大學(xué)物理波動(dòng)光學(xué)總結(jié)

大學(xué)物理學(xué)波動(dòng)光學(xué)的學(xué)習(xí)總結(jié)（北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院131715班北京100191）摘要：文章就大學(xué)物理學(xué)中的波動(dòng)光學(xué)中的核心部分包括干涉，衍射，偏振部分的知識(shí)做了梳理，并就對(duì)推動(dòng)波動(dòng)光學(xué)理論建立的光學(xué)實(shí)驗(yàn)做了總結(jié)性的介紹和研究。關(guān)鍵詞：波動(dòng)光學(xué)干涉衍射偏振實(shí)驗(yàn)19世紀(jì)初，人們發(fā)現(xiàn)光有干涉、衍射、和偏振等現(xiàn)象。例如，在日常生活中?？煽吹皆谔?yáng)光的照耀下，肥皂泡或水面的油膜上會(huì)呈現(xiàn)出色彩絢麗的彩色條紋圖樣；又如，讓點(diǎn)光源發(fā)出的光通過一個(gè)直徑可調(diào)的圓孔，在孔后適當(dāng)位置放置一屏幕，逐漸縮小孔徑，屏幕上上會(huì)出現(xiàn)中心亮斑，周圍為明暗相間的圓環(huán)形圖案等等。這些現(xiàn)象表明光具有波動(dòng)性，用幾何光學(xué)理論是無法解釋的。由此產(chǎn)生了以光是波動(dòng)為基礎(chǔ)的光學(xué)理論，這就是波動(dòng)光學(xué)。19世紀(jì)60年代，麥克斯韋建立了光的電磁理論，光的干涉，衍射和偏振現(xiàn)象得到了全面說明。本文將從光的干涉衍射和偏振來討論光的波動(dòng)性以及波動(dòng)光學(xué)中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。光的干涉光波定義光波是某一波段的電磁波，是電磁量E和H的空間的傳播.光的干涉定義滿足一定條件的兩束(或多束)光波相遇時(shí)，在光波重疊區(qū)域內(nèi)，某些點(diǎn)合光強(qiáng)大于分光強(qiáng)之和，在另一些點(diǎn)合光強(qiáng)小于分光強(qiáng)之和，因而合成光波的光強(qiáng)在空間形成強(qiáng)弱相間的穩(wěn)定分布，稱為光的干涉現(xiàn)象，光波的這種疊加稱為相干疊加，合成光波的光強(qiáng)在空間形成強(qiáng)弱相間的穩(wěn)定分布稱為干涉條紋，其中強(qiáng)度極大值的分布稱為明條紋，強(qiáng)度極小值的分布稱為暗條紋.相干條件表述兩束光波發(fā)生相干的條件是:頻率相同，振動(dòng)方向幾乎相同，在相遇點(diǎn)處有恒定的相位差.4.光程差與相位差定義兩列光波傳播到相遇處的光程之差稱為光程差;兩列光波傳播到相遇處的相位之差稱為相位差.5.雙光束干涉強(qiáng)度公式表述在滿足三個(gè)相干條件時(shí)，兩相干光疊加干涉場(chǎng)中各點(diǎn)的光強(qiáng)為式子中，相位差保持恒定，若則6.楊氏雙縫千涉實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置與現(xiàn)象如圖1所示，狹縫光源S位于對(duì)稱軸線上，照明相距為a的兩個(gè)狹縫和，在距針孔為D的垂軸平面上觀察干涉圖樣，裝置放置在空氣(n=1)中，結(jié)構(gòu)滿足.在近軸區(qū)內(nèi)，屏幕上的是平行、等間距的明暗相間的直條紋，屏幕上P點(diǎn)的光程差為相應(yīng)明暗紋條件是\干涉條紋的位置是式中，整數(shù)k稱為干涉級(jí)數(shù)，用以區(qū)別不同的條紋.布儒斯特角由布儒斯特定律決定，即布儒斯特角滿足如下關(guān)系:式中，和分別為入射空間和折射空間的折射率.6.波片表述表面與光軸平行的晶體薄片稱為波片，當(dāng)一束光正入射于波片時(shí)，具有相同的相位，由于它們的傳播速度不同，使之通過波片后產(chǎn)生一定的光程差.