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几何光学

下篇 物理光学. 几何光学. 几何光学 ：不涉及光的物理本性； 几何光学 ：依据基本实验定律＋几何定理 —> 处理光的传播问题，说 明光通过介质时的现象。 基本物理量：波面、光线（点、线、面） 几何光学的困难； 几何光学是物理光学在波长趋于零时的一种近似 ；. 物理光学. 物理光学 ：研究光的物理本性、传播规律的学科。 　◆波动光学：把 光 这种物质看成是 电磁波 。 以波动观点讨论光学问题； 采用波长、相位等波动概念描述；

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几何光学

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Presentation Transcript

  1. 下篇 物理光学 几何光学 • 几何光学：不涉及光的物理本性； • 几何光学：依据基本实验定律＋几何定理 —> 处理光的传播问题，说 • 明光通过介质时的现象。 • 基本物理量：波面、光线（点、线、面） • 几何光学的困难； • 几何光学是物理光学在波长趋于零时的一种近似；

  2. 物理光学 物理光学：研究光的物理本性、传播规律的学科。 　◆波动光学：把光这种物质看成是电磁波。 以波动观点讨论光学问题； 采用波长、相位等波动概念描述； 　◆量子光学：把光这种物质看成是能量子，即光子。 以量子观点讨论光学问题； 　◆光的波粒二象性： 波动性——光的传播、干涉、衍射、偏 振等现象； 粒子性——热辐射、光电效应；

  3. 第九章 光的电磁理论基础 Maxwell 光是一种电磁波 经典光学 重要 理论基础 光的电磁理论 现代光学 Hertz 光波就是电磁波 本章叙述光的电磁性质；光在均匀媒质中传播的基本规律；光波的叠加和复杂波分析的基本处理。

  4. 光的传播是一种电磁现象，是电磁振动在空间的传播。光的传播是一种电磁现象，是电磁振动在空间的传播。 • 光的电磁理论： • 以波动观点讨论 光学问题； • 采用波长、相位等 波动概念描述； 图1 光在电磁波中的位置

  5. 第九章 光的电磁理论基础 • 光的本质 • 光的电磁理论的建立（19世纪中叶） • 麦克斯韦（Maxwell） • 赫兹（Hertz） • 光在电磁波中的位置

  6. Gamma Rays X- Rays Ultra violet V Infra -red Micro -waves Radio -waves The electromagnetic spectrum long short Wave length 380nm violet-blue 780nm deep-red

  7. 第一节 光的电磁性质 一、麦克斯韦方程组 （Maxwell’s equation） 1、静电场和稳恒电流磁场的基本规律 电场强度（E）：电场中某点在数量和方向上等于单位正电荷在该点所受的电场力。单位N/c或V/m。 电感强度（D）：辅助物理量,D＝E +P。单位c/m2。 磁感强度（B）：单位T。速度为1m/s电量为1c的电荷受到的磁力为1N时的磁感应强度。 磁场强度（H）：辅助物理量，H＝B/ -M。单位A/m。

  8. 静电场和稳恒电流磁场的基本规律 高斯定理： 安培定则： D: 电感强度 B: 磁感强度 E ：电场强度 H ：磁场强度

  9. 2、麦克斯韦方程组的积分形式 后两个公式反映了磁场和电场之间的相互作用。

  10. 3、麦克斯韦方程组的微分形式 微分形式： （9－1） （9－2） （9－3） （9－4） 揭示了电流、电场、磁场相互激励的性质

  11. 二、物质方程 （描述物质在场作用下特性的方程）

  12. (10-13) (10-14) 三、电磁场的波动性（波动方程） 点积为零，叉积与时间偏导成正比

  13. 交变的电场和磁场产生电磁波，光波就是电磁波。交变的电场和磁场产生电磁波，光波就是电磁波。 －－确立光的电磁理论。

  14. 四、平面电磁波及其性质 （一）波动方程的平面波解 1、方程求解： 设光波沿z轴正向传播

  15. 2、解的意义： 取正向传播： 这是行波的表示式，表示源点的振动经过一定的时间推迟才传播到场点。

  16. （二）波动方程的平面简谐波解 相位是时间和空间坐标的函数，表示平面波在不同时刻空间各点的振动状态。

  17. 波动公式： （9－25） （9－26） 上式是一个具有单一频率、在时间和空间上无限延伸的波。

  18. 沿空间任一方向k传播的平面波 复振幅：只关心光波在空间的分布。

  19. （三）平面电磁波的性质 1、横波特性：电矢量和磁矢量的方向均垂直波的传播 方向。 2、E、B、k互成右手螺旋系。 3、E和B同相

  20. 五、球面波和柱面波 1、球面波：任意时刻波振面为球面的光波 公式 公式的意义

  21. 2、柱面波 （具有无限长圆柱波面的波，一般由线光源产生） 公式 公式的意义

  22. 本节内容回顾 1、麦克斯韦方程组 2、物质方程 3、波动方程 4、电磁波的平面波解（平面波、简谐波解的 形式和意义，物理量的关系，电磁波的性质） 5、球面波和柱面波（定义、方程表达式）

