物理學(xué)研究涉及的基本概念系列講座課件

1、物理學(xué)研究涉及的基本概念系列講座第五講 光學(xué)的基本概念1.光的概念及光的本性(1)光的概念光是物質(zhì)的一種存在形態(tài)光是處于一定波長（頻率）范圍內(nèi)的電磁波光是一種量子化場(2)光的本性光是一種相互作用場電磁場量子場場量子為光子，光具有波粒二象性 光的靜止品質(zhì)為0。 光在某些方面的行為表現(xiàn)為波動(dòng)性（如傳播過程）；在另一些方面的行為表現(xiàn)為粒子性（如光與物質(zhì)相互作用過程）；兩種特性同時(shí)存在于光這一同一物質(zhì)客體中。2.光學(xué)理論體系光學(xué)幾何光學(xué)物理光學(xué)波動(dòng)光學(xué)量子光學(xué)3.幾何光學(xué)研究光在透明介質(zhì)中直線傳播的規(guī)律四個(gè)基本原理直線傳播定律：光在同一種均勻、各項(xiàng)同性的透明介質(zhì)中以直線傳播。光的反射、折射定律反射光

2、線、入射光線、界面的法線在同一平面內(nèi)。反射線、入射線分居法線兩側(cè)且反射角等于入射角折射光線、入射光線、界面的法線在同一平面內(nèi)，折射線、入射線分居法線兩側(cè)且入射角的正弦跟折射角的正弦之比為常量折射率 光的獨(dú)立傳播定律：光線從不同方向通過介質(zhì)中某點(diǎn)時(shí)互不影響，保持原頻率、原傳播方向不變。光路可逆性原理：光可沿原路徑相反的方向傳播。幾個(gè)光學(xué)模型點(diǎn)光源：忽略實(shí)際光源的大小，抽象為只為一個(gè)幾何點(diǎn)的理想模型。當(dāng)光源上各點(diǎn)到觀察點(diǎn)的 距離 光源波長，可視為點(diǎn)光源。光線：代表光能量傳播方向的幾何線，亦為光學(xué)現(xiàn)象中抽象的理想模型波面：波的擾動(dòng)在某一時(shí)刻所到達(dá)的各點(diǎn)的軌跡三維空間的幾何曲面，在各向同性介質(zhì)中，光線

3、與波面處處正交。光束：光波波面的法線束，是有一定關(guān)系的一些光線的集合，分同心光束（發(fā)散、會(huì)聚、平行光束）、像散光束，它們分別對應(yīng)的波面為球面和非球面理想光學(xué)系統(tǒng)：保持光束同心性，能理想成像的光學(xué)系統(tǒng) 近軸光線：在共軸球面光學(xué)系統(tǒng)中，光線與光軸的夾角必滿足近軸條件： 時(shí)，物點(diǎn)與像點(diǎn)一一 對應(yīng)，成為共軛點(diǎn)一種理想成像 關(guān)于成像理想成像：物點(diǎn)與像點(diǎn)一一對應(yīng)物光：射向某光學(xué)系統(tǒng)（或組件）的入射線； 像光：由某光學(xué)系統(tǒng)（或組件）出射的光線。實(shí)物點(diǎn)：實(shí)際發(fā)出光線，與發(fā)散的同心光束對應(yīng)的點(diǎn)； 虛物點(diǎn)：諸光線延長線的交點(diǎn)，與會(huì)聚的同心光束對應(yīng)的點(diǎn)。實(shí)像點(diǎn)：與會(huì)聚同心光束對應(yīng)，是光線的實(shí)際交點(diǎn)； 虛像點(diǎn)：與發(fā)散

