第1章 光波、光線與光子

1、第第1章章光波、光線與光子光波、光線與光子1 光波、光線與光子光波、光線與光子主要內(nèi)容主要內(nèi)容1.1 光的波動(dòng)性質(zhì)光的波動(dòng)性質(zhì)1.2 光線與光傳播的幾何描述光線與光傳播的幾何描述1.3 自然光與偏振光自然光與偏振光1.4 光輻射與光度學(xué)光輻射與光度學(xué)1.5 光波場的量子性光波場的量子性1.6 光的波粒二象性光的波粒二象性 1 光波、光線與光子光波、光線與光子1.1 光的波動(dòng)性質(zhì)光的波動(dòng)性質(zhì)1. 波動(dòng)的實(shí)質(zhì)波動(dòng)的實(shí)質(zhì) 2. 波動(dòng)的基本特征量波動(dòng)的基本特征量 3. 波動(dòng)的描述波動(dòng)的描述 4. 縱波與橫波縱波與橫波 5. 光的波動(dòng)性光的波動(dòng)性 6. 光波的電磁性質(zhì)光波的電磁性質(zhì) 1.1 光的波動(dòng)性質(zhì)

2、光的波動(dòng)性質(zhì)1 光波、光線與光子光波、光線與光子主要內(nèi)容主要內(nèi)容波動(dòng)：波動(dòng)：振動(dòng)狀態(tài)在空間的傳播。振動(dòng)狀態(tài)在空間的傳播。 波動(dòng)的實(shí)質(zhì)：波動(dòng)的實(shí)質(zhì)：能量以振動(dòng)的方式在空間傳播，使空間各點(diǎn)的物理狀態(tài)呈現(xiàn)能量以振動(dòng)的方式在空間傳播，使空間各點(diǎn)的物理狀態(tài)呈現(xiàn)空間和時(shí)間上的周期性分布，但承擔(dān)傳播任務(wù)的物質(zhì)本身并空間和時(shí)間上的周期性分布，但承擔(dān)傳播任務(wù)的物質(zhì)本身并不隨波移動(dòng)。不隨波移動(dòng)。 結(jié)論：結(jié)論：具有時(shí)空雙重周期性運(yùn)動(dòng)形式和能量的傳輸，是一切波動(dòng)的基本特具有時(shí)空雙重周期性運(yùn)動(dòng)形式和能量的傳輸，是一切波動(dòng)的基本特性。不具備這種特性的事物，不能成為嚴(yán)格意義下的波動(dòng)。性。不具備這種特性的事物，不能成為嚴(yán)格意

3、義下的波動(dòng)。1 光波、光線與光子光波、光線與光子1.1.1 波動(dòng)的實(shí)質(zhì)波動(dòng)的實(shí)質(zhì)波動(dòng)波動(dòng)產(chǎn)生產(chǎn)生的的條件條件：存在一個(gè)能夠由于外界的某種能量供給而產(chǎn)生（機(jī)械的存在一個(gè)能夠由于外界的某種能量供給而產(chǎn)生（機(jī)械的或電磁的）振動(dòng)的波源?；螂姶诺模┱駝?dòng)的波源。1.1 光的波動(dòng)性質(zhì)光的波動(dòng)性質(zhì)振幅振幅A(P)、相位、相位f (P)、速度、速度v；周期（時(shí)間周期）周期（時(shí)間周期）T、頻率（時(shí)間頻率）頻率（時(shí)間頻率）n n（或圓頻率（或圓頻率w w）；）；波長（空間周期）波長（空間周期）l l、（角）波數(shù)、（角）波數(shù)k （或空間圓頻率）。（或空間圓頻率）。各量間相互關(guān)系：各量間相互關(guān)系：注意：注意： 波動(dòng)的傳

4、播速度有波動(dòng)的傳播速度有相速度相速度和和群速度群速度之分。之分?；咎卣髁浚夯咎卣髁浚?波動(dòng)的頻率波動(dòng)的頻率（或時(shí)間周期或時(shí)間周期）僅僅與振源有關(guān)，而波長僅僅與振源有關(guān)，而波長（即空即空間周期間周期）不僅與振源的振動(dòng)頻率有關(guān)，而且與介質(zhì)有關(guān)不僅與振源的振動(dòng)頻率有關(guān)，而且與介質(zhì)有關(guān)。1 光波、光線與光子光波、光線與光子vkv221lwnT1.1.2 波動(dòng)的基本特征量波動(dòng)的基本特征量1.1 光的波動(dòng)性質(zhì)光的波動(dòng)性質(zhì)波面：波面：波場中波場中振動(dòng)相位相同的點(diǎn)的軌跡振動(dòng)相位相同的點(diǎn)的軌跡(1) 波面與波線波面與波線波線：波線：表示波動(dòng)表示波動(dòng)能量傳播的幾何徑跡能量傳播的幾何徑跡特征：特征：一般波面表現(xiàn)

5、為一般波面表現(xiàn)為空間三維曲面族空間三維曲面族各向同性介質(zhì)中，各向同性介質(zhì)中，波線為與波面處處正交的三維曲線族；波線為與波面處處正交的三維曲線族； 各向異性介質(zhì)中，各向異性介質(zhì)中，波線一般不與波面正交。波線一般不與波面正交。 (2) 平面波、球面波與柱面波平面波、球面波與柱面波平面波平面波波面為平面，球面波波面為平面，球面波波面為球面，柱面波波面為球面，柱面波波面為圓柱面。波面為圓柱面。 圖圖1.1-2 發(fā)散球面波的波面發(fā)散球面波的波面k, r圖圖1.1-1 平面波的波面平面波的波面k等相面與等幅面等相面與等幅面y, zx圖圖1.1-3 發(fā)散柱面波的波面發(fā)散柱面波的波面SSrkP1 光波、光線與

6、光子光波、光線與光子1.1.3 波動(dòng)的描述波動(dòng)的描述1.1 光的波動(dòng)性質(zhì)光的波動(dòng)性質(zhì)平面波對應(yīng)于無限遠(yuǎn)處理想點(diǎn)源發(fā)出的波；平面波對應(yīng)于無限遠(yuǎn)處理想點(diǎn)源發(fā)出的波；球面波對應(yīng)于有限遠(yuǎn)處理想點(diǎn)源發(fā)出的波；球面波對應(yīng)于有限遠(yuǎn)處理想點(diǎn)源發(fā)出的波；柱面波對應(yīng)無限長線波源發(fā)出的波；柱面波對應(yīng)無限長線波源發(fā)出的波； 平面波是波面曲率半徑趨于無限大時(shí)的球面波或柱面波。平面波是波面曲率半徑趨于無限大時(shí)的球面波或柱面波。討論球面波和平面波問題具有普遍意義；討論球面波和平面波問題具有普遍意義； 任何一個(gè)波源，都可以看成是由任何一個(gè)波源，都可以看成是由若干點(diǎn)波源組成的集合若干點(diǎn)波源組成的集合；構(gòu)成任何復(fù)雜波面的基元是球

7、面波或平面波。構(gòu)成任何復(fù)雜波面的基元是球面波或平面波。 說明：說明：特征：特征：1.1 光波與光的電磁性質(zhì)光波與光的電磁性質(zhì)1 光波、光線與光子光波、光線與光子1.1.3 波動(dòng)的描述波動(dòng)的描述(4) 定態(tài)波場定態(tài)波場定態(tài)波場定態(tài)波場滿足下列兩個(gè)條件的波場：滿足下列兩個(gè)條件的波場： 空間各點(diǎn)的擾動(dòng)為與波源空間各點(diǎn)的擾動(dòng)為與波源同頻率的簡諧振動(dòng)同頻率的簡諧振動(dòng)； 空間各點(diǎn)擾動(dòng)的振幅形成空間各點(diǎn)擾動(dòng)的振幅形成穩(wěn)定的空間分布穩(wěn)定的空間分布而不隨時(shí)間變化。而不隨時(shí)間變化。 說明：說明：理想的定態(tài)波場為理想的定態(tài)波場為無源場無源場（簡諧波場），在時(shí)間上無始無終；（簡諧波場），在時(shí)間上無始無終； 實(shí)際波源發(fā)

