光的基本性質(zhì)

1、中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,第四章 材料的光學(xué)性能,本章內(nèi)容,光的基本性質(zhì) 光的反射與折射 光的吸收與散射 光的發(fā)射,請(qǐng)思考,為什么材料具有顏色？ 為什么材料能夠發(fā)光？發(fā)光的方式有哪些？ 為什么某些材料透明，某些材料不透明？ 為什么某些材料具有一定的光澤？ 光學(xué)性能測(cè)試有哪些？各自有什么用途？,第一節(jié) 光的基本性質(zhì),光學(xué)研究的歷程 光的性質(zhì) 光的傳輸,中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,1.光學(xué)研究的歷程,光的現(xiàn)象,光的微粒說(shuō)（牛頓）,光的波動(dòng)說(shuō)（胡克，惠更斯）,光的電磁說(shuō)（麥克斯韋）,光的波粒二象性（普朗克，愛(ài)因斯坦）,光的直線傳播,光的干涉,光的衍射,電磁波譜,光譜,?,對(duì)光的認(rèn)識(shí)也隨

2、科技的發(fā)展不斷進(jìn)步 墨子 光沿直線傳播 小孔成像 笛卡爾 光的折射與反射定律 牛頓 光的粒子性 惠更斯 光的波動(dòng)性 托馬斯楊 光的干涉與衍射 麥克斯韋 光是一種電磁波 邁克爾孫 光速的測(cè)定 普朗克 光的量子學(xué)說(shuō) 愛(ài)因斯坦 光量子波粒二重性（粒子性和波動(dòng)性） 狄拉克 電磁場(chǎng)的量子化結(jié)合波動(dòng)與量子 光的應(yīng)用 激光、光纖、發(fā)光二極管. .,光的微粒說(shuō),17 世紀(jì)為牛頓所提倡； 光是一種高速微粒，從光源沿直線行進(jìn)至被照物； 直觀地解釋了光的傳播、反射及折射等現(xiàn)象，曾被普遍接受。,光的波動(dòng)說(shuō),荷蘭人惠更斯于17世紀(jì)初創(chuàng)立，經(jīng)托馬斯楊等證實(shí)； 光是一種波動(dòng)，由發(fā)光體引起，和聲一樣依靠媒質(zhì)來(lái)傳播，隨后被證實(shí)

3、為一種電磁波； 能夠解釋光的傳播、干射、衍射、散射、偏振等許多現(xiàn)象； 但不能解釋光與物質(zhì)相互作用中的能量量子化轉(zhuǎn)換的性質(zhì)。,光的電磁說(shuō),麥克斯韋1865年理論上預(yù)言，赫茲1888年通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)； 光是一種電磁波，在空間中電磁場(chǎng)的方式傳播。,麥克斯韋方程組,首次系統(tǒng)地把電和磁在理論上統(tǒng)一起來(lái)。,麥克斯韋，英國(guó)物理學(xué)家,“一般地，宇宙間任何的電磁現(xiàn)象，皆可由此方程組解釋。”,融合了電/磁的高斯定律、安培定律、法拉第定律。預(yù)言了電磁波的存在。,18311879,或,物理學(xué)中的“大統(tǒng)一”思想,牛頓首次將天上和地上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律統(tǒng)一起來(lái)，實(shí)現(xiàn)第一次大綜合。 麥克斯韋把電、磁、光統(tǒng)一起來(lái)，實(shí)現(xiàn)第二次大綜合。

