第三章 物理光學(xué)

第三章、物理光學(xué)物理光學(xué)：研究光的基本屬性，它的傳播規(guī)律和它與物質(zhì)之間的相互作用。波動光學(xué):從光的波動性出發(fā)研究光在傳播過程中所發(fā)生的現(xiàn)象，包括光的干涉、光的衍射、光的偏振等現(xiàn)象和本質(zhì)。量子光學(xué):從光子的性質(zhì)出發(fā),來研究光與物質(zhì)相互作用的學(xué)科。物理光學(xué)分為量子光學(xué)波動光學(xué)相位是時間和空間坐標(biāo)的函數(shù)，表示平面波在不同時刻空間各點的振動狀態(tài)。3、1平面電磁波及方程平面電磁波是在與傳播方向正交的平面上各點電場或磁場具有相同值的波固定某一時刻

，看波在空間的分布：

固定空間某點

，隨時間周期振動：

傳播速度波長時間頻率任一方向振動的光矢量E可分解成兩個互相垂直的分量

p分量：平行于入射面振動

S分量：垂直于入射面振動反射定律和折射定律2n1q1n2q1q’oE1pE1sE’1sE’1pE2sE2pxz反射和折射時的偏振關(guān)系入射光是線偏振光反射、折射是線偏振光，方位發(fā)生偏轉(zhuǎn)因為

≠

，≠入射光是自然光反射光中沒有振動平行于入射面的分量P波··········2n1n1q2q1q,發(fā)生全偏振，反射光是偏振光入射角為布儒斯特角，即：透射光為P波占優(yōu)勢的部分線偏振光。1、兩個頻率相同、振動方向相同的單色光波的疊加得到合振動3.2光波的疊加疊加結(jié)果為光波振動的矢量和，而不是光強的和。光波傳播的獨立性：兩個光波相遇后又分開，每個光波仍然保持原有的特性。疊加是線性的，但當(dāng)光強很大時這種疊加原理不再適用合成光強求解干涉、衍射問題的方法

2、駐波兩個頻率相同、振動方向相同而傳播方向相反的單色光波的疊加形成駐波。光強：與z無關(guān)，波不會在z方向上傳播故這個波稱為駐波波節(jié)波腹EyEx3π/2<δ<2πEyExδ=0EyEx0<δ<π/2EyExδ=π/2EyExπ/2<δ<πEyExδ=πEyExπ<δ<3π/2EyExδ=3π/23、兩個頻率相同、振動方向垂直的單色光波的疊加振幅變化強度變化4、光學(xué)拍兩個頻率接近、振幅相同、振動方向相同且在同一方向傳播的光形成。兩個單色波1.干涉圖樣的計算

P點的干涉條紋強度干涉條紋的意義3.3光的干涉和干涉系統(tǒng)2.干涉條紋的可見度振幅比

對條紋可見度的影響xI光源寬度

的影響實際光源是擴展光源—許多不相干點源的集合多組干涉條紋疊加的強度分布疊加后干涉條紋的可見度下降光源非單色性對條紋可見度的影響K10最大光程差

平行平板干涉裝置采用擴展光源，條紋成象在透鏡的焦平面上。s1等傾圓條紋裝置

條紋分析干涉條紋為同心圓環(huán)。。涉條紋，稱為等傾干涉相同，為一條干相同，只要的函數(shù)，變化，條紋是隨）（

DD1111qqq中央條紋疏，邊緣條紋密。平板愈厚條紋也愈密。光程差計算板厚度很小，楔角不大2.楔形平板干涉（等厚干涉）垂直入射時的光程差Dh(2)相鄰條紋所以從一個條紋過渡到另一個相鄰條紋，平板的厚度改變

條紋分布及性質(zhì)（1）（3）條紋間距（4）a（5）與楔角成反比與波長成正比3.4典型的雙光束干涉系統(tǒng)及其應(yīng)用1.典型干涉系統(tǒng)（一）斐索干涉儀：等厚干涉型的干涉儀（光學(xué)零件表面質(zhì)量的檢查）a表面不平度L3GL2PQL1激光平面干涉儀H（二）邁克爾遜干涉儀（1881）（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（2）M1或M2垂直于光線移動時對條紋的影響。特點：M1和M2垂直時是等傾干涉，板厚度很小，楔角不大為等厚干涉，否則是混合型條紋。掌握：條紋變化h增大時，條紋外冒，變密