4、的同心光束對應(yīng)，是光線反向延長線的交點(diǎn)。關(guān)于全反射折射率越大的物質(zhì)，光在其中傳播的速度越??； 不同介質(zhì)的折射率不同， 小的稱光疏介質(zhì)、 大的稱光密介質(zhì) 光由光疏介質(zhì) 光密介質(zhì) ； 光由光密介質(zhì) 光疏介質(zhì) 在 的情況下， 時(shí)，對應(yīng)的入射角 折射光線完全消失該現(xiàn)象稱全反射。 此時(shí)， 時(shí)均發(fā)生全反射現(xiàn)象 色散現(xiàn)象棱鏡色散原理：光由光疏介質(zhì)入射，光線向法線靠近，而射出棱鏡時(shí)正好相反，法線 偏向棱鏡底邊；而各種單色光通過棱鏡偏折程度不同（紅光偏折最小，紫光偏折最大）從而形成一條按紅、橙、黃、綠、蘭、靛、紫順序的彩色亮帶光譜復(fù)色光分解成單色光的現(xiàn)象。平面折射成像的像散除平行光和近軸光線外，平面折射的光束單

5、心性會(huì)遭到破壞，折射的元光束反向延長線并不交于一點(diǎn)，從而構(gòu)成成像散光束。當(dāng)眼遠(yuǎn)離光軸，入射角增大，“像”越來越模糊，且強(qiáng)度會(huì)逐漸減弱。凸透鏡（凹面鏡）的物像規(guī)律物距像距 物象關(guān)系實(shí)物成倒立縮小實(shí)像 實(shí)物成倒立放大實(shí)像 物距像距物像關(guān)系實(shí)物成正立放大虛像虛物成正立縮小實(shí)像凹透鏡（凸面鏡）的物像規(guī)律 物距 像距 物像關(guān)系實(shí)物成正立縮小虛像虛物成正立放大實(shí)像物距 像距 物像關(guān)系虛物成倒立放大虛像虛物成倒立縮小虛像平面鏡成像： 實(shí)物 正立等大虛像； 虛無 正立等大實(shí)像；物像與平面鏡對稱4.波動(dòng)光學(xué) 研究光在介質(zhì)中一般傳播的規(guī)律涉及光波的干涉、衍射、偏振、光速、光的吸收散射和色散等 (1)關(guān)于光波 光波

6、：波長位于特定波段的電磁波：紫外光 可見光 紅外光 單色光：只包含一種波長成分的光波（理想模型）準(zhǔn)單色光：當(dāng)譜線寬度 平均波長 對應(yīng)的準(zhǔn)單色光源：鈉光燈、水銀燈、鎘燈、 氦氖激光器、氬離子激光器等。 復(fù)色光：包含多種波長的光白光：包含可見光波長范圍的各種波長光線 組成的復(fù)色光。 波動(dòng)基本特性：考察波長中每一點(diǎn)，其物理狀態(tài)隨時(shí)間有周期性 變化?？疾烀恳凰矔r(shí)的波長，各點(diǎn)的物理狀態(tài)隨空間有周期性變化 如 矢量橫波 兩個(gè)振動(dòng) 與 相互垂直且同步， 振動(dòng)與傳播方向垂直。在各向同性介質(zhì)中滿足傍軸條件時(shí)，可近似以標(biāo)量波處理光的干涉與衍射。 (2)關(guān)于波場波場的幾何描述波面：某一時(shí)刻，波所到達(dá)的空間內(nèi)，具有同

7、位相的各點(diǎn)所組成的面三維空間里的曲面族。波線：能量傳播的路徑，在各向同性介質(zhì)中，波線是與波面處處正交的空間曲線族。最簡單、最基本的波是“球面波”和“平面波”理想的波動(dòng)過程。定態(tài)波場空間各點(diǎn)的擾動(dòng)是同頻率的簡諧振動(dòng)（頻率與振源相同）波場中各點(diǎn)擾動(dòng)的振幅不隨時(shí)間變化，在空間形成一個(gè)穩(wěn)定的振幅分布波列的持續(xù)時(shí)間 擾動(dòng)的周期，可近似 認(rèn)為是 定態(tài)光波定態(tài)波場的光波。 (3)波的數(shù)學(xué)描述定態(tài)標(biāo)量波：波源作簡諧振動(dòng) 沿 方向傳播到任意點(diǎn)P的波動(dòng)方程 依波數(shù) ，圓頻率 ， 則： 依歐拉公式 則波動(dòng)方程 復(fù)數(shù) 表示法中實(shí)數(shù)部分 ，虛數(shù)部分 ，用 表示復(fù)振幅， 則波動(dòng)方程的復(fù)數(shù)表達(dá)式為 復(fù)振幅集定態(tài)波場中兩個(gè)空