4、愛(ài)因斯坦試圖把自然界中的4種作用力統(tǒng)一起來(lái)，實(shí)現(xiàn)物理學(xué)中真正意義上的“大一統(tǒng)”。,基本作用力,萬(wàn)有引力,電磁作用力,弱相互作用力,強(qiáng)相互作用力,是一種力，1979年Nobel物理學(xué)獎(jiǎng),薩拉姆、格拉肖、溫伯格,（巴基斯坦人）,光學(xué)的分支,幾何光學(xué) 物理光學(xué) 量子光學(xué),以光的直線傳播理論、折射與反射定律為基礎(chǔ)。,從光的波動(dòng)性出發(fā)來(lái)研究光在傳播過(guò)程中所發(fā)生的 現(xiàn)象的學(xué)科，也稱(chēng)作波動(dòng)光學(xué)。,從光子的性質(zhì)出發(fā)，來(lái)研究光與物質(zhì)相互作用的學(xué)科。,以麥克斯韋定律、電動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ),以量子力學(xué)、量子電動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ),從幾個(gè)基本原理出發(fā)，來(lái)研究光的傳播問(wèn)題的學(xué)科。,第一節(jié) 光的基本性質(zhì),歷史回顧 光的性質(zhì) 光的傳輸,

5、2. 光的基本特性,波粒二象性 偏振性 電磁性 干涉與衍射, 波粒二象性,光子,光子的能量,光子的動(dòng)量,光子：光波輻射的最小能量單元，不可再分。,光波可以看作光子的概率波。,光子沒(méi)有靜止質(zhì)量，不帶電荷。,徳布羅意物質(zhì)波假說(shuō),徳布羅意，法國(guó)物理學(xué)家,波粒二象性是所有物質(zhì)的固有特性。,物質(zhì)波（徳布羅意波）是一種幾率波。,徳布羅意延伸了愛(ài)因斯坦的假說(shuō)，在量子力學(xué)理論的發(fā)展中 作出了開(kāi)創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。,光子，電子，聲子，一切基本粒子,光的偏振性是判斷光波是橫波還是縱波的重要依據(jù)。,縱波：振動(dòng)方向沿傳播方向，因此振動(dòng)方向相對(duì)于垂直面A來(lái)說(shuō)是對(duì)稱(chēng)的。,橫波：振動(dòng)方向垂直于傳播方向，因此振動(dòng)方向相對(duì)于垂直面A來(lái)

6、說(shuō)是不對(duì)稱(chēng)的。稱(chēng)此現(xiàn)象為偏振。,理論和實(shí)驗(yàn)證明，光波是橫波,光具有偏振性，稱(chēng)為光的偏振, 光的偏振性,偏振光,= 部分偏振光,1、線偏振光 2、圓偏振光 3、橢圓偏振光,偏振光+自然光,1、部分線偏振光 2、部分圓偏振光 3、部分橢圓偏振光,只沿單一方向振動(dòng)的光,部分偏振光可以看成是自然光和線偏振光的混合。,1）線偏振光,振動(dòng)面,u,右旋橢圓偏振光,2）橢圓偏振光和圓偏振光,（平面偏振光）,3）自然光,特點(diǎn),（1）在垂直光線的平面內(nèi)，光矢量沿各方向振動(dòng)的幾率均等.,（2）可以看成由兩個(gè)振動(dòng)方向相互垂直，振幅相等，互不相干線偏振光的疊加。,能夠起偏的光學(xué)器件叫起偏器，常用的是偏振片。,偏振片,自

7、然光經(jīng)過(guò)媒質(zhì)的吸收、反射、透射后使某一方向的光振動(dòng)減弱甚至消失，這種取向作用稱(chēng)為起偏。,偏振片的用途,涂有硫酸碘奎寧等材料的透明簿膜,偏振片: 只允許某一個(gè)方向的光振動(dòng)透過(guò)的裝置。,能夠有選擇地吸收某方向的光振動(dòng)，而讓與這個(gè)方向垂直的光振動(dòng)通過(guò)。物質(zhì)的這種性質(zhì)稱(chēng)為二向色性。, 起偏器:,偏振光,I0,I0/2, 檢偏振器,偏振光,光強(qiáng)為零 (消光),光強(qiáng)不變,I0,部分偏振光照射時(shí)？,偏振片的用途,偏振光干涉裝置,偏振光干涉的分析,振幅關(guān)系,相干偏振光總的位相差為,相位關(guān)系,偏振光的應(yīng)用,汽車(chē)車(chē)燈 偏振太陽(yáng)鏡 觀看3D電影 LCD顯示屏 橢偏儀,橢偏儀,用途：測(cè)量薄膜的厚度、折射率等。,原理：