式中，d為波片的厚度，對(duì)應(yīng)的相位差是若使d滿足o光和e光在通過波片后產(chǎn)生的相位差，則此波片稱為該波長(zhǎng)的1/4波片;若相位差為π（或光程差為/2)，稱為該波長(zhǎng)的半波片.7.偏振光的干涉實(shí)驗(yàn)裝置及現(xiàn)象如圖4所示，在兩個(gè)偏振化方向成一定角度的偏振片之間插入一個(gè)波片，當(dāng)自然光入射時(shí)，先用一個(gè)起偏器使自然光變成線偏振光.線偏振光進(jìn)入波片后，投射光形成偏振方向相互垂直的口光和e光，再經(jīng)過檢偏振器，使。光和e光變?yōu)橥较虻恼駝?dòng)，以滿足偏振光的干涉條件，形成干涉條紋。四、推動(dòng)波動(dòng)光學(xué)發(fā)展的重要實(shí)驗(yàn)17世紀(jì),胡克和惠更斯創(chuàng)立了光的波動(dòng)說.這一時(shí)期,人們還發(fā)現(xiàn)了一些與光的波動(dòng)性有關(guān)的光學(xué)現(xiàn)象,例如格里馬爾迪首先發(fā)現(xiàn)光遇障礙物時(shí)將偏離直線傳播,他把此現(xiàn)象起名為“衍射”.胡克和玻意耳分別通過實(shí)驗(yàn)觀察到現(xiàn)稱之為牛頓環(huán)的干涉現(xiàn)象.這些發(fā)現(xiàn)成為波動(dòng)光學(xué)發(fā)展史的起點(diǎn).在隨后的一百多年間,牛頓的“微粒說”與惠更斯的“波動(dòng)說”構(gòu)成了關(guān)于光的兩大基本理論,并由此而產(chǎn)生激烈的爭(zhēng)議和探討,科學(xué)家們就光是波動(dòng)還是微粒這一問題展開了一場(chǎng)曠日持久的拉鋸戰(zhàn).因牛頓在學(xué)術(shù)界的權(quán)威和盛名,“微粒說”一直占據(jù)著主導(dǎo)地位,波動(dòng)說則不為多數(shù)人所接受.直到進(jìn)入19世紀(jì)后,人們發(fā)現(xiàn)光有干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象,這些事實(shí)都對(duì)光的波動(dòng)說提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù),從而極大地推動(dòng)了波動(dòng)光學(xué)的發(fā)展.1、楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)是楊(T.Young)最早以明確形式確立光波疊加原理,用光的波動(dòng)性解釋干涉現(xiàn)象的一個(gè)實(shí)驗(yàn),從而揭開了波動(dòng)光學(xué)復(fù)興的序幕.楊氏實(shí)驗(yàn)示意圖如下圖所示,根據(jù)惠更斯原理,認(rèn)為雙縫S1和S2是兩個(gè)發(fā)射子波的波源,它們都是從同一個(gè)光源S而來并位于同一個(gè)子波波面,故它們的相位總是相同而能構(gòu)成相干光源.由下圖,若雙縫間距離為d,縫屏到光屏EE′間距為D,光屏上任一點(diǎn)P到雙縫的距離為r1、r2,從S1和S2所發(fā)出的光,到達(dá)P的波程差是δ=r2-r1≈dsinθ式中θ表示PO對(duì)雙縫中點(diǎn)的張角.若光程差等于波長(zhǎng)整數(shù)倍,即k=0,1,2,…P點(diǎn)為明紋.若光程差等于半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍,即2k=0,1,2,…P點(diǎn)為暗紋.通常能觀察到干涉條紋的情況下θ總是很小,則故光屏上各級(jí)亮紋離中心O的距離為k=0,1,2,…兩相鄰亮條紋或暗條紋的間距都是Δx=Dλd,且干涉條紋都是等間距分布的.楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)為光的波動(dòng)學(xué)說提供了有力的實(shí)驗(yàn)依據(jù),它導(dǎo)致人們對(duì)光的波動(dòng)理論普遍接受.