第二章 波动光学基本原理

第二章波动光学基本原理Chap.2 Basic Principles of Optical Waves目的要求：1、掌握光的复振幅表示形式；2、掌握光的相干条件和光程的概念；3、掌握双光束干涉光强分布的特征，并能具体计算一些问题；4、认识光的衍射现象掌握衍射条件； 5、理解惠更斯-菲涅耳原理及菲涅耳积分表达式的意义；6、理解菲涅耳的半波带理论及菲涅耳圆空和圆屏衍射，熟悉波带片及特征；7、掌握夫琅和费单缝衍射的实验装置、光强分布及衍射化样的特点；8、了解夫琅和费圆孔衍射，掌握其爱里斑半角宽度公式并知其重要性；9、掌握助视仪器的像分辨本领；10、熟悉光的五种偏振态；11、掌握布儒斯特定律和马吕斯定律，并能利用其计算具体问题；重点：相干条件、杨氏双缝、菲涅耳衍射、夫琅禾费衍射、布儒斯特定律和马吕斯定律难点：复振幅、菲涅耳半波带理论、单缝强度分布导出及分析、半波损失。

教法：由浅入深、理论联系实际、以姿势助说话、启发式、反馈控制等注意：与电磁学的联系、实际例子列举、重点内容要讲清讲透学时：--------由清华大学杨氏教授撰写第二章波动光学基本原理第一课几何光学和波动光学是经典光学的两个组成部分。

几何光学从光的直线传播、反射、折射等基本实验定律出发，讨论成像等特殊类型的传播问题，它在方法上是几何的，在物理上不必涉及光的本性。

但是，要真正理解光，理解光场中可能发生的一切绚丽多彩的景象，必须研究光的波动性。

此外，也只有从光的波动理论才能看出几何光学理论的限度。

§2.1-2.2 光波的基本概念一、波动的概念振动在空间的传播形成波动，波场中每点的物理状态随时间作周期性变化，而在每一瞬时波场中各点物理状态的空间分布也呈现一定的周期性，因此，我们说波动具有时空双重周期性。

此外，伴随着波动，总有能量的传输，具有时空双重周期性的运动形式和能量的传输，是一切波动的基本特性，不具备这种特性的事物，不能成为严格意义下的波动。

第二章波动光学基本原理第一节定态光波和复振幅描述第一节定态光波和复振幅描述1.1 波动概述1.2 定态光波的概念1.3 定态光波的复振幅描述1.4 平面波和球面波的复振幅描述1.5 强度的复振幅描述振动在空间的传播→ 振动场i）基本特点：时空双重周期性ii）分类：标量波(scalar wave)：温度、密度、……矢量波(vector wave)：电磁波、……张量波(tensor wave)：固体中的声波、地震波……空气中的声波电磁场—矢量波—疏密波地震波—张量波iii）几何描述：波面(wave surface)：等相位面波线(wave ray)：能量传播的方向球面波→波面为球面→同心光束平面波→波面为平面→平行光束（特殊的球面波）电磁波谱紫外光可见光红外光50nm------400nm-------760nm--------------100μm对红外光来说1μm------------10μm-----------100μm近红外中红外远红外真空紫外（VUV ）光波场的特性•是电场强度、磁感应强度的矢量场EB波的周期性•时间周期性：波场中任一点的物理量，随时间做周期变化，具有时间上的周期性•时间周期：T ；ν＝1/T ：时间频率，单位时间内变化（振动）的次数t 0(,)t x E T波的周期性•空间周期性：某一时刻，波场物理量的分布，随空间作周期性变化，具有空间上的周期性•波长λ：空间周期；：空间频率，单位空间长度内物理量的变化次数，波数λν/1~ x 0(,)t x E λ波场具有空间、时间两重周期性光波场的特性•光是交变电磁波，波长~500nm，频率~1014Hz•发射源是微观客体，具有独立、随机的特性。

•从传播的角度看，是波动，是振动的传播：用速度、方向、振幅等参数描述•从物理量分布的角度看，是交变的空间场：用电场强度、磁场强度等物理量描述•时间、空间是描述波的重要参量定态光波的定义（1）空间各点的扰动是同频率的简谐振动；（2）波场中各点扰动的振幅不随时间变化，在空间形成一个稳定的振幅分布。