8、出的波場并不是嚴(yán)格意義上的定態(tài)波場，當(dāng)波源發(fā)出的實(shí)際波源發(fā)出的波場并不是嚴(yán)格意義上的定態(tài)波場，當(dāng)波源發(fā)出的波列的持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)大于波的振動(dòng)周期時(shí)，才可以將其近似看作定態(tài)波列的持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)大于波的振動(dòng)周期時(shí)，才可以將其近似看作定態(tài)波場。波場。標(biāo)量波：標(biāo)量波：空間各點(diǎn)的擾動(dòng)空間各點(diǎn)的擾動(dòng)不具有方向性不具有方向性的波場，如密度波、溫度波等；的波場，如密度波、溫度波等；矢量波：矢量波：空間各點(diǎn)的擾動(dòng)空間各點(diǎn)的擾動(dòng)具有方向性的具有方向性的波場，如電磁波、水波等；波場，如電磁波、水波等；說明：說明： 一般情況下，矢量波要用矢量場理論描述；當(dāng)矢量波場中各點(diǎn)的一般情況下，矢量波要用矢量場理論描述；當(dāng)矢量波場中各點(diǎn)的

9、擾動(dòng)具有同一方向時(shí)，可將其簡化為標(biāo)量波處理。擾動(dòng)具有同一方向時(shí)，可將其簡化為標(biāo)量波處理。1.1 光的波動(dòng)性質(zhì)光的波動(dòng)性質(zhì)1 光波、光線與光子光波、光線與光子1.1.3 波動(dòng)的描述波動(dòng)的描述(3) 標(biāo)量波與矢量波標(biāo)量波與矢量波波函數(shù)：波函數(shù)：表征波場的物理（振動(dòng)）狀態(tài)，是空間和時(shí)間的表征波場的物理（振動(dòng)）狀態(tài)，是空間和時(shí)間的周期性函數(shù)周期性函數(shù)。 任意簡諧波的波函數(shù)任意簡諧波的波函數(shù) 振源處：振源處： 000coswtAtU或或 場點(diǎn)處：場點(diǎn)處： 或或 000iexpwtAtU PtPAtPUwcos, PtPAtPUwiexp,相位延遲：相位延遲： 0PP(1.1-1) (1.1-2) (1.

10、1-3) (1.1-4) 1.1 光的波動(dòng)性質(zhì)光的波動(dòng)性質(zhì)1 光波、光線與光子光波、光線與光子1.1.3 波動(dòng)的描述波動(dòng)的描述(5) 波函數(shù)與空間頻率波函數(shù)與空間頻率0：源點(diǎn)處初相位；源點(diǎn)處初相位； (P) ：場點(diǎn)處初相位；場點(diǎn)處初相位； (P) ：場點(diǎn)處相位延遲。場點(diǎn)處相位延遲。波函數(shù)：波函數(shù)： 相位延遲：相位延遲： PPAPUiexp rkP(1.1-5) (1.1-6) r：場點(diǎn)的位置矢量場點(diǎn)的位置矢量k：波矢量，方向代表波面法線方向，大小等于（角）波數(shù)波矢量，方向代表波面法線方向，大小等于（角）波數(shù)k。 ?。喝。簁的的坐標(biāo)分量坐標(biāo)分量為為kx、ky、kz，方向余弦方向余弦為為cosa、

11、cosb、cosg ， f=k/2 及其坐標(biāo)分量及其坐標(biāo)分量 fx、fy、fz得：得：222222/2lzyxkkkkk(1.1-7) lglbla/cos2,/cos2,/cos2zyxkkklglbla/cos,/cos,/coszyxfff(1.1-8) (1.1-9) 222222/1lzyxfffff(1.1-10) 1.1 光的波動(dòng)性質(zhì)光的波動(dòng)性質(zhì)1 光波、光線與光子光波、光線與光子1.1.3 波動(dòng)的描述波動(dòng)的描述 定態(tài)波場的波函數(shù)定態(tài)波場的波函數(shù) f 的意義：的意義：空間頻率矢量，其方向代表波動(dòng)的傳播方向。空間頻率矢量，其方向代表波動(dòng)的傳播方向。 說明：說明：波長相同但傳播方向不

12、同的波，其空間頻率矢量不同。波矢量波長相同但傳播方向不同的波，其空間頻率矢量不同。波矢量k實(shí)際實(shí)際上就是上就是空間圓頻率矢量空間圓頻率矢量，相應(yīng)的（角）波數(shù)，相應(yīng)的（角）波數(shù)k就是就是空間圓頻率空間圓頻率。 平面波波函數(shù)：平面波波函數(shù)： 0002zfyfxfzkykxkPzyxzyxrk(1.1-11) 圖圖1.1-4 平面波的空間頻率分量平面波的空間頻率分量xk zyfzfyfxb ba ag g 0000002iexpiexpiexpzfyfxfAzkykxkAAPUzyxzyxrk(1.1-12) A(P)=A0=常數(shù)常數(shù)1.1 光的波動(dòng)性質(zhì)光的波動(dòng)性質(zhì)1 光波、光線與光子光波、光線與光

13、子1.1.3 波動(dòng)的描述波動(dòng)的描述O例：例：真空中一列波長為真空中一列波長為l l，振幅為，振幅為A0的平面光波，其波矢方向在的平面光波，其波矢方向在xz平面內(nèi)，且平面內(nèi)，且與與z軸相交軸相交q q角，求該平面光波在角，求該平面光波在x, y, z方向的空間頻率、波數(shù)（空間圓頻方向的空間頻率、波數(shù)（空間圓頻率）、空間周期，以及波函數(shù)的復(fù)數(shù)和實(shí)數(shù)表達(dá)式。率）、空間周期，以及波函數(shù)的復(fù)數(shù)和實(shí)數(shù)表達(dá)式。 解：解：如圖所示，按照題意，該平面波在如圖所示，按照題意，該平面波在x，y，z方向的方向余弦分別為：方向的方向余弦分別為： qgbqacoscos0cossincos在三個(gè)方向上的空間頻率、波數(shù)（空

14、間圓頻率）和周期分別為：在三個(gè)方向上的空間頻率、波數(shù)（空間圓頻率）和周期分別為： lqlqcos0sinzyxffflqlqcos20sin2zyxkkkqlqlcossinzyxTTT1.1 光的波動(dòng)性質(zhì)光的波動(dòng)性質(zhì)1 光波、光線與光子光波、光線與光子1.1.6 光波的電磁性質(zhì)光波的電磁性質(zhì)圖圖1.1-5 位于位于xy平面的平面波平面的平面波 ka ag gq ql lTzTxxzO(1.1-14) (1.1-15) (1.1-16) (1.1-13) 00cossin2cos,qqlzxctAtzyxU對于定態(tài)光波，可得其復(fù)數(shù)和實(shí)數(shù)波函數(shù)表達(dá)式分別為：對于定態(tài)光波，可得其復(fù)數(shù)和實(shí)數(shù)波函數(shù)表