同時(shí),楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)還以極簡(jiǎn)單的裝置和極巧妙的構(gòu)思把普通光源變成相干光源,即滿足了頻率相同、相位差恒定,存在相同的振動(dòng)分量.在此以后的菲涅爾雙面鏡、雙棱鏡、洛埃鏡等都是以楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)為原型設(shè)計(jì)出來的.因此楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)在波動(dòng)光學(xué)發(fā)展史上乃至物理學(xué)史上都占有非常重要的地位.2夫瑯禾費(fèi)單縫衍射實(shí)驗(yàn)衍射和干涉一樣,也是波動(dòng)的重要特征之一.波在傳播過程中遇到障礙物時(shí),能夠繞過障礙物邊緣前進(jìn),這種偏離直線傳播的現(xiàn)象稱為波的衍射.但是因?yàn)楣獠ǖ牟ㄩL(zhǎng)太短,只有幾百納微米,因此要想實(shí)現(xiàn)光波的衍射比起機(jī)械波的衍射要難得多,所以在一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi),光能夠發(fā)生衍射的觀點(diǎn)根本不被人們所接受,光的波動(dòng)說也就欠缺了說服力.夫瑯禾費(fèi)單縫衍射實(shí)驗(yàn)有力地證明光的波動(dòng)性.平行光通過狹縫產(chǎn)生的衍射條紋定位于無窮遠(yuǎn),稱做夫瑯禾費(fèi)單縫衍射.如下圖所示,根據(jù)菲涅爾半波帶理論,設(shè)單縫的寬度為a,在平行單色光的垂直照射下,位于單縫所在處的波陣面AB上各點(diǎn)發(fā)出的子波沿各個(gè)方向傳播,位于兩條邊緣衍射線之間的光程差為δ=BC=asinθ式中θ表示衍射角即波衍射后沿某一方向傳播的子波波線與平面衍射屏法線之間的夾角.根據(jù)菲涅爾半波帶理論,當(dāng)θ適合k=±1,±2;±3,…暗紋k=±1,±2,±3,…明紋中央明條紋的半角寬度,當(dāng)θ1很小時(shí)有3泊松亮斑實(shí)驗(yàn)在人類探索光的本性的進(jìn)程中,泊松亮斑實(shí)驗(yàn)是波動(dòng)光學(xué)發(fā)展史上具有重大意義的一個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn),在很大程度上推動(dòng)了波動(dòng)光學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展.1818年,法國(guó)科學(xué)院組織了一次懸賞征文活動(dòng),競(jìng)賽評(píng)獎(jiǎng)委員會(huì)的本意是希望通過這次征文,鼓勵(lì)用微粒理論解釋衍射現(xiàn)象,以期取得微粒理論的決定性勝利.然而,出乎意料的是,不知名的學(xué)者菲涅耳卻按照波動(dòng)說深入地研究了光的衍射.當(dāng)時(shí),泊松是光的波動(dòng)說的極力反對(duì)者,他按照菲涅耳的理論計(jì)算了光在圓盤后的影的問題,發(fā)現(xiàn)在一定條件下,在不透明的圓板的陰影中心有一個(gè)亮斑,這就是著名的“泊松亮斑”,如下圖所示.泊松認(rèn)為這是十分荒謬的,于是就聲稱駁倒了光的波動(dòng)理論.但后來菲涅耳在實(shí)驗(yàn)室觀察到了這個(gè)亮點(diǎn),這樣,泊松的計(jì)算公式反而有力地支持了光的波動(dòng)學(xué)說,使光的波動(dòng)理論在這場(chǎng)競(jìng)賽中,贏得了新的輝煌的勝利.4塞曼效應(yīng)試驗(yàn)塞曼效應(yīng)被譽(yù)為繼X射線(1895年發(fā)現(xiàn))之后物理學(xué)最重要的發(fā)現(xiàn)之一,1902年塞曼因這一發(fā)現(xiàn)與洛倫茲共享諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).19世紀(jì)初,光的波動(dòng)說獲得很大成功,逐漸得到人們公認(rèn).