波动光学的基本原理波动光学是研究光的波动特性和传播规律的一门学科，它揭示了光的干涉、衍射、偏振等现象，并通过波动理论解释了这些现象。

本文将介绍波动光学的基本原理，并探讨其在光学技术和应用中的重要性。

一、光的波动性光既可被视为一束光线，也可被视为一种波动。

波动光学认为光是以波的形式传播的电磁波。

光波的传播与其他波动的传播类似，具有频率、波长、振幅和相速等基本特性。

二、光的干涉波动光学的基本原理之一就是光的干涉现象。

干涉是指两束或多束光波相遇时相互叠加而产生的干涉图样。

光的干涉可以分为互补干涉和相干干涉两种形式。

互补干涉是指光的波峰与波谷相遇，波峰与波峰、波谷与波谷相消。

相干干涉则是指两束或多束相干光波的干涉，它们的相位关系能够保持一定的相干度。

三、光的衍射光的衍射是波动光学的另一个重要原理。

衍射是指光波通过一个孔或通过不规则物体的边缘时发生偏离直线传播的现象。

光的衍射可以解释一些重要的现象，例如狭缝衍射、衍射光栅等。

衍射现象使得我们能够观察到光的波动性质，进一步认识光的特性。

四、光的偏振光的偏振是指光波振动方向的限制性。

光波振动方向可以沿着波垂直方向的任意方向，但在光的某些传播过程中，光波的偏振方向将受到限制。

例如，偏振片可以使只有特定方向的光通过，而将其他方向的光吸收或减弱。

光的偏振现象在光学应用中起着重要的作用，例如液晶显示技术就是基于光的偏振原理来实现影像显示的。

五、光的衍射光栅光的衍射光栅是在波动光学中常用的一个重要装置。

它是由一些平行间隔的透明栅条组成，当光通过这些栅条时产生衍射现象。

光的衍射光栅可以用于测量光的波长、分光、光学仪器的校准等领域。

根据光的波动性原理，通过光的衍射光栅可以获取有关光的重要参数和特性。

光的波动性是光学研究的重要基础，波动光学理论为光的行为提供了解释和说明。

在光学技术和应用中，波动光学的原理被广泛应用于光学仪器的设计、光的传输控制、激光技术等领域。

光的波动性也推动了光学进一步发展和创新，为人类认识光的本质提供了重要的突破口。

物理学中的波动光学原理波动光学原理是指光在传播过程中表现出的波动性质。

在物理学中，光的波动性质是研究光学中最重要的一部分，它是从牛顿光学和戈斯桥实验中逐渐形成的。

波动光学原理由波动理论和光学理论组成，它涉及到波动现象、干涉、衍射、折射、反射等多个领域，是物理学中非常重要的一部分。

一、波动理论波动理论是指对于一些自然现象中体现出波动性质的物理问题进行研究的一种方法。

在波动理论中，一般会用到波长、频率、振幅等概念来描述波的特征。

在光学中，我们可以用波长来描述光的颜色，用频率来描述光的亮度，用振幅来描述光的强度。

除此之外，波动理论还可以用来解释一些光学现象，如雾虹、色散等等。

二、波动光学的基本原理1.光的干涉现象干涉现象是指多个光波在同一时刻、同一地方相遇并发生变化的现象。

在干涉现象中，颜色、强度、方向等多种因素会发生变化，这也是波动光学理论的基础之一。

干涉现象很容易发生，如在咖啡中加入一些奶泡，可以看到不同颜色的光相互干涉形成彩虹色的泡沫。

2.光的衍射现象衍射现象是指光线经过物体缝隙或过程中遇到障碍物时，光波向周围散发、弯曲的现象。

这种现象是由于光的振动和扰动产生的。

光的衍射现象广泛存在于物理和生活中，它是波动光学理论的重要分支之一。

3.光的折射现象折射现象是指光通过一个介质时，由于介质的折射率受到光的波长、方向等多种因素影响，导致光线变化方向的现象。

折射现象常常发生在气体和液体交界处，如阳光在水面上形成的倒影，就是折射现象的典型例子。

4.光的反射现象反射现象是指光线在表面反射后发生变化的现象。

在反射现象中，光线发生反射会改变其方向，但不会发生任何变色等变化。

反射现象广泛存在于现实生活中，如我们在镜子前看到自己的影像，就是由于反射而产生的。

三、结语波动光学原理是物理学中非常重要的一部分，它与人们的日常生活密切相关。

波动光学原理是复杂而广泛的，它包含了许多不同领域的知识。

但正是由于波动光学原理的存在，我们才能够对光学的应用进行深入的研究和应用。

物理学中的波动光学原理及应用分析波动光学，简单说就是以波动现象和反射等规律为基础，解释光在传播和干涉等方面的规律和现象。

从某种意义上来说，波动光学可以被视为光学科学的精髓所在，因为它帮助我们更好地理解了光学现象，并推动着新技术的发展。

本文将从波动光学的基础理论开始介绍，深入分析波动光学的应用，并探讨一些光学领域的未来趋势。

波动光学基础理论在波动光学中，光被视为一种电磁波，而波长代表了光的颜色。

根据光的波长，可以将其分为紫外线、可见光、红外线等不同的区间。

而光线和光束则是描述光传播方向和能量传递方向的重要概念。

当光传播到介质表面时，其方向会改变，并且部分光线会被反射。

对于一个平面镜，其反射规律可以简单地用“入射角等于反射角”的公式来描述。

而当光线从一个介质到另一个介质时，会发生折射现象，此时折射角可以根据斯涅尔定律来计算，即“入射角的正弦值与折射角的正弦值之比等于两介质的折射率之比”。

波动光学中还有一个非常重要的现象，就是光的干涉。

干涉是指两个或多个光波在相遇时，它们会相互叠加或抵消，产生出新的光强度的规律和现象。

在干涉的实验中，常用的工具包括双缝实验和薄膜干涉实验等。

其中，双缝实验可以通过两个平行的缝隙来产生干涉，而薄膜干涉实验则利用了薄膜在反射和透射时会产生干涉的规律。

波动光学的应用波动光学的应用非常广泛，从医疗、工业到文化娱乐等领域均有涉及。

以下是一些具有代表性的波动光学应用。

1.医学成像在现代医学成像中，光学元件被广泛应用于制作微观图像，从而帮助医生进行准确的诊断。

其中，扫描探测器可以通过过滤和反射光进行主要成像。

2.激光技术激光技术是波动光学的一种重要应用。

它可以在无线电波、雷达和光学通信中使用，并且在制造和电子工业中也有很多应用。

激光技术可以制备非常精细的器件，并且无损地对材料或产品进行加工和检测。

3.光学通信光学通信是现代通信领域的一个重要分支，它利用光波在光缆中传输信息。

在光通信中，波分复用技术被广泛应用，可以为单一光纤提供多个信道。