15、達(dá)式分別為： 00cossin2iexp,qqlzxAzyxU00cossin2cos,qqlzxAtzyxU設(shè)光波的初相位為設(shè)光波的初相位為 0，可得出該平面波波函數(shù)復(fù)數(shù)和實(shí)數(shù)表達(dá)式為：，可得出該平面波波函數(shù)復(fù)數(shù)和實(shí)數(shù)表達(dá)式為： 0000cossin2iexpiexp,qqlwzxctAzkykxktAtzyxUzyx1.1 光的波動(dòng)性質(zhì)光的波動(dòng)性質(zhì)1 光波、光線與光子光波、光線與光子1.1.6 光波的電磁性質(zhì)光波的電磁性質(zhì)(1.1-17) (1.1-18) (1.1-19) (1.1-20) 平面波特點(diǎn)：平面波特點(diǎn)：波矢量方向確定，空間頻率矢量確定；任一方向的平面波代波矢量方向確定，空間頻

16、率矢量確定；任一方向的平面波代表波動(dòng)的一個(gè)確定的空間頻率成分；不同方向的平面波對應(yīng)表波動(dòng)的一個(gè)確定的空間頻率成分；不同方向的平面波對應(yīng)不同的空間頻率成分。不同的空間頻率成分。發(fā)散球面波波函數(shù)：發(fā)散球面波波函數(shù)： 00iexpkrrAPU(1.1-21) 會(huì)聚球面波波函數(shù)：會(huì)聚球面波波函數(shù)： 00i -expkrrAPU(1.1-22) rAPA/0(1.1-23) 202020zzyyxxr(1.1-24) 0 krP(1.1-25) 發(fā)散柱面波波函數(shù)：發(fā)散柱面波波函數(shù)： 00iexpkrrAPU(1.1-26) 會(huì)聚柱面波波函數(shù)：會(huì)聚柱面波波函數(shù)： 00i -expkrrAPU(1.1-27

17、) 結(jié)論：結(jié)論：平面波可以看成是構(gòu)成空間任何復(fù)雜波動(dòng)的基元波。平面波可以看成是構(gòu)成空間任何復(fù)雜波動(dòng)的基元波。(6) 波的強(qiáng)度波的強(qiáng)度 PUPUPUPI2(1.1-28) 1.1 光的波動(dòng)性質(zhì)光的波動(dòng)性質(zhì)1 光波、光線與光子光波、光線與光子1.1.3 波動(dòng)的描述波動(dòng)的描述(1) 縱波及其特點(diǎn)縱波及其特點(diǎn) 振動(dòng)方向與傳播方向相同，振動(dòng)狀態(tài)相對振動(dòng)方向與傳播方向相同，振動(dòng)狀態(tài)相對于傳播方向具有軸對稱性。于傳播方向具有軸對稱性。 圖圖1.1-6 縱波的傳播特征縱波的傳播特征傳播方向傳播方向振動(dòng)方向振動(dòng)方向圖圖1.1-7 橫波的傳播特征橫波的傳播特征傳播方向傳播方向振動(dòng)方向振動(dòng)方向(2) 橫波及其特點(diǎn)橫

18、波及其特點(diǎn) 振動(dòng)方向與傳播方向正交，振動(dòng)狀態(tài)相對振動(dòng)方向與傳播方向正交，振動(dòng)狀態(tài)相對于傳播方向不具有軸對稱性。于傳播方向不具有軸對稱性。 (3) 偏振偏振 振動(dòng)狀態(tài)相對于傳播方向的不對稱現(xiàn)象。振動(dòng)狀態(tài)相對于傳播方向的不對稱現(xiàn)象。 1 光波、光線與光子光波、光線與光子1.1.4 縱波與橫波縱波與橫波1.1 光的波動(dòng)性質(zhì)光的波動(dòng)性質(zhì) 光具有波動(dòng)的一切特征：光具有波動(dòng)的一切特征：如頻率、波長、速度、振幅、相位等，且如頻率、波長、速度、振幅、相位等，且能在真空中傳播。能在真空中傳播。 1.1.6 光波的電磁性質(zhì)光波的電磁性質(zhì) 光波和電磁波都可以在真空中傳播，且傳播速度與電磁波相同；光波和電磁波都可以在

19、真空中傳播，且傳播速度與電磁波相同； 介質(zhì)對光波以及電磁波的折射特性同樣起因于介質(zhì)的介電性質(zhì)；介質(zhì)對光波以及電磁波的折射特性同樣起因于介質(zhì)的介電性質(zhì)； 光波具有偏振性質(zhì)，是一種橫波，而電磁波的電場強(qiáng)度矢量及磁場強(qiáng)光波具有偏振性質(zhì)，是一種橫波，而電磁波的電場強(qiáng)度矢量及磁場強(qiáng)度矢量均正交于傳播方向，表明電磁波也是一種橫波，具有偏振性質(zhì)；度矢量均正交于傳播方向，表明電磁波也是一種橫波，具有偏振性質(zhì)； 用電磁場理論對光的各種偏振現(xiàn)象所作的理論解釋均與實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果用電磁場理論對光的各種偏振現(xiàn)象所作的理論解釋均與實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果相符合。相符合。1 光波、光線與光子光波、光線與光子1.1.5 光的波動(dòng)性光的波動(dòng)

20、性1.1 光的波動(dòng)性質(zhì)光的波動(dòng)性質(zhì)(2) 光波場的傳播速度與折射率光波場的傳播速度與折射率真空中的光速：真空中的光速： 001c(1.1-29) 介質(zhì)中的光速：介質(zhì)中的光速： nccrrv(1.1-30) 式中：式中： 0：電磁場在真空中的介電常數(shù)；電磁場在真空中的介電常數(shù)； 0：電磁場在真空中的磁導(dǎo)率；電磁場在真空中的磁導(dǎo)率； r：介質(zhì)中的相對介電常數(shù)；介質(zhì)中的相對介電常數(shù)； r：介質(zhì)中的相對磁導(dǎo)率，對于非介質(zhì)中的相對磁導(dǎo)率，對于非鐵磁介質(zhì)，鐵磁介質(zhì)， r1；n：介質(zhì)相對于真空的折射率。介質(zhì)相對于真空的折射率。(1) 光波場的描述光波場的描述 在標(biāo)量場近似下，在標(biāo)量場近似下，光波場的波函數(shù)就

21、是光矢量的復(fù)振幅，單色光波即簡光波場的波函數(shù)就是光矢量的復(fù)振幅，單色光波即簡諧波諧波。 對眼睛及其他光探測器有視覺反應(yīng)的，主要是光波的電場強(qiáng)度矢量對眼睛及其他光探測器有視覺反應(yīng)的，主要是光波的電場強(qiáng)度矢量E，故故光波場的振動(dòng)狀態(tài)一般可由其電矢量表示光波場的振動(dòng)狀態(tài)一般可由其電矢量表示，簡稱，簡稱為光波電矢量或?yàn)楣獠娛噶炕蚬馐噶?。光矢量?1.1 光的波動(dòng)性質(zhì)光的波動(dòng)性質(zhì)1 光波、光線與光子光波、光線與光子1.1.6 光波的電磁性質(zhì)光波的電磁性質(zhì)光波場的能流密度矢量光波場的能流密度矢量S： HES(1.1-31) 意義：意義：光波場單位時(shí)間流過空間某一方向單位面積的光能量大小光波場單位時(shí)間流過

22、空間某一方向單位面積的光能量大小 。瞬時(shí)值的大?。核矔r(shí)值的大小： 2020r0rEcnESHE(1.1-32) 圖圖1.1-7 能流密度矢量能流密度矢量SHEH0E0(4) 光強(qiáng)度光強(qiáng)度 光探測器的響應(yīng)時(shí)間光探測器的響應(yīng)時(shí)間t T (光振動(dòng)周期光振動(dòng)周期)光探測器接收到的光信號光探測器接收到的光信號= =在許多周期在許多周期內(nèi)的平均值，內(nèi)的平均值， 通常的光強(qiáng)度：通常的光強(qiáng)度：單位面積上的平均光功率或平均能流密度。單位面積上的平均光功率或平均能流密度。 簡諧波的光強(qiáng)度：簡諧波的光強(qiáng)度： 202002EEcnSI(1.1-33) 1.1 光的波動(dòng)性質(zhì)光的波動(dòng)性質(zhì)1 光波、光線與光子光波、光線與光

