第二章光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)與光場傳播規(guī)律

第二章

光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)與光場傳播規(guī)律主要內(nèi)容2.1光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)2.2麥克斯韋方程2.3電介質(zhì)2.4波動(dòng)方程2.5光波的表示與傳播特性2.6高斯光束2.1光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)2.1.1光的基本屬性(1)微粒說(2)波動(dòng)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(zhì),牛頓與1704年在《光學(xué)》一書中提出光是微粒流的理論.他認(rèn)為這些微粒從光源飛出來,在真空或均勻物質(zhì)內(nèi)由于慣性而做勻速直線運(yùn)動(dòng),并以此解釋了光的反射定律和折射定律·從十七世紀(jì)開始,就發(fā)現(xiàn)有與光的直線傳播不完全符合的事實(shí)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(dòng)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(dòng)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(bǔ)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(zhì)表面上反射時(shí)的偏振現(xiàn)象.楊氏在1817年提出了光是一種橫波的假設(shè).菲涅耳進(jìn)一步完善了這個(gè)觀點(diǎn)并導(dǎo)出了菲涅耳公式波動(dòng)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(shí)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(zhì)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(yīng)光電效應(yīng)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(yīng).光的波動(dòng)性：光的干涉、衍射和偏振光的粒子性：黑體輻射、光電效應(yīng)等光同時(shí)具有波粒二象性back81、光的本質(zhì)

光波是一種電磁波，其基本特征用三個(gè)物理量描述：光速c、波長λ、頻率f。三者關(guān)系：c=λf。在不同介質(zhì)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(yuǎn)紅外光等波段。

回顧光學(xué)的基本概念9幾何光學(xué)基本定律1、光的直線傳播定律

在各向同性的均勻介質(zhì)中，光沿直線傳播。2、光的獨(dú)立傳播定律

不同光源發(fā)出的光線在空間相交時(shí)，彼此互不干擾，獨(dú)立傳播。相遇處的光強(qiáng)度是簡單地相加，總是增強(qiáng)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(zhì)向光疏介質(zhì)入射——n1>n2，入射光的能量全部被界面反射回光密介質(zhì)2.1.3光的獨(dú)立傳播原理及干涉波動(dòng)的三個(gè)特性——獨(dú)立性,疊加性,相干性1獨(dú)立性原理2疊加性在波的獨(dú)立傳播定律成立的前提下,當(dāng)兩列或多列波同時(shí)存在時(shí),在它們的交疊區(qū)域內(nèi)每點(diǎn)的振動(dòng)是各列波單獨(dú)在該點(diǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)的合成,這就是波的疊加原理當(dāng)兩列光波在空間交疊時(shí),它們各自的傳播互不干擾,各自獨(dú)立地按照自己原來的傳播方向繼續(xù)前進(jìn),彼此不受影響.這就是波的獨(dú)立傳播定律2.1.3光的獨(dú)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(dòng)分量(3)位相差恒定兩個(gè)沿同一直線的簡諧振動(dòng),頻率相同,位相相同疊加的結(jié)果由于位相差恒定,與時(shí)間無關(guān),則2.1.3光的獨(dú)立傳播原理及干涉平均強(qiáng)度干涉項(xiàng)3相干性(干涉)2.1.3光的獨(dú)立傳播原理及干涉3相干性(干涉)※討論(1)若兩振動(dòng)位相相同……合振動(dòng)平均強(qiáng)度達(dá)最大值(干涉相長)(2)若兩振動(dòng)位相相反……合振動(dòng)平均強(qiáng)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(tái)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(gè)面元看做次波源(2)空間某點(diǎn)P振動(dòng)是所有次波在該點(diǎn)的相干疊加菲涅耳衍射(近場衍射)夫瑯和費(fèi)衍射(遠(yuǎn)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(yàn)?zāi)骋皇馐欠駷槠窆?則稱之為檢偏器.2.1.5偏振縱波：波的振動(dòng)方向和波的振動(dòng)方向相同橫波：波的振動(dòng)方向和波的振動(dòng)方向垂直

·振動(dòng)方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚?duì)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(dòng)的光矢量都有，但振幅不對(duì)稱，在某一方向振動(dòng)較強(qiáng)，而與它垂直的方向上振動(dòng)弱(4)圓偏振光光矢量端點(diǎn)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(diǎn)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(dòng)的光為線偏振光。偏振光的振動(dòng)方向與傳播方向組成的平面稱為振動(dòng)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(gè)方向振動(dòng)的矢量都有,呈各方向概率相等的隨機(jī)分布2.1.5偏振自然光光路中插入檢偏器，屏上光強(qiáng)減半檢偏器旋轉(zhuǎn)，屏上亮暗無變化