h減小時，條紋內(nèi)縮，變疏

等傾干涉等厚干涉h增大時，條紋向膜較薄的方向移動h減小時，條紋向膜較厚的方向移動M1走過的距離視場中心移過的條紋的數(shù)目單色光波長混合條紋

（三）泰曼干涉儀通過研究光波波面經(jīng)光學(xué)零件后的變形確定零件質(zhì)量結(jié)構(gòu)原理在邁克爾遜干涉儀的一個光路中加入了被測光學(xué)器件單色準直光照明，使產(chǎn)生等厚干涉條紋，用于檢驗光學(xué)零件的綜合質(zhì)量檢驗原理檢查棱鏡棱鏡干涉圖4光的衍射光的衍射現(xiàn)象：光波在空間傳播遇到障礙時，其傳播方向會偏離直線傳播，彎入到障礙物的幾何陰影中，并呈現(xiàn)光強的不均勻分布的現(xiàn)象。衍射現(xiàn)象的分類：菲涅耳衍射：距離衍射屏近處的衍射。夫瑯和費衍射：距離衍射屏無限遠處的衍射。sAB衍射屏接收屏光源惠更斯－菲涅耳原理波陣面外任一點光振動應(yīng)該是波面上所有子波相干疊加的結(jié)果。點光源S對P點的作用光波通過圓孔的惠更斯作圖法SDD'K

夫瑯合費衍射裝置透鏡的作用：無窮遠處的衍射圖樣成象在焦平面上。4.2典型孔徑的夫瑯合費衍射矩孔衍射CQPEy1x1yP0xO強度分布特點先討論沿y軸方向的分布。在Y軸上，當(dāng)b=0時，有主極大值Imax＝I0

22-I/I0-2（1）主極大值的位置：（2）極小值的位置：b-pp-2p2p（3）暗條紋的間隔Y=2eee

相鄰兩個零強度點之間的距離與矩孔的寬度成反比，與光波波長成正比主極大值的邊緣位置和寬度：衍射擴展與矩孔的寬度成反比，與光波波長成正比衍射在X軸呈現(xiàn)與Y軸同樣的分布。在空間的其它點上，由兩者的乘積決定。（4）沿X軸與Y軸有同樣的分布：衍射圖樣單縫衍射當(dāng)b>>a時，矩孔變?yōu)楠M縫，入射光在Y方向上的衍射效應(yīng)忽略。單縫衍射的復(fù)振幅分布為x1y11.復(fù)振幅分布計算e0xx0暗條紋的間隔主極大值的邊緣位置和寬度：2.光強分布特點PEy1x1yP0xOa圓孔衍射1、復(fù)振幅分布計算變?yōu)闃O坐標(biāo)CQPEy1x1yL2P0xOr1r設(shè)圓孔半徑為，則孔徑函數(shù)變?yōu)镻點的強度與衍射角θ有關(guān)，或與r有關(guān)。r相等的光強相同，所以衍射圖樣是圓環(huán)條紋。其中中央亮斑稱為艾里斑，它的半徑滿足：艾里斑的半徑：相鄰暗環(huán)間隔不等，次極大光強比中央極大小得多。2r0結(jié)論：衍射大小與圓孔半徑成反比，而與光波波長成正比2.光強分布特點光柵作用：光柵：4.3衍射光柵一、概述分光作用能對入射光波的振幅或相位進行空間周期性調(diào)制，或?qū)φ穹拖辔煌瑫r進行空間周期性調(diào)制的光學(xué)元件。光柵應(yīng)用：光柵光譜儀1.光柵的分光原理衍射角q與l有關(guān)

1

2>

101234-1-2-3-4123亮線位置公式不同波長的同一級亮線，除零級外，均不重合，會發(fā)生色散光柵光譜線：對應(yīng)于不同波長的各級亮線光柵的夫朗和費衍射圖樣。偏振光方程：偏振光：光矢量的方向和大小有規(guī)則變化的光

線偏振光：光矢量方向不變，其大小隨位相變化。圓偏振光：光矢量大小不變，其方向繞傳播方向均勻轉(zhuǎn)動，且矢量末端軌跡為圓。

橢圓偏振光：光矢量大小和方向都在有規(guī)律地變化，且矢量末端軌跡為橢圓。5光的偏振和晶體光學(xué)基礎(chǔ)自然光部分偏振光部分偏振光：自然光在傳播過程中，由于外界的作用造成振動方向上強度不等，使某一方向上的振動比其它方向上的振動占優(yōu)勢。表示：部分偏振光=完全偏振光+自然光完全偏振光Ip=Imax-Imin偏振度：消光比：最小透射光強和最大透射光強之比。消光比與最大透射比（透過的最大光強之比）——評價偏振器性能的主要參數(shù)。消光比小，最大透射比大，偏振器質(zhì)量高自然光起偏器檢偏器光電接收器P1P2Ecos