23、子1.1.6 光波的電磁性質(zhì)光波的電磁性質(zhì)(3) 光的能流密度光的能流密度說明：說明： 光強(qiáng)度正比于光強(qiáng)度正比于光波電矢量振幅的平方光波電矢量振幅的平方； 在大多數(shù)情況下，通常只關(guān)心光強(qiáng)的相對分布，故在同一種介質(zhì)在大多數(shù)情況下，通常只關(guān)心光強(qiáng)的相對分布，故在同一種介質(zhì)中考察光強(qiáng)度分布時(shí)，通常用中考察光強(qiáng)度分布時(shí)，通常用電矢量振幅平方表示（電矢量振幅平方表示（相對）光強(qiáng)相對）光強(qiáng)度：度： 20EI (1.1-34) 注意：注意： 因此，因此，當(dāng)光波在兩種介質(zhì)中振幅相等時(shí)，其強(qiáng)度比并不等當(dāng)光波在兩種介質(zhì)中振幅相等時(shí)，其強(qiáng)度比并不等于于1 1，而是等于兩種介質(zhì)的折射率之比。即，而是等于兩種介質(zhì)的折射

24、率之比。即20nES 2121nnII(1.1-35) 比較不同介質(zhì)中光強(qiáng)度大小時(shí)必須考慮光場所處比較不同介質(zhì)中光強(qiáng)度大小時(shí)必須考慮光場所處介質(zhì)折射率介質(zhì)折射率的因素。的因素。強(qiáng)度表達(dá)式中折射率的出現(xiàn)，反映了光在不同介質(zhì)中的傳播速度不同，因強(qiáng)度表達(dá)式中折射率的出現(xiàn)，反映了光在不同介質(zhì)中的傳播速度不同，因而在相同時(shí)間內(nèi)通過單位面積的平均能流大小不同。而在相同時(shí)間內(nèi)通過單位面積的平均能流大小不同。1.1 光的波動(dòng)性質(zhì)光的波動(dòng)性質(zhì)1 光波、光線與光子光波、光線與光子1.1.6 光波的電磁性質(zhì)光波的電磁性質(zhì)1. 波動(dòng)的時(shí)空雙重周期特性波動(dòng)的時(shí)空雙重周期特性 2. 波動(dòng)的基本特征量及其相互關(guān)系波動(dòng)的基本

25、特征量及其相互關(guān)系 3. 平面波、球面波的特點(diǎn)及波函數(shù)的描述平面波、球面波的特點(diǎn)及波函數(shù)的描述4. 波矢量與空間頻率矢量的基本概念及其聯(lián)系波矢量與空間頻率矢量的基本概念及其聯(lián)系 5. 縱波與橫波的區(qū)別縱波與橫波的區(qū)別 6. 光波的能流密度及光強(qiáng)度的定義光波的能流密度及光強(qiáng)度的定義 1 光波、光線與光子光波、光線與光子本節(jié)重點(diǎn)本節(jié)重點(diǎn)1.1 光的波動(dòng)性質(zhì)光的波動(dòng)性質(zhì)1 光波、光線與光子光波、光線與光子1.2 光線與光傳播的幾何描述光線與光傳播的幾何描述 主要內(nèi)容主要內(nèi)容1. 光傳播的直線性、獨(dú)立性和可逆性光傳播的直線性、獨(dú)立性和可逆性2. 反射和折射定律反射和折射定律3. 全反射原理全反射原理4

26、. 光纖的基本結(jié)構(gòu)特性光纖的基本結(jié)構(gòu)特性5. 棱鏡及其應(yīng)用棱鏡及其應(yīng)用6. 光程與費(fèi)馬原理光程與費(fèi)馬原理1.2 光線與光傳播的幾何描述光線與光傳播的幾何描述 1 光波、光線與光子光波、光線與光子均勻介質(zhì)中均勻介質(zhì)中， 光沿直線光沿直線路徑路徑傳播。傳播。弱光及線性條件下弱光及線性條件下，自不同方向或由不自不同方向或由不同物體發(fā)出的光線在空間相交后，并不同物體發(fā)出的光線在空間相交后，并不影響各自光線影響各自光線按原路徑按原路徑獨(dú)立傳播。獨(dú)立傳播。在弱光及線性條件下在弱光及線性條件下，當(dāng)光的傳播方向逆轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)光的傳播方向逆轉(zhuǎn)時(shí)，光線將沿著原行進(jìn)光線將沿著原行進(jìn)路徑路徑逆向傳播。逆向傳播。 直線傳播

27、定律：直線傳播定律： 獨(dú)立傳播定律：獨(dú)立傳播定律： 光路可逆性原理：光路可逆性原理：光線：光線：空間的幾何線。各向同性介質(zhì)中，光線即波面法線?？臻g的幾何線。各向同性介質(zhì)中，光線即波面法線。圖圖1.2-1b 光傳播的獨(dú)立性光傳播的獨(dú)立性均勻介質(zhì)中均勻介質(zhì)中圖圖1.2-1a 光傳播的直線性光傳播的直線性圖圖1.2-2 光傳播的可逆性光傳播的可逆性M1M21 光波、光線與光子光波、光線與光子1.2.1 光傳播的直線性、獨(dú)立性和可逆性光傳播的直線性、獨(dú)立性和可逆性1.2 光線與光傳播的幾何描述光線與光傳播的幾何描述 i1i2i1n1n2圖圖1.2-3 光在兩種介質(zhì)分界面上的反射與折射光在兩種介質(zhì)分界面

28、上的反射與折射即即 反射光線、折射光線與入射光線均位于同一平面反射光線、折射光線與入射光線均位于同一平面入射面內(nèi)；入射面內(nèi)； 反射角與入射角相等；反射角與入射角相等； 入射角的正弦與折射角的正弦之比，對于給定介質(zhì)及光波長，是一個(gè)入射角的正弦與折射角的正弦之比，對于給定介質(zhì)及光波長，是一個(gè)常數(shù)常數(shù)。(1.2-1)(1.2-2)1 光波、光線與光子光波、光線與光子1.2.2 反射和折射定律反射和折射定律1.2 光線與光傳播的幾何描述光線與光傳播的幾何描述 2121sinsinnii211221sinsinvvnnii2112llnn及及12ii圖圖1.2-4 確定反射光線與折射光線的幾何作圖法確定

29、反射光線與折射光線的幾何作圖法i1i2i1n1n221OCAB 說明：說明： 折射定律又稱為折射定律又稱為斯涅耳定律斯涅耳定律； 若令折射定律中若令折射定律中n2 = n1，則可得，則可得反射定律反射定律： 確定反射光線與折射光線方向的幾何作圖法確定反射光線與折射光線方向的幾何作圖法( (見下見下) )：(1.2-3)1.2.2 反射和折射定律反射和折射定律1.2 光線與光傳播的幾何描述光線與光傳播的幾何描述1 光波、光線與光子光波、光線與光子梯度折射率介質(zhì)：梯度折射率介質(zhì)：折射率隨位置不同連續(xù)變化折射率隨位置不同連續(xù)變化的介質(zhì)的介質(zhì)圖圖1.2-5 光線在梯度折射率介質(zhì)中的彎曲光線在梯度折射率