8、間分布于一身，使復(fù)數(shù)描述清晰，簡化。(4)波前（波陣面）定態(tài)波的波前泛指波場中任一曲面，尤其關(guān)注某一特定平面的波前，復(fù)振幅在這樣的波前上是二維分布。非定態(tài)波的波前，指行進(jìn)在最前面的波面。(5)關(guān)于光強(qiáng)（幅照度）波場中某點(diǎn)光強(qiáng)：反映光學(xué)探測器（人眼、視網(wǎng)膜、光電管、感光板等）在檢測時(shí)間內(nèi)測量到的該點(diǎn)光波強(qiáng)弱的物理量。光強(qiáng)為待測點(diǎn)處能流密度S（波印廷矢量的大?。┰跈z測時(shí)間內(nèi)的平均值。 中K為常數(shù)）（同一介質(zhì)只關(guān)心光強(qiáng)的相對分布，則 (6)波的獨(dú)立傳播與迭加在均勻空間中（真空或充滿均勻介質(zhì)），幾列光波 相遇時(shí)，只要振動(dòng)不十分強(qiáng)烈（光強(qiáng)不大的弱光束） 就可以互不干擾各自保持自己的特性（ 等），獨(dú)立地依

9、原有方向繼續(xù)前進(jìn)。合振動(dòng)等于各列波單獨(dú)在該點(diǎn)激起振動(dòng)的矢量和。 (7)關(guān)于干涉非相干疊加：各列波疊加后，光強(qiáng)為各束 波的強(qiáng) 度之和，與時(shí)間無關(guān)， 相干疊加：滿足一定條件的兩束（或多束）光在空間疊加后，其強(qiáng)度分布與原來兩束（或多束）光的強(qiáng)度之和不同的現(xiàn)象干涉形成干涉的各個(gè)光波應(yīng)滿足的條件相干條件干涉項(xiàng)存在： 同一介質(zhì)K為常數(shù)： 稱干涉項(xiàng)。干涉同時(shí)滿足的條件分析： 時(shí)干涉項(xiàng)中的位相差： 則 初相差 恒定，與時(shí)間無關(guān)， 僅是 的函數(shù)，當(dāng) 為干涉相長； 為干涉相消。 三個(gè)同時(shí)滿足的必要條件參與疊加的光波頻率必須相同；疊加點(diǎn)引起的振動(dòng)必須有相互平行的振動(dòng)分量；疊加點(diǎn)引起的振動(dòng)之間必須有恒定的位相差。補(bǔ)充

10、相干光波在疊加點(diǎn)引起的振幅相差不懸殊相干光波到達(dá)疊加點(diǎn)的光程差不能太大（要小于波的相干長度）關(guān)于“時(shí)間相干性”輻射場中某一點(diǎn)不同時(shí)刻發(fā)出的光擾動(dòng)之間的位相相關(guān)性。它反映了在同一觀察點(diǎn)P，不同時(shí)刻光場之間的相干程度，用“同地異時(shí)”概括其相干性質(zhì)的稱時(shí)間相干性。設(shè) 表示光源發(fā)光的平均持續(xù)時(shí)間，則要 在某 點(diǎn)P產(chǎn)生干涉，到達(dá)P點(diǎn)的光波時(shí)間相差不能超過 時(shí)間相干性好的光源， 大，平均波列長度 也大，單色性好。 關(guān)于“空間相干性”輻射場中兩個(gè)不同點(diǎn)在同一時(shí)刻發(fā)出的光擾動(dòng)之間的位相相關(guān)性，它反映了擴(kuò)展光源上不同點(diǎn)同一時(shí)刻輻射光場的相干程度，用“同時(shí)異地”概括其相干性質(zhì)的，稱空間相干性。設(shè)光源到雙縫距離為D

