I E 2 E是电场强度振幅
2、光源
光 是原子或分子的运动
状态变化时辐射出来 大量处的于激发态的原子自发地 跃迁到低激发态或基态时就辐 射电磁波（光波）。
- 1.5 e V - 3.4 e V
波列
- 13.6 e V 氢原子的发光跃迁
原子发光的特性
间歇性 每个原子或分子的辐射是断续的、无规则的，每
1 m . 若第 1 级明纹到第 4 级明纹的距离为 7.5 mm ，求光波 波长。
解 d 0.2 mm
D 1m
x D
d
r2
P
s1
d
r1
o
s2
D
x 7.5 2.5 mm 3
所以 d x 500 nm
D
例2 用云母片（ n = 1.58 ）覆盖在杨氏双缝的一条缝上，
这时屏上的零级明纹移到原来的第 7 级明纹处。若光波波长 为 550 nm ，求云母片的厚度。
§10.1 光的相干性
1、光的电磁理论要点
光速
光波是电磁波, 电磁波在真空中的传播速度
c
1
00
, 介质中 v
c
r r
而
c n v
rr
可见光的波长范围
400 nm — 760 nm
1 nm =10-9 m

成正比且反向， 即:
F kx
有:
d2x dt 2
2
x
0
2.运动学条件:系统相对位置平衡的位移是时间的余弦
或正弦函数， 即:
xt Acost 0
3.从功能角度来看,物体在简谐振动过程中只有弹性力作功,故22系
统的机诫能守恒.如选平衡位置处势能为零,选最大位移处动能
为零,则
1 2
mVm2
1 2
L 0
2.机械能守恒定律:只有保守力做功时,系统的机械能保持 不变. E=恒量
三. 相对论
11
一 . 洛伦兹变换
1.满足条件：1）满足相对性原理和光速不变原理
2）当质点速率远小于真空光速 c 时，该变
2.坐标变换:
换应能使伽利略变换重新成立。
x x ut
1 u2 c2
y' y z' z
dt
结论 V 超前x /2
a 与 x 反相
五.谐振动的能量
25
Ek
1 2
mV 2
1 2
mA2 2
sin 2 t
Ep
1 2
kx2
1 2
mA2 2
cos2 t
Ek
Ep
1 2
mVm2
1 2
kA2
六.振动的合成
26
同方向,同频率简谐振动的合成:
x1 A1 cos(t 10)x2 A2 cos( 20)P18
定容摩尔热容量：CV
1
dQ dT
V
对于理想气体：
CV
iR 2
CP
i
2 2
R
CP i 2
CV
i
二.热力学定律

棱边处为一级暗条纹 二级暗纹 三级暗纹
劈 n1n2n3 orn1n2n3时一级暗纹 二级暗纹 三级暗纹
尖
r 2n2dk （2k1)2, k0, 1, 2,(暗纹 )
（垂直入射时） k, k0,1,2,(明纹）
棱边处为一级明条纹 二级明纹 三级明纹
ddk1dk
衍 中央明条纹的宽度为：
RL P
射
l0 2X1暗2 bf
中央明条纹的半角宽度为：
1暗arcsbinb
1暗
b
x1暗of Nhomakorabea其它各级明条纹的宽度为中央明条纹宽度的一半
衍
光栅常数：
bb d 1(m) n
射 光栅方程： dsin k k0,1,2
光 栅
能斜看入到射的时最：高d条(纹s级in次：sin)k makx dkd(sin1),
重要概念
光
杨氏双缝干涉实验
薄膜干涉
劈尖
学 夫琅禾费单缝衍射
衍射光栅
偏振光
光程差： xn 1r1n 2r2
重 要
光程差与相差的关系： 2 x（同相、反相）
概
半波损失 光在介质n中波长:/n
念
干涉相长；干涉相消
明条纹中心的位置：

S1
r1
Sd
p
r2
x
o
S2
杨
中央明纹
d'
氏 xkd k0,1,2,
r2 r1 d sin
双 缝
d
一级明纹 二级明纹
dtg d x
d
干 涉
暗条纹中心 xd(2 k1 )k0 ,1 ,2 ,
的位置：
d
2