30、介質(zhì)中的彎曲nn=1znn5n1n3n2n4n6nzn=1特點(diǎn)：特點(diǎn)：梯度折射率介質(zhì)中梯度折射率介質(zhì)中光線的幾何軌跡一般為曲線光線的幾何軌跡一般為曲線海市蜃樓：海市蜃樓：沙漠中沙漠中海面上海面上1.2.2 反射和折射定律反射和折射定律1.2 光線與光傳播的幾何描述光線與光傳播的幾何描述1 光波、光線與光子光波、光線與光子 光線在梯度折射率介質(zhì)中的彎曲光線在梯度折射率介質(zhì)中的彎曲全反射：全反射：當(dāng)入射角當(dāng)入射角i1增大到某一值增大到某一值ic時(shí)，折射角時(shí)，折射角i2=90o。繼續(xù)增大入射角，則。繼續(xù)增大入射角，則光線不再進(jìn)入介質(zhì)光線不再進(jìn)入介質(zhì)2，而是按反射定律確定的方向全部反射。，而是按反射定

31、律確定的方向全部反射。 全反射臨界角：全反射臨界角：12c/arcsinnni 12c1/arcsinnnii12nn(1.2-4)(1.2-5) i2=90o 全反射的條件：全反射的條件：圖圖1.2-6 全反射原理全反射原理a1a2c1b2a1b1c1n1n2n1i1icb1ica1b1a2c1b2a1b1c1n1n2n1i11 光波、光線與光子光波、光線與光子1.2.3 全反射原理全反射原理1.2 光線與光傳播的幾何描述光線與光傳播的幾何描述 例：例：水（n=4/3）空氣（n=1）：ic=48.59o 玻璃（n=1.5）空氣（n=1）：ic=41.81o48.6o48.6o圖圖1.2-7

32、魚眼在水中的視場魚眼在水中的視場圖圖1.2-8 水中的針孔成像水中的針孔成像全反射的應(yīng)用：全反射的應(yīng)用：1.2.3 全反射原理全反射原理1.2 光線與光傳播的幾何描述光線與光傳播的幾何描述1 光波、光線與光子光波、光線與光子 增大視場角增大視場角aacossinsinsin22giinn浦耳弗里許（浦耳弗里許（Pulfrich）折射計(jì)：）折射計(jì)：a a=90o阿貝（阿貝（Abbe）折射計(jì)：）折射計(jì)：a a=45o圖圖1.2-9 折射極限法測量透明液體折射率原理折射極限法測量透明液體折射率原理擴(kuò)擴(kuò)展展光光源源毛玻璃毛玻璃ngABC暗暗亮亮望遠(yuǎn)鏡視場望遠(yuǎn)鏡視場待測液體待測液體nicia a(1.2

33、-6)測量范圍：測量范圍：n LQMP=n1(QM+MP) QMP QMP 反射定律與折射定律：反射定律與折射定律：1.2 光線與光傳播的幾何描述光線與光傳播的幾何描述 1 光波、光線與光子光波、光線與光子本節(jié)重點(diǎn)本節(jié)重點(diǎn)7. 光程的基本概念光程的基本概念 1. 光傳播的直線定律、獨(dú)立傳播定律和可逆性原光傳播的直線定律、獨(dú)立傳播定律和可逆性原理的使用條件理的使用條件2. 反射和折射定律的使用條件反射和折射定律的使用條件3. 全反射發(fā)生的條件、全反射原理及其應(yīng)用全反射發(fā)生的條件、全反射原理及其應(yīng)用4. 光纖的傳光原理、數(shù)值孔徑光纖的傳光原理、數(shù)值孔徑5. 色散棱鏡的分光原理、最小偏向角色散棱鏡的

34、分光原理、最小偏向角6. 轉(zhuǎn)向棱鏡的原理、特點(diǎn)及應(yīng)用轉(zhuǎn)向棱鏡的原理、特點(diǎn)及應(yīng)用1 光波、光線與光子光波、光線與光子1.3 自然光與偏振光自然光與偏振光主要內(nèi)容主要內(nèi)容2. 自然光自然光1. 完全偏振光完全偏振光3. 部分偏振光部分偏振光4. 自然光在兩種電介質(zhì)分界面上的反射和折射自然光在兩種電介質(zhì)分界面上的反射和折射 菲涅耳公式菲涅耳公式5. 斯托克斯倒易關(guān)系斯托克斯倒易關(guān)系6. 布儒斯特定律布儒斯特定律7. 馬呂斯定律馬呂斯定律8. 反射光與透射光的半波損失（相位突變）反射光與透射光的半波損失（相位突變）9. 反射光與透射光的能量分配反射光與透射光的能量分配1.3 自然光與偏振光自然光與偏振

35、光1 光波、光線與光子光波、光線與光子偏振態(tài)：偏振態(tài)：光矢量在垂直于傳播方向的平面內(nèi)可能存在的不同振動(dòng)狀態(tài)光矢量在垂直于傳播方向的平面內(nèi)可能存在的不同振動(dòng)狀態(tài)偏振面（振動(dòng)面）：偏振面（振動(dòng)面）：振動(dòng)方向（光矢量方向）與光傳播方向構(gòu)成的平面振動(dòng)方向（光矢量方向）與光傳播方向構(gòu)成的平面偏振態(tài)分類：偏振態(tài)分類：完全偏振完全偏振（線偏振、圓偏振、橢圓偏振線偏振、圓偏振、橢圓偏振），非偏振，部分非偏振，部分偏振偏振1.3 自然光與偏振光自然光與偏振光1 光波、光線與光子光波、光線與光子定定 義義特點(diǎn)：特點(diǎn)：光振動(dòng)限于某一確定的平面內(nèi)，光振動(dòng)限于某一確定的平面內(nèi)，光矢量在垂直于傳播方向的平面光矢量在垂直于

36、傳播方向的平面內(nèi)的投影為一直線內(nèi)的投影為一直線 說明：說明：線偏振光也可看作是線偏振光也可看作是振動(dòng)方向正交、相位相同或相反的兩個(gè)線偏振動(dòng)方向正交、相位相同或相反的兩個(gè)線偏振光的合成振光的合成 (1) 平面偏振光（線偏振光）平面偏振光（線偏振光） 1.3 自然光與偏振光自然光與偏振光1 光波、光線與光子光波、光線與光子1.3.1 完全偏振光完全偏振光圖圖1.3-1 線偏振光（平面偏振光）線偏振光（平面偏振光）xyAxAAyAy-AxA同相同相反相反相O豎直偏振豎直偏振水平偏振水平偏振(2) 圓偏振光圓偏振光 特點(diǎn)：特點(diǎn)：偏振面相對于傳播方向隨時(shí)間以圓頻率偏振面相對于傳播方向隨時(shí)間以圓頻率w w

37、 旋轉(zhuǎn)，其光矢量末端的軌旋轉(zhuǎn)，其光矢量末端的軌跡位于一個(gè)跡位于一個(gè)圓形螺線圓形螺線上，并且在垂直于傳播方向的平面上的上，并且在垂直于傳播方向的平面上的投影構(gòu)投影構(gòu)成一個(gè)圓成一個(gè)圓。 左旋圓偏振光：左旋圓偏振光：迎著光傳播方向觀察時(shí)，光矢量沿迎著光傳播方向觀察時(shí)，光矢量沿逆時(shí)針逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)。右旋圓偏振光：右旋圓偏振光：迎著光傳播方向觀察時(shí)，光矢量沿迎著光傳播方向觀察時(shí)，光矢量沿順時(shí)針順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)。 1.3.1 完全偏振光完全偏振光1.3 自然光與偏振光自然光與偏振光1 光波、光線與光子光波、光線與光子圖圖1.3-2 圓偏振光圓偏振光yx左旋左旋AAxAyO右旋右旋yxAAyAxO(3)