5.1

馬呂斯定律和消光比起偏器：用來產(chǎn)生偏振光的偏振器件。檢偏器：用來檢驗偏振光的偏振器件。當(dāng)一束單色光在各向異性晶體的界面折射時，一般可以產(chǎn)生兩束折射光，這種現(xiàn)象稱為雙折射。2.尋常光（o光）和非尋常光（e光）兩束折射光中，有一束光遵守折射定律，稱為尋常光（o光）；另外一束一般不遵守折射定律，稱為非尋常光（e光）。均為線偏振光一、晶體的雙折射現(xiàn)象3、光軸：在雙折射晶體中存在一個特殊的方向，當(dāng)光束在這個方向傳播時不發(fā)生雙折射，此方向稱為晶體的光軸。格蘭－湯姆遜（Glan-Thompson）棱鏡光垂直于棱鏡端面入射時方解石直角棱鏡膠合劑e光o光樹膠折射率接近非尋常光折射率1.偏振起偏棱鏡自然光入射，其中一束線偏振光發(fā)生全反射，只出射另一束偏振光格蘭－付科（Glan-foucault）棱鏡空氣薄層優(yōu)點：適用于紫外波段，能承受強光照射缺點：孔徑角小，透射比不高e光o光渥拉斯頓棱鏡（Wollaston）：

利用兩個正交的光軸分解光。材料：冰洲石，石英2.偏振分束棱鏡——也稱為雙像棱鏡改變振動方向互相垂直的兩束線偏振光的傳播方向，獲得兩束分開的線偏振光ff

洛匈棱鏡材料：石英只允許光從左方射入棱鏡二、波片（位相延遲器）o光和e光通過波片時的光程差與位相差：d是波片厚度。使兩個振動方向相互垂直的光產(chǎn)生位相延遲。制作：用單軸透明晶體做成的平行平板，光軸與表面平行。自然光起偏器檢偏器PAxy波片光軸波片最常用的材料：云母，石英，聚乙烯醇薄膜則稱該波片是1/4波片，1/4波片的最小厚度：若當(dāng)n0>ne時，e光超前，波片的快軸為e矢量方向。1、

/4波片性質(zhì)：1)線偏振光入射時，出射光為橢圓偏振光2)與快慢軸都成45度線偏振光入射，出射光為圓偏振光3)可以使圓偏振光或橢圓偏振光變成線偏振光4)對某一特定波長的光產(chǎn)生某一特定的相位變化5)自然光入射，出射光為自然光O光和e光產(chǎn)生的光程差稱該晶片為二分之一波片。2、

/2波片性質(zhì)：1）橢圓偏振光入射時，出射光仍為橢圓偏振光，只是旋向相反；2）線偏振光入射時，出射光仍為線偏振光。若入射的線偏振光與快（慢）軸夾角為，出射光的振動方向向著快（慢）軸轉(zhuǎn)動了2

。3、全波片稱該晶片為全波片。性質(zhì)：1）不改變?nèi)肷涔獾钠駹顟B(tài)；2）只能增大光程差。6.1.愛因斯坦光子學(xué)說光發(fā)射和吸收的能量都是光的某一最小能量的整數(shù)倍。最小的一份能量稱為光子，光子的能量為：普朗克常量輻射頻率光是一束能量為的光子組成的粒子流愛因斯坦光電效應(yīng)方程動能脫出功6.激光基礎(chǔ)

加熱波耳茲曼（Boltzmann）定律許多氣態(tài)物質(zhì)，特別是金屬蒸氣，加熱易發(fā)光基態(tài)較高能級躍遷激發(fā)＝2.激發(fā)方式發(fā)射光子兩種途徑1）直接回到基態(tài)2）通過中間能級回到基態(tài)熒光共振輻射基態(tài)高能級受激吸收＝吸收光子躍遷

輻射激發(fā)

碰撞激發(fā)氫燈、汞燈、鈉光燈的激發(fā)方式機理陰極電子發(fā)射電場作用獲得動能的電子碰撞原子能量傳遞高能級的原子激發(fā)共振轉(zhuǎn)移基態(tài)的原子激發(fā)態(tài)的原子碰撞躍遷激發(fā)態(tài)基態(tài)回到電致發(fā)光方式如：氣體放電光源氫燈、汞燈等6.2激光的基本原理受激輻射光放大雪崩似地放大自發(fā)輻射發(fā)光激光產(chǎn)生激光的裝置——激光器一、激光器運轉(zhuǎn)的物理過程用激發(fā)方式或其它方式（如化學(xué)反應(yīng)方式），把低能級的原子激發(fā)到高能級上——泵浦不穩(wěn)定的高能級原子會下降到亞穩(wěn)態(tài)能級，造成亞穩(wěn)態(tài)能級與基態(tài)能級間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)亞穩(wěn)態(tài)能級上的原子躍遷到基態(tài)，自發(fā)輻射出各個方向的光子光學(xué)諧振腔從光子中選擇沿腔軸線方向傳播的光子，將它反饋回來，再刺激亞穩(wěn)態(tài)上能級上的原子，造成受激發(fā)射，產(chǎn)生成倍增加的光子再反饋，如此往復(fù)，就可以產(chǎn)生“雪崩”般的效果，激光束就從腔的端面射出二、激光器的組成泵浦源工作物質(zhì)諧振腔1.工作物質(zhì)能被激發(fā)至粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的原子或分子集合—激活介質(zhì)

是產(chǎn)生激光的內(nèi)因能級