波動(dòng)光學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)框架

1、波動(dòng)光學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)框架波動(dòng)光學(xué)是以光的波動(dòng)性為基礎(chǔ)，研究光的傳播及其規(guī)律問(wèn)題。波動(dòng)光學(xué)主要分為光的干涉、衍射和偏振等。1. 光的干涉光的干涉現(xiàn)象通常表現(xiàn)為若干個(gè)光波（成員波）相遇時(shí)產(chǎn)生的光強(qiáng)分布不等于由各個(gè)成員波單獨(dú)造成的光強(qiáng)分布之和，而出現(xiàn)明暗相間的條紋。相應(yīng)的光波稱為相干光。產(chǎn)生光的干涉的相干條件是：各光波的頻率相同；各光矢量的振動(dòng)方向平行，且振幅相差不大；光波之間的相位差恒定。由于普通光源發(fā)出的光波是由大量光波列組成的，頻率一般不相同，波列的光振動(dòng)方向及相位差也隨時(shí)間無(wú)規(guī)則變化，所以一般的普通光源或同一光源不同部分發(fā)出的光波是非相干的。楊氏干涉實(shí)驗(yàn)用分波前的方法實(shí)現(xiàn)了光的干涉。如圖1所示，

2、兩個(gè)狹縫S1、S2長(zhǎng)度方向彼此平行，單縫被照亮后相當(dāng)于一線光源，發(fā)出以S為軸的柱面波。由于S1和S2關(guān)于S對(duì)稱放置，S在S1和S2處激起的振動(dòng)相同，從而可將S1和S2看看作兩個(gè)同位相的相干波源，它們發(fā)出的光波在屏上相遇后發(fā)生相干疊加，出現(xiàn)了明暗相間的平行條紋干涉條紋。圖1 楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)明紋暗紋的位置是：相鄰明紋和暗紋的間距為：當(dāng)兩相干光不在同一介質(zhì)中傳播時(shí)，需用光程將光波在介質(zhì)中通過(guò)的路程折合到同一時(shí)間內(nèi)在真空中通過(guò)的相應(yīng)路程。在正空中傳播的路程為 x=nr，兩光波之間的光程差(都在真空中傳播)為 =r1-r2而兩光波之間的相位差與光程差的關(guān)系為=2除了用分波前方法獲得相干光外，分振幅法也

3、是一種獲得光干涉的常用方法。分振幅法中比較典型的是等厚干涉。等厚干涉是由平行光入射到厚度變化均勻、折射率均勻的薄膜上、下表面而形成的干涉條紋。薄膜厚度相同的地方形成同條干涉條紋，故稱等厚干涉。牛頓環(huán)和劈尖干涉都屬于等厚干涉。等厚干涉的條件為另外，根據(jù)光的干涉原理制成了精密測(cè)量?jī)x器邁克爾遜干涉儀，通過(guò)觀測(cè)相應(yīng)條紋的變化來(lái)測(cè)量待測(cè)物質(zhì)的性質(zhì)，如厚度、折射率等。2. 光的衍射光在傳播過(guò)程中，遇到障礙物或小孔時(shí)，光將偏離直線傳播的途徑而繞到障礙物后面?zhèn)鞑サ默F(xiàn)象，叫光的衍射。惠更斯-菲涅耳原理是以波動(dòng)理論解釋光的傳播規(guī)律的基本原理。它是在惠更斯原理的基礎(chǔ)上發(fā)展而得的，是研究衍射現(xiàn)象的理論基礎(chǔ)，可作為求解

4、波（特別是光波）傳播問(wèn)題的一種近似方法。主要內(nèi)容為：行進(jìn)中的波陣面上任一點(diǎn)都可看作是新的次波源，而從波陣面上各點(diǎn)發(fā)出的許多次波所形成的包絡(luò)面，就是原波面在一定時(shí)間內(nèi)所傳播到的新波面。本書中主要討論的是平行光的衍射，夫瑯禾費(fèi)衍射。把單色點(diǎn)光源放在透鏡的焦點(diǎn)上，經(jīng)過(guò)透鏡后的單色平行光垂直照射衍射屏?xí)r，在屏后面不同距離上會(huì)觀察到一些衍射現(xiàn)象，其中當(dāng)屏遠(yuǎn)離到足夠大的距離后，光斑中心出現(xiàn)一個(gè)較大的亮斑，外圍是一些較弱的明暗相間的同心圓環(huán)，此后再往外移動(dòng)，衍射花樣出現(xiàn)穩(wěn)定分布，中心處總是亮的，只是半徑不斷擴(kuò)大而已，這種衍射稱為夫瑯禾費(fèi)衍射。單縫夫瑯禾費(fèi)衍射的暗紋和明紋條件為利用多縫衍射原理使光發(fā)生色散的元

5、件稱為衍射光柵。光柵大量等寬等間距的平行狹縫(或反射面)構(gòu)成的光學(xué)元件。如圖2，當(dāng)光程差等于入射光波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，各縫射出的聚焦于屏幕上P點(diǎn)的衍射光因相干疊加得到加強(qiáng)，形成明紋(主極大)。產(chǎn)生條件為暗紋條件是 ，N為光柵的狹縫數(shù)目。圖2 衍射光柵另外，勞厄提出用晶體作為X射線的天然三維衍射光柵。X射線經(jīng)過(guò)晶體時(shí)，向各方向發(fā)出子波，這些子波發(fā)生干涉，從而形成勞厄斑。各層散射射線相互加強(qiáng)而形成亮點(diǎn)的條件是：即布拉格公式。3. 光的偏振光波電矢量振動(dòng)的空間分布對(duì)于光的傳播方向失去對(duì)稱性的現(xiàn)象叫做光的偏振。只有橫波才能產(chǎn)生偏振現(xiàn)象，故光的偏振是光的波動(dòng)性的又一例證。在垂直于傳播方向的平面內(nèi)，包含一切可

6、能方向的橫振動(dòng)，且平均說(shuō)來(lái)任一方向上具有相同的振幅，這種橫振動(dòng)對(duì)稱于傳播方向的光稱為自然光（非偏振光）。凡其振動(dòng)失去這種對(duì)稱性的光統(tǒng)稱偏振光。偏振光一般分為五種：線偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光、自然光和部分偏振光。馬呂斯定律可確定偏振光強(qiáng)度變化的定量關(guān)系，如果入社偏振光的強(qiáng)度為I0，透射光的強(qiáng)度為I，則有I=I0cos2，式中是線偏振光的光振動(dòng)方向和檢偏器偏振化方向之間的夾角。經(jīng)過(guò)檢測(cè)，可知反射光和折射光都是部分偏振光。反射光的偏振程度取決于入射角i。布儒斯特定律指出，當(dāng)自然光以布儒斯特角入射到兩不同介質(zhì)的表面時(shí)，其反射光為線偏振光，光振動(dòng)垂直于入射面。布儒斯特角：4. 光的雙折射光束入射到各向異性的晶體，分解為兩束光而沿不同方向折射的現(xiàn)象成為雙折射。雙折射晶體的一個(gè)重要用途是制作波