38、橢圓偏振光橢圓偏振光 特點(diǎn)：特點(diǎn)：偏振面相對于傳播方向隨時(shí)間以圓頻率偏振面相對于傳播方向隨時(shí)間以圓頻率w w旋轉(zhuǎn)，其光矢量末端的軌旋轉(zhuǎn)，其光矢量末端的軌跡位于一個(gè)跡位于一個(gè)橢圓形螺線橢圓形螺線上，并且在垂直于傳播方向的平面上的上，并且在垂直于傳播方向的平面上的投影投影構(gòu)成一個(gè)橢圓構(gòu)成一個(gè)橢圓。 左旋橢圓偏振光：左旋橢圓偏振光：迎著光傳播方向觀察時(shí)，光矢量沿迎著光傳播方向觀察時(shí)，光矢量沿逆時(shí)針逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)。右旋橢圓偏振光：右旋橢圓偏振光：迎著光傳播方向觀察時(shí)，光矢量沿迎著光傳播方向觀察時(shí)，光矢量沿順時(shí)針順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)。左旋左旋右旋右旋 /2- - /2 /4- - /43 /4- -3 /

39、4d d=02 圖圖1.3-3 橢圓偏振光橢圓偏振光1.3.1 完全偏振光完全偏振光1.3 自然光與偏振光自然光與偏振光1 光波、光線與光子光波、光線與光子 線偏振光和圓偏振光只是橢圓偏振光的兩種特殊形式線偏振光和圓偏振光只是橢圓偏振光的兩種特殊形式。若兩個(gè)正交振。若兩個(gè)正交振動(dòng)的振幅相等，相位差等于動(dòng)的振幅相等，相位差等于 /2的奇數(shù)倍，則橢圓偏振光變?yōu)閳A偏振光；的奇數(shù)倍，則橢圓偏振光變?yōu)閳A偏振光；若兩個(gè)正交振動(dòng)的相位差等于若兩個(gè)正交振動(dòng)的相位差等于 的整數(shù)倍，則橢圓偏振光變?yōu)榫€偏振的整數(shù)倍，則橢圓偏振光變?yōu)榫€偏振光。光。說明：說明： 橢圓偏振光可以看作是橢圓偏振光可以看作是振幅不相等、振動(dòng)

40、方向正交、相位差恒定的兩振幅不相等、振動(dòng)方向正交、相位差恒定的兩個(gè)同頻率線偏振光的合成個(gè)同頻率線偏振光的合成。其中。其中正號對應(yīng)右旋，負(fù)號對應(yīng)左旋正號對應(yīng)右旋，負(fù)號對應(yīng)左旋。 圓偏振光可以看作是圓偏振光可以看作是振幅相等、振動(dòng)方向正交、相位相差振幅相等、振動(dòng)方向正交、相位相差 / /2的兩個(gè)的兩個(gè)同頻率線偏振光的合成同頻率線偏振光的合成。其中。其中正號對應(yīng)右旋，負(fù)號對應(yīng)左旋正號對應(yīng)右旋，負(fù)號對應(yīng)左旋。1.3.1 完全偏振光完全偏振光1.3 自然光與偏振光自然光與偏振光1 光波、光線與光子光波、光線與光子 任一原子或分子的任一次輻射波列都具有任一原子或分子的任一次輻射波列都具有恒定的振動(dòng)方向恒定

41、的振動(dòng)方向一列一列振動(dòng)面確定的線偏振光振動(dòng)面確定的線偏振光時(shí)間分布的均勻性時(shí)間分布的均勻性表明各個(gè)光矢量的初相位取表明各個(gè)光矢量的初相位取0到到2 之間的任意值之間的任意值空間分布的均勻性空間分布的均勻性表明光矢量的偏振面包含各種方向且各個(gè)方向的表明光矢量的偏振面包含各種方向且各個(gè)方向的平均大小相同平均大小相同光源的發(fā)光機(jī)制：光源的發(fā)光機(jī)制：1.3 自然光與偏振光自然光與偏振光1 光波、光線與光子光波、光線與光子1.3.2 自然光自然光( (完全非偏振光完全非偏振光) )自然光：自然光：偏振面具有各種不同取向且相位隨機(jī)分布的平面偏振光之集合偏振面具有各種不同取向且相位隨機(jī)分布的平面偏振光之集合

42、說明：說明：自然光實(shí)際上可分解成自然光實(shí)際上可分解成兩個(gè)強(qiáng)度相等、振動(dòng)方向正交但相位各自隨兩個(gè)強(qiáng)度相等、振動(dòng)方向正交但相位各自隨機(jī)變化的線偏振光機(jī)變化的線偏振光 注意：注意：構(gòu)成自然光的兩個(gè)線偏振光分量的相位各自獨(dú)立地隨機(jī)變化，因此構(gòu)成自然光的兩個(gè)線偏振光分量的相位各自獨(dú)立地隨機(jī)變化，因此不能再合成為一個(gè)單一矢量不能再合成為一個(gè)單一矢量 1.3.2 自然光自然光(完全非偏振光完全非偏振光)1.3 自然光與偏振光自然光與偏振光1 光波、光線與光子光波、光線與光子2021III22021IAAA圖圖1.3-4 自然光及其分解自然光及其分解(a) 自然光的電矢量自然光的電矢量yx(b) 電矢量的分解

43、電矢量的分解yxA1A2O特點(diǎn)：特點(diǎn)：光振動(dòng)強(qiáng)度沿兩個(gè)正交方向的時(shí)間平均值不相等，并且在某一方向取光振動(dòng)強(qiáng)度沿兩個(gè)正交方向的時(shí)間平均值不相等，并且在某一方向取極大值極大值Imax時(shí)，其正交方向正好取極小值時(shí)，其正交方向正好取極小值IminP=0：自然光：自然光P=1：線偏振光：線偏振光0P|E1p|； |E2s|E2p|。 自然光入射時(shí)，自然光入射時(shí)，反射光和透射光均為部分偏振光反射光和透射光均為部分偏振光。 圓偏振光入射時(shí)，圓偏振光入射時(shí)，反射光和透射光均為橢圓偏振光反射光和透射光均為橢圓偏振光。 線偏振光入射時(shí)，線偏振光入射時(shí)，反射光和透射光仍為線偏振光，但振動(dòng)面相對于原入射反射光和透射光

44、仍為線偏振光，但振動(dòng)面相對于原入射光有一定偏轉(zhuǎn)光有一定偏轉(zhuǎn)。1.3.4 菲涅耳公式菲涅耳公式 1.3 自然光與偏振光自然光與偏振光1 光波、光線與光子光波、光線與光子-1.0-0.500.51.00306090tptsrprs00.51.00306090|rs|tp|ts|rp|圖圖1.3-7 振幅反射比與振幅透射比曲線（振幅反射比與振幅透射比曲線（n1=1，n2=1.5）i1/(o)i1/(o)定義：外反射：定義：外反射：自然光以入射角自然光以入射角i1由介質(zhì)由介質(zhì)1進(jìn)入介質(zhì)進(jìn)入介質(zhì)2時(shí)的反射時(shí)的反射 內(nèi)反射：內(nèi)反射：自然光以入射角自然光以入射角i2由介質(zhì)由介質(zhì)2進(jìn)入介質(zhì)進(jìn)入介質(zhì)1時(shí)的反射時(shí)