8、利用偏振光束在界面或薄膜上的 反射或透射時(shí)出現(xiàn)的偏振轉(zhuǎn)換。, 光的電磁性,光波是一種橫波 場(chǎng)矢量E和H彼此正交，且均與波的前進(jìn)方向垂直，其振幅大小成正比，相位相同 光強(qiáng)與場(chǎng)矢量E和H的振幅平方成正比，沿波傳播方向前進(jìn),S,E,H,光強(qiáng)：,可見(jiàn)光七彩顏色的波長(zhǎng)和頻率范圍,人眼最為敏感的光是黃綠光，即,附近。, 光的干涉和衍射,楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn) 油膜在光的照射下呈現(xiàn)五顏六色 衍射,幾列波相遇之后， 仍然保持它們各自原有的特征（頻率、波長(zhǎng)、振幅、振動(dòng)方向等）不變，并按照原來(lái)的方向繼續(xù)前進(jìn)，好象沒(méi)有遇到過(guò)其他波一樣.,波的疊加原理,紅綠光束空間交叉相遇 (紅是紅、綠是綠，) 聽(tīng)樂(lè)隊(duì)演奏 (仍可辨出不同

9、樂(lè)器的音色、旋律) 空中無(wú)線電波很多 (仍能分別接收各個(gè)電臺(tái)),實(shí)例,振動(dòng)方向相同、頻率相同、初相相同或有恒定相位差，為相干光。,光的相干性,一、光波疊加原理,產(chǎn)生干涉的必要條件,兩束光的頻率相同，即為相干光。,計(jì)算兩列光的合成光強(qiáng),干涉 項(xiàng),自然光合成光強(qiáng)：,光矢量平行,二、光的相干疊加,（1）不相干情況,（2）相干情況,英國(guó)醫(yī)生兼物理學(xué)家托馬斯.楊（T.Young），在1801年首先成功地進(jìn)行了光的干涉實(shí)驗(yàn)，這是最早從單一光源產(chǎn)生相干光的方法分波陣面法。,一、楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn),現(xiàn)象,p,r1,r2,單色光入射 真空中：,d ，D d,波程差：,相位差：,明紋,暗紋,楊氏雙縫干涉光強(qiáng)分布,邁

10、克森干涉,S,M1,M2,邁克爾遜干涉儀,1. 結(jié)構(gòu),2. 原理,若M1平移d時(shí)，干涉條移過(guò)m條，則有：,3. 應(yīng)用,由此可測(cè)量：微小位移、折射率,M1、M2平行 等傾條紋,M1、M2有小夾角 等厚條紋,單縫衍射,楊氏雙縫干涉中考慮縫有寬度。,當(dāng)圓孔的直徑 d 與光波的波長(zhǎng)相比擬時(shí)，形成明暗相間的條紋衍射。,P點(diǎn)的光強(qiáng)取決于狹縫上各子波源到此的光程差。,光強(qiáng)分布如何表示？,對(duì)應(yīng)沿不同方向傳播的光，狹縫波陣面可分的半波帶數(shù)不同，這個(gè)數(shù)目決定了該衍射方向的光強(qiáng)。,明紋,暗紋,光強(qiáng)分布,k=1,2,3,光的分辨率,瑞利分辨率,定義 分辨本領(lǐng),恰好可分辨！,人眼瞳孔：D =26mm =6823 ,望遠(yuǎn)鏡： DM = 6m = 0.023 ,電子顯微鏡 R,例題：汽車(chē)二前燈相距1.2m， =600nm 人眼瞳孔直徑為 5mm。對(duì)迎面而來(lái)的汽車(chē)，離多遠(yuǎn)能分辨出兩盞亮燈？,解：人眼的最小可分辨角,第一節(jié) 光的基本性質(zhì),歷史回顧 光的性質(zhì) 光的傳輸,3. 光在傳輸