但是當(dāng)時(shí)人們把光波看成像機(jī)械波,需要有傳播的媒介,曾假設(shè)在宇宙空間充滿一種特殊物質(zhì)“以太”.而且,“以太”應(yīng)具有以下性質(zhì):一是有很大的彈性(甚至像鋼一樣);二是有極小的密度(比空氣要稀薄得多———以至我們根本不能用實(shí)驗(yàn)探測(cè)它的存在).這種神秘的“以太”存在嗎?這個(gè)問題到目前為止,甚至還在小范圍的爭(zhēng)執(zhí)之中.但是,各種證明“以太”存在的實(shí)驗(yàn)都被認(rèn)為是失敗的,這就使光的機(jī)械波學(xué)說陷入了困境.這時(shí),有一些新的事實(shí)促使人們?nèi)ミM(jìn)一步探索光的本性的神秘面紗.1862年法拉第做了最后一次實(shí)驗(yàn),試圖發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)對(duì)放在磁場(chǎng)內(nèi)的光源發(fā)出的光線的影響,但結(jié)果是否定的,因?yàn)樗玫膬x器還不夠靈敏,不能探測(cè)到這種微細(xì)的效應(yīng).30年后,當(dāng)時(shí)還是青年的塞曼,從閱讀法拉第的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃受到啟發(fā),他用更精密的儀器重新做實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)了塞曼效應(yīng).這個(gè)實(shí)驗(yàn)證明了光具有電磁本性,同時(shí)也對(duì)原子物理的研究有著重要的貢獻(xiàn).塞曼效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)使人類對(duì)光的認(rèn)識(shí)更加深化,認(rèn)識(shí)范圍更加擴(kuò)大.光具有波動(dòng)性、光的電磁本性逐漸被人們所公認(rèn).這種理論在光學(xué)史上起著特殊重要的作用.五、波動(dòng)光學(xué)學(xué)習(xí)感想通過對(duì)波動(dòng)光學(xué)部分學(xué)習(xí)，我真切的感受到了光學(xué)的奧秘和無限的研究?jī)r(jià)值之所在。在這之前，一直是幾何光學(xué)給予我最直接的對(duì)于光學(xué)的印象，這種印象是我對(duì)光學(xué)并沒有產(chǎn)生多大的興趣。接觸和學(xué)習(xí)了波動(dòng)光學(xué)部分的內(nèi)容和知識(shí)之后，我感受到了光變化萬千的本質(zhì)。作為一種電磁波，光的波動(dòng)性質(zhì)使其具有了諸如干涉，衍射，偏振的性質(zhì)，這些性質(zhì)隨著科技不斷的進(jìn)步，測(cè)量工具的日益進(jìn)步逐漸為人類所了解熟悉，到應(yīng)用。這些應(yīng)用體現(xiàn)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的各個(gè)方面，例如。長(zhǎng)度的精密測(cè)量，光譜學(xué)的測(cè)量與分析，光測(cè)彈性研究，晶體結(jié)構(gòu)的分析等。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，全息照相技術(shù)，集成光學(xué)，光通信等新技術(shù)也先后建立起來，開拓了光學(xué)研究和應(yīng)用的全新領(lǐng)域。其中，在基礎(chǔ)理論方面也包括了對(duì)波動(dòng)光學(xué)的再認(rèn)識(shí)和新內(nèi)容。如傅里葉光學(xué)、相干光學(xué)和信息處理以及在強(qiáng)