45、的反射 ?。赫穹夥瓷浔龋喝。赫穹夥瓷浔龋簉s、rp， 振幅外透射比：振幅外透射比：ts、tp 振幅內(nèi)反射比：振幅內(nèi)反射比：rs、rp，振幅內(nèi)透射比：，振幅內(nèi)透射比：ts、tp 托克斯倒易關(guān)系托克斯倒易關(guān)系：ssrrpprr1ss2s ttr1pp2pttr(1.3-3b)(1.3-3a)1.3 自然光與偏振光自然光與偏振光1 光波、光線與光子光波、光線與光子1.3.5 斯托克斯倒易關(guān)系斯托克斯倒易關(guān)系斯托克斯倒易關(guān)系的證明：斯托克斯倒易關(guān)系的證明：圖圖1.3-8 斯托克斯倒易關(guān)系的證明斯托克斯倒易關(guān)系的證明ArtAArrAttArArAtAtAtrn2n1由能量守恒定律得：由能量守恒定律得

46、：AAttArr0 AtrArt無論是無論是s分量還是分量還是p分量，其分量，其內(nèi)反射與外反射的振幅反射比大小相等，內(nèi)反射與外反射的振幅反射比大小相等，符號相反，相應(yīng)的振幅透射比（符號相反，相應(yīng)的振幅透射比（ts與與ts，tp與與tp）總是符號相同）總是符號相同。 結(jié)論：結(jié)論：1.3.5 斯托克斯倒易關(guān)系斯托克斯倒易關(guān)系1.3 自然光與偏振光自然光與偏振光1 光波、光線與光子光波、光線與光子布儒斯特角：布儒斯特角：折射光線與反射光線方向正交時(shí)的入射角折射光線與反射光線方向正交時(shí)的入射角iB 布儒斯特定律：布儒斯特定律：入射角等于布儒斯特角入射角等于布儒斯特角iB時(shí)，反射光只存在偏振面垂直于入時(shí)

47、，反射光只存在偏振面垂直于入射面的偏振分量（即射面的偏振分量（即s分量）分量）12Barctannni(1.3-4)圖圖1.3-9 自然光以布儒斯特角入射時(shí)的反射和折射自然光以布儒斯特角入射時(shí)的反射和折射iBE1pE1sk1iBE1sk1iBk2E2pE2sn2n1若若n1=1，則，則2Barctan ni 數(shù)學(xué)表示：數(shù)學(xué)表示：1.3 自然光與偏振光自然光與偏振光1 光波、光線與光子光波、光線與光子1.3.6 布儒斯特定律布儒斯特定律 自然光以布儒斯特角入射時(shí)，自然光以布儒斯特角入射時(shí)，反射光為振動(dòng)面垂直于入射面（反射光為振動(dòng)面垂直于入射面（s分量）分量）的線偏振光的線偏振光，透射光變?yōu)椴糠制?/p>

48、振光透射光變?yōu)椴糠制窆?。說說 明：明： 線偏振光線偏振光以布儒斯特角入射時(shí)，若其振動(dòng)面與入射面垂直，則以布儒斯特角入射時(shí)，若其振動(dòng)面與入射面垂直，則反射光反射光和透射光均為振動(dòng)面垂直于入射面的線偏振光和透射光均為振動(dòng)面垂直于入射面的線偏振光；若入射光振動(dòng)面與入若入射光振動(dòng)面與入射面平行，射面平行，則反射光強(qiáng)度為則反射光強(qiáng)度為0，即全部透射，即全部透射。 圓偏振光圓偏振光以布儒斯特角入射時(shí)，以布儒斯特角入射時(shí)，反射光仍為振動(dòng)面垂直于入射面（反射光仍為振動(dòng)面垂直于入射面（s分量）的線偏振光，透射光變?yōu)闄E圓偏振光分量）的線偏振光，透射光變?yōu)闄E圓偏振光。1.3.6 布儒斯特定律布儒斯特定律1.3 自

49、然光與偏振光自然光與偏振光1 光波、光線與光子光波、光線與光子玻片堆玻片堆特點(diǎn)：特點(diǎn)：可對入射光的偏振態(tài)及振幅進(jìn)行調(diào)制?？蓪θ肷涔獾钠駪B(tài)及振幅進(jìn)行調(diào)制。 玻片堆的應(yīng)用：玻片堆的應(yīng)用：起偏器，檢偏器，偏振分束器，偏振激光器等。起偏器，檢偏器，偏振分束器，偏振激光器等。 1.3.6 布儒斯特定律布儒斯特定律1.3 自然光與偏振光自然光與偏振光1 光波、光線與光子光波、光線與光子反射鏡反射鏡布儒斯特窗布儒斯特窗圖圖1.3-12 帶布儒斯特窗的激光諧振腔帶布儒斯特窗的激光諧振腔圖圖1.3-11 偏振分束器偏振分束器sp自然光自然光等效于玻片堆等效于玻片堆的多層介質(zhì)膜的多層介質(zhì)膜20pII 220pI

50、AA圖圖1.3-10 玻片堆玻片堆iB自然光自然光I0Ip忽略玻璃吸收忽略玻璃吸收表述：表述：透過檢偏器（如玻片堆）的線偏振光的強(qiáng)度正比于光的偏振方向與透過檢偏器（如玻片堆）的線偏振光的強(qiáng)度正比于光的偏振方向與檢偏器的起偏方向間夾角的余弦平方檢偏器的起偏方向間夾角的余弦平方 (1.3-5)q20cosII 圖圖1.3-13 馬呂斯定律馬呂斯定律sP (p)A=I01/2Ap=I1/2q q1.3 自然光與偏振光自然光與偏振光1 光波、光線與光子光波、光線與光子1.3.7 馬呂斯定律馬呂斯定律應(yīng)用：應(yīng)用：光調(diào)制光調(diào)制線偏振光透過檢偏器（玻片線偏振光透過檢偏器（玻片堆）后的強(qiáng)度與偏振方向堆）后的強(qiáng)

51、度與偏振方向I0I透振方向透振方向結(jié)論：結(jié)論： 自然光自疏（快）介質(zhì)向密（慢）介質(zhì)正入射或掠入射時(shí)，反射光自然光自疏（快）介質(zhì)向密（慢）介質(zhì)正入射或掠入射時(shí)，反射光相對入射光存在半波損失（相對入射光存在半波損失（ 相位突變），反之不存在。相位突變），反之不存在。 斜入射情況下，反射光相對入射光的相位變化一般較為復(fù)雜，但經(jīng)斜入射情況下，反射光相對入射光的相位變化一般較為復(fù)雜，但經(jīng)同一分界面的內(nèi)、外反射所得兩束反射光之間一定存在半波損失同一分界面的內(nèi)、外反射所得兩束反射光之間一定存在半波損失。 透射光在任何情況下都不存在半波損失。透射光在任何情況下都不存在半波損失。 圖圖1.3-14 反射光的相位

52、突變（反射光的相位突變（n110微米）微米） 光輻射的波長范圍：光輻射的波長范圍：亞納米級的亞納米級的X射線微米級射線微米級的遠(yuǎn)紅外輻射，其中：的遠(yuǎn)紅外輻射，其中：X射線：射線：亞納米亞納米納米納米紫外線：紫外線：近（近（200400納米）、遠(yuǎn)（納米）、遠(yuǎn)（5 200納米）納米）可見光：可見光：400 760納米納米結(jié)論：結(jié)論：光輻射光輻射只是一種波長只是一種波長極短、頻率極極短、頻率極高的電磁波。高的電磁波。1.4 光輻射與光度學(xué)光輻射與光度學(xué)1 光波、光線與光子光波、光線與光子1.4.1 光源與光輻射光源與光輻射(4) 光輻射的光譜類型光輻射的光譜類型 光譜：光譜：非單色光的非單色光的波長

