第二章光學基礎知識與光場傳播規(guī)律

第二章

光學基礎知識與光場傳播規(guī)律主要內(nèi)容2.1光學基礎知識2.2麥克斯韋方程2.3電介質2.4波動方程2.5光波的表示與傳播特性2.6高斯光束2.1光學基礎知識2.1.1光的基本屬性(1)微粒說(2)波動說(3)光的電磁理論(4)波粒二象性back2.1.1光的基本屬性微粒說根據(jù)光的直線傳播性質,牛頓與1704年在《光學》一書中提出光是微粒流的理論.他認為這些微粒從光源飛出來,在真空或均勻物質內(nèi)由于慣性而做勻速直線運動,并以此解釋了光的反射定律和折射定律·從十七世紀開始,就發(fā)現(xiàn)有與光的直線傳播不完全符合的事實如：格里瑪?shù)?、胡克等觀察到衍射現(xiàn)象2.1.1光的基本屬性波動說惠更斯1678年《論光》一書中提出光是在“以太”中傳播的波，提出光波動的次波原理,成功地解釋了折射、反射定律,還解釋了方解石的雙折射定律.但是沒有提到波長、相位這些概念1815年,菲涅耳用楊氏干涉原理補充了惠更斯原理,稱為惠更斯-菲涅耳原理·1808年,馬呂發(fā)現(xiàn)光在兩種介質表面上反射時的偏振現(xiàn)象.楊氏在1817年提出了光是一種橫波的假設.菲涅耳進一步完善了這個觀點并導出了菲涅耳公式波動說理論既解釋了光的直線傳播,也解釋了光的干涉、衍射現(xiàn)象,同時又解釋了光的偏振現(xiàn)象.2.1.1光的基本屬性波粒二象性·光的電磁理論的主要困難是不能解釋光和物質相互作用的某些現(xiàn)象.例如熾熱黑體輻射中能量按波長分布的問題.特別是1887年赫茲發(fā)現(xiàn)的光電效應光電效應2.1.1光的基本屬性波粒二象性·1900年普朗克提出了輻射的量子理論(1)能量是不連續(xù)的(2)能量的大小等于hv的整數(shù)倍·1905年愛因斯坦提出了光量子理論(光子理論),圓滿解釋了光電效應.光的波動性：光的干涉、衍射和偏振光的粒子性：黑體輻射、光電效應等光同時具有波粒二象性back81、光的本質

光波是一種電磁波，其基本特征用三個物理量描述：光速c、波長λ、頻率f。三者關系：c=λf。在不同介質中，光速和波長不同：c=v/n，λ=λ0/n，頻率不變!真空中的光速為3×108米/秒光波按波長或頻率可分為：X射線、紫外光、可見光、近紅外和遠紅外光等波段。

回顧光學的基本概念9幾何光學基本定律1、光的直線傳播定律

在各向同性的均勻介質中，光沿直線傳播。2、光的獨立傳播定律

不同光源發(fā)出的光線在空間相交時，彼此互不干擾，獨立傳播。相遇處的光強度是簡單地相加，總是增強的。各向同性

不同光源

2.1.2折射反射全反射1折射、反射定律包括兩方面的內(nèi)容(1)折射、反射光位于入射光與界面法線所決定的平面內(nèi)(2)折射交滿足,反射角等于入射角n1n2(2),入射角大于臨界角——2.1.2折射反射全反射2全反射(1)光從光密介質向光疏介質入射——n1>n2，入射光的能量全部被界面反射回光密介質2.1.3光的獨立傳播原理及干涉波動的三個特性——獨立性,疊加性,相干性1獨立性原理2疊加性在波的獨立傳播定律成立的前提下,當兩列或多列波同時存在時,在它們的交疊區(qū)域內(nèi)每點的振動是各列波單獨在該點產(chǎn)生的振動的合成,這就是波的疊加原理當兩列光波在空間交疊時,它們各自的傳播互不干擾,各自獨立地按照自己原來的傳播方向繼續(xù)前進,彼此不受影響.這就是波的獨立傳播定律2.1.3光的獨立傳播原理及干涉3相干性(干涉)兩列波產(chǎn)生相干的條件(1)頻率相同(2)存在相互平行的振動分量(3)位相差恒定兩個沿同一直線的簡諧振動,頻率相同,位相相同疊加的結果由于位相差恒定,與時間無關,則2.1.3光的獨立傳播原理及干涉平均強度干涉項3相干性(干涉)2.1.3光的獨立傳播原理及干涉3相干性(干涉)※討論(1)若兩振動位相相同……合振動平均強度達最大值(干涉相長)(2)若兩振動位相相反……合振動平均強度最小(干涉相消)2.1.4衍射1光的衍射現(xiàn)象(1)窗外說話,窗內(nèi)他聽見(聲波)(2)無線電波繞過山的障礙物,山區(qū)能接收到電臺的廣播(電磁波)(3)光波照射不透明的障礙物,形成的影子說明什么？2.1.4衍射2惠更斯-菲涅耳原理原理(1)將波前上每個面元看做次波源(2)空間某點P振動是所有次波在該點的相干疊加菲涅耳衍射(近場衍射)夫瑯和費衍射(遠場衍射)由自然光得到偏振光的過程稱為起偏,所用器件為起偏器;如該器件用來檢驗某一束光是否為偏振光,則稱之為檢偏器.2.1.5偏振縱波：波的振動方向和波的振動方向相同橫波：波的振動方向和波的振動方向垂直

·振動方向對于傳播方向的不對稱性叫做偏振.最常見光偏振態(tài)包括：自然光,線偏振光,部分偏振光,圓偏振光和橢圓偏振光2.1.5偏振(3)部分偏振光部分偏振光在垂直于光傳播方向的平面內(nèi)沿各方向振動的光矢量都有，但振幅不對稱，在某一方向振動較強，而與它垂直的方向上振動弱(4)圓偏振光光矢量端點在垂直于光傳播方向的截面內(nèi)描繪出圓形軌跡(5)橢圓偏振光光矢量端點在垂直于光傳播方向的截面內(nèi)描繪出橢圓軌跡(2)線偏振光光矢量只沿某一固定方向振動的光為線偏振光。偏振光的振動方向與傳播方向組成的平面稱為振動面(1)自然光自然光在垂直于光傳播防線的平面內(nèi)沿各個方向振動的矢量都有,呈各方向概率相等的隨機分布2.1.5偏振自然光光路中插入檢偏器，屏上光強減半檢偏器旋轉，屏上亮暗無變化