  23. Measurements of the Speed of light

  24. 第四节 光波的叠加 一、波的叠加原理 1、波的叠加现象 2、波的叠加原理： 几个波在相遇点产生的合振动是各个波单独在该点产生振动的矢量和。

  25. 3、注意几个概念：  叠加结果为光波振幅 的矢量和，而不是光强 的和。  光波传播的独立性：两个光波相遇后又分开，每个光波仍然保持原有的特性（频率、波长、振动方向、传播方向等）。  叠加的合矢量仍然满足波动方程的通解，公式（9-27）。一个实际的光场是许多个简谐波叠加的结果。

  26. 二、两个频率相同、振动方向相同的单色光波的叠加二、两个频率相同、振动方向相同的单色光波的叠加 （一）三角函数的叠加 S1 S2 P点的合振动也是一个简谐振动；振动频率和振动方向与两单色光波相同。

  27. （二）复函数的叠加

  28. （三）对叠加结果的分析：（主要对象为合成的光强）（三）对叠加结果的分析：（主要对象为合成的光强）

  29. 说明 1、因为 ，光强是位置的函数； 2、只要光源的初位相不变就会在光波叠加区域里形成强弱稳定的光强分布－－干涉现象。 3、相干光波和相干光源。

  30. 三、驻波 在波的传播路径上，对于介质不同点有不同振幅 两个频率相同、振动方向相同而传播方向相反的单色光波的叠加将形成驻波。垂直入射的光波和它的反射光波之间将形成驻波。

  31. 入射波 反射波

  32. Ey Ex y 2 2a 2a 1 四、两个频率相同、振动方向垂直的单色光波的叠加 合振动的大小和方向随时间变化，合振动矢量末端运动轨迹方程为： 合成波是椭圆偏振光

  33. 右旋光与左旋光 1、右旋光：迎着光的传播方向观察，合矢量顺时针方向旋转。 2、左旋光：迎着光的传播方向观察，合矢量逆时针方向旋转。

  34. 椭圆形状和旋向的分析：( ) （图9-34） Ey Ey Ey Ey Ex Ex Ex Ex δ=π/2 π/2<δ<π 0<δ<π/2 δ=0 Ey Ey Ey Ey Ex Ex Ex Ex δ=π δ=3π/2 π<δ<3π/2 3π/2<δ<2π

  35. 1、波的叠加原理 2、两个频率相同、振动方向相同的单色光波叠加 3、驻波（频率同、振动方向同、传播方向相反） 4、两个频率相同、振动方向垂直的单色光波叠加 本节内容回顾

  36. 第十章 光的干涉 • 干涉现象是光波波动性的重要特征 • 1801年杨氏干涉实验—波动理论—部分相干理论 • 应用：测量光谱线的细微结构、测量长度 • 多种干涉装置：杨氏双缝干涉、迈克尔逊干涉仪等 • 本章内容：干涉现象、干涉理论和干涉装置

  37. 第一节 光波的干涉条件 一、干涉现象 1、什么是干涉现象（Interference） 2、相干光波（Coherent wave）和相干光源 （Coherent light source） 能够产生干涉的光波，叫相干光波； 其光源称为相干光源。

  38. 二、干涉条件 一般情况下，

  39. 对于两个平面简谐波

  40. 补充条件： 叠加光波的光程差不超过波列的长度 干涉条件（必要条件）：

  41. 光强 I 的强弱取决于光程差 第二节 杨氏干涉实验 （Young’s double-slit experiment） 一、干涉图样的计算 1、P点的干涉条纹强度

  42. y y P(x,y,D) x x r 1 w S 1 r S O 2 S z 2 d D 光程差： 2、光程差D的计算

  43. x 3、干涉条纹（Interference fringes） 及其意义 对于接收屏上相同的x值，光强I相等。条纹垂直于x轴。

  44. 用光程差表示： 在同一条纹上的任意一点到两个光源的光程差是恒定的。 结论： 1、干涉条纹代表着光程差的等值线。 2、相邻两个干涉条纹之间其光程差变化量为一个波长l，位相差变化2p。

  45. axial Interference fringes Zeroth-order maximum First-order maximum First-order minimum

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