53、（頻率）分布波長（頻率）分布 線狀光譜：線狀光譜：由分立波長（頻率）成分組成由分立波長（頻率）成分組成 連續(xù)光譜：連續(xù)光譜：由連續(xù)波長（頻率）成分組成由連續(xù)波長（頻率）成分組成單色光：單色光：只有單一波長成分的光只有單一波長成分的光非單色光：非單色光：具有多種波長成分的光具有多種波長成分的光 復(fù)色光：復(fù)色光：由幾種單色光成分幾種單色光成分構(gòu)成的構(gòu)成的非單色光非單色光 白白 光：由光：由各種可見光波長成分各種可見光波長成分構(gòu)成的構(gòu)成的非單色光非單色光說明：說明：熱輻射光譜熱輻射光譜連續(xù)光譜連續(xù)光譜 原子光譜或氣體放電光譜原子光譜或氣體放電光譜線狀光譜線狀光譜 線狀光譜的特點(diǎn)：線狀光譜的特點(diǎn)：每個(gè)

54、波長成分反映了發(fā)光成分的一條特征譜線每個(gè)波長成分反映了發(fā)光成分的一條特征譜線 1.4 光輻射與光度學(xué)光輻射與光度學(xué)1 光波、光線與光子光波、光線與光子1.4.1 光源與光輻射光源與光輻射00.20.40.60.81.0691692693694695696歸歸一一化化強(qiáng)強(qiáng)度度T=300K波長波長/(nm)D Dl l圖圖1.4-2 紫外光激發(fā)的紅寶石（紫外光激發(fā)的紅寶石（Al2O3:Cr）發(fā)射光譜）發(fā)射光譜圖圖1.4-1 可見光區(qū)的熱輻射光譜可見光區(qū)的熱輻射光譜紅紅橙橙藍(lán)藍(lán)紫紫青青綠綠黃黃連續(xù)光譜與線狀光譜連續(xù)光譜與線狀光譜準(zhǔn)單色光：準(zhǔn)單色光：實(shí)際中并不存在理想的單色光，通常所謂的單色光，只是當(dāng)

55、譜實(shí)際中并不存在理想的單色光，通常所謂的單色光，只是當(dāng)譜線寬度線寬度D Dl l（D Dn n）很小時(shí)的很小時(shí)的窄帶光窄帶光。 譜線寬度：譜線寬度：每條譜線的強(qiáng)度分布具有一定的每條譜線的強(qiáng)度分布具有一定的波長（頻率）范圍波長（頻率）范圍D Dl l（D Dn n），D Dl l越小，表示光的單色性越好。越小，表示光的單色性越好。1.4 光輻射與光度學(xué)光輻射與光度學(xué)1 光波、光線與光子光波、光線與光子1.4.1 光源與光輻射光源與光輻射光度學(xué)：光度學(xué)：研究可見研究可見光輻射強(qiáng)弱光輻射強(qiáng)弱的學(xué)科的學(xué)科輻射度學(xué)的一部分輻射度學(xué)的一部分光度學(xué)的研究基于兩個(gè)基本假設(shè)：光度學(xué)的研究基于兩個(gè)基本假設(shè)： 光：

56、光：沿光線方向進(jìn)行的沿光線方向進(jìn)行的能量流能量流，遵守能量守恒定律，即光束在單位時(shí)間，遵守能量守恒定律，即光束在單位時(shí)間內(nèi)通過任一截面的能量為常數(shù)內(nèi)通過任一截面的能量為常數(shù) 光源光源：既可以是一個(gè)既可以是一個(gè)實(shí)際的發(fā)光體實(shí)際的發(fā)光體，也可以是，也可以是光源自身的像光源自身的像或者是一個(gè)或者是一個(gè)自身并不發(fā)光，但自身并不發(fā)光，但被另一光源照明的物體表面被另一光源照明的物體表面輻射度學(xué)：輻射度學(xué)：研究各種研究各種電磁輻射強(qiáng)弱電磁輻射強(qiáng)弱的學(xué)科的學(xué)科1.4 光輻射與光度學(xué)光輻射與光度學(xué)1 光波、光線與光子光波、光線與光子1.4.2 輻射度學(xué)與光度學(xué)輻射度學(xué)與光度學(xué)(1) 輻射能通量輻射能通量Y Y定

57、義：定義：單位時(shí)間單位時(shí)間內(nèi)由給定面元內(nèi)由給定面元dS發(fā)發(fā)出或通過一定面元出或通過一定面元dS接收的接收的所有波長成分的所有波長成分的總輻射能量?？傒椛淠芰?。實(shí)質(zhì)：實(shí)質(zhì)：通過面元通過面元ds的的所有波長成分所有波長成分的總的總 輻射功率。輻射功率。單位：單位： W（瓦特瓦特）或）或J/s（焦耳每秒）焦耳每秒）說明：說明：不同光源或同一光源不同部位處在相同時(shí)間內(nèi)輻射的光能量可能有不同光源或同一光源不同部位處在相同時(shí)間內(nèi)輻射的光能量可能有所不同，其定量表示即輻射能通量。所不同，其定量表示即輻射能通量。(2) 輻射能通量譜密度輻射能通量譜密度 (l l) 定義：定義：單位時(shí)間單位時(shí)間內(nèi)由給定面元內(nèi)由

58、給定面元ds發(fā)出或發(fā)出或通過一定面元通過一定面元ds接收的接收的位于波長位于波長l l 附近單位波長間隔內(nèi)的輻射能附近單位波長間隔內(nèi)的輻射能量量。表示為表示為y y (l l)。實(shí)質(zhì)：實(shí)質(zhì)：通過面元通過面元dS且波長為且波長為l l的的單色輻單色輻射功率，輻射能通量按波長的分射功率，輻射能通量按波長的分布函數(shù)，布函數(shù)，或或單色輻射能通量。單色輻射能通量。單位：單位： W/m（瓦特每米瓦特每米）或）或J/(sm)（焦焦耳每秒耳每秒米米）1.4 光輻射與光度學(xué)光輻射與光度學(xué)1 光波、光線與光子光波、光線與光子1.4.3 輻射能通量與光通量輻射能通量與光通量 任一輻射源的輻射能通量中，任一輻射源的輻

59、射能通量中，不同波長成分的輻射所占比重有可能不同不同波長成分的輻射所占比重有可能不同。因此，總的輻射能通量應(yīng)是因此，總的輻射能通量應(yīng)是所有波長成分輻射能通量的疊加所有波長成分輻射能通量的疊加，即即Y Y 與與y y(l l)滿足滿足關(guān)系：關(guān)系： 輻射能通量相等，但輻射能通量相等，但波長不同的光，可能引起同一探測器不同的感覺強(qiáng)波長不同的光，可能引起同一探測器不同的感覺強(qiáng)度度。而波長及輻射能通量大小不同的光，卻有可能引起同一探測器相同而波長及輻射能通量大小不同的光，卻有可能引起同一探測器相同的感覺強(qiáng)度。的感覺強(qiáng)度。 llyYd0說明：說明：(1.4-1) 輻射能通量僅僅反映了輻射能通量僅僅反映了光

60、源發(fā)出的客觀光能量光源發(fā)出的客觀光能量的大小，并未反映出這的大小，并未反映出這些光能量所能引起些光能量所能引起人的眼睛人的眼睛或其它或其它光探測器光探測器的主觀感覺強(qiáng)度主觀感覺強(qiáng)度的大小。的大小。 1.4 光輻射與光度學(xué)光輻射與光度學(xué)1 光波、光線與光子光波、光線與光子1.4.3 輻射能通量與光通量輻射能通量與光通量(3) 視見函數(shù)視見函數(shù)V(l l)光探測器的光譜響應(yīng)靈敏度：光探測器的光譜響應(yīng)靈敏度：光探測器對不同波長光輻射的感覺靈敏度。光探測器對不同波長光輻射的感覺靈敏度。正常人眼的視覺特點(diǎn)：正常人眼的視覺特點(diǎn)：對黃綠光最敏感，對紅光和紫光的感覺靈敏度較對黃綠光最敏感，對紅光和紫光的感覺靈