11、，雙縫距離為d，光源 波長 ，則產(chǎn)生干涉的光源線度應(yīng)滿足 常在雙縫前置一單縫，以限制光源的寬度，當(dāng) 一定， 源或縫寬可允許的線度越大。(8)關(guān)于衍射光波遇到障礙物時(shí)，偏離幾何光學(xué)規(guī)律傳播從而引起光源重新分布的現(xiàn)象稱衍射光的衍射是一種區(qū)別于幾何光學(xué)規(guī)律的光的傳播現(xiàn)象。產(chǎn)生衍射現(xiàn)象的條件是：光波遇到障礙物自由波面發(fā)生破損，改變了波前的復(fù)振幅分布從而也引起光強(qiáng)的重新分布。衍射現(xiàn)象顯著光屏上能觀察到清晰的衍射圖樣障礙物或開孔線度為光波波長的幾十、幾百倍時(shí)，效果明顯。衍射分菲涅耳衍射（光源和屏幕距障礙物有限遠(yuǎn)）和夫瑯和費(fèi)衍射（光源和屏幕都距障礙物無限遠(yuǎn)）研究衍射的理論基礎(chǔ)：惠更斯菲涅耳原理a.波面上的每

12、一點(diǎn)都可看成是發(fā)射次波的波源，它們各自發(fā)出球面次波。在以后某一時(shí)刻，這些次波的包絡(luò)面（與各次波相切的曲面），就是該時(shí)刻波傳播的新波面（惠更斯“次波”概念）b波前 上的每一面元 可以看作是相干的次波源， 它們發(fā)出球面次波在空間某一點(diǎn)P的振動(dòng)是 這些次波在該點(diǎn)的相干疊加（菲涅耳“次波相干疊加”思想）c菲氏衍射積分公式d. 菲-基衍射積分公式：適用于光波為單色波；光波可以用標(biāo)量處理； 衍射屏（或孔）線度 波長；屏幕不能太靠近衍射屏原理表明：光的直線傳播是衍射現(xiàn)象的極限情況：波面不被障礙物遮擋，所有次波在任何觀察點(diǎn)疊加的結(jié)果形成光的直線傳播。若波面受遮不完整，則觀察點(diǎn)疊加時(shí)缺少了這部分次波的參加，便發(fā)

13、生了有明暗條紋的衍射現(xiàn)象(9)光的干涉和衍射兩概念比較共同點(diǎn)：都屬光的波動(dòng)現(xiàn)象；都屬波的相干疊加問題。區(qū)別：衍射體現(xiàn)一個(gè)波場獨(dú)立傳播時(shí)的波動(dòng)特征；干涉體現(xiàn)若干波場共同傳播時(shí)的波動(dòng)特征；干涉是有限多個(gè)分立的光波的相干疊加；純干涉中，每束光波符合幾何光學(xué)規(guī)律；衍射是同一光部的部分波面上連續(xù)分布的無限多次波源發(fā)出的次波（傳播可以不符合幾何光學(xué)規(guī)律）的相干疊加。衍射較易實(shí)現(xiàn)，干涉較難實(shí)現(xiàn)干涉中復(fù)振幅的疊加是分立的有限項(xiàng)的求和；衍射中復(fù)振幅的疊加是連續(xù)域上對無限項(xiàng)的積分。干涉矢量圖解是折線，而衍射矢量圖解是光滑曲線。干涉圖樣明暗相間的光強(qiáng)分布上間距較均勻，衍射圖樣條紋的光強(qiáng)分布相對集中。(10)光的偏振

14、現(xiàn)象光是電磁波，傳播不需借助任何媒質(zhì)，而靠自身 變化的電場和磁場的緊密聯(lián)系在空間傳播， 彼此垂直，且都與傳播方向垂直。光是橫波。 偏振：波的振動(dòng)方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚ΨQ性。 振動(dòng)面：電矢量 和光的傳播方向所構(gòu)成的平面；偏振面：包含光的傳播方向，且與振動(dòng)面垂直的平面； 對稱性：指過傳播方向任何一平面，波的振動(dòng)總在該平面內(nèi)。 偏振光：光波的電振動(dòng)相對傳播方向具有不對稱性的光。偏振狀態(tài)：在與傳播方向垂直的二維空間里，電矢量 的各種振動(dòng)狀態(tài)。 平面偏振光：電矢量的振動(dòng)始終保持在一個(gè)確定振動(dòng)面內(nèi)的光，此時(shí)，電矢量在偏振面上的投影為一直線，故又稱完全偏振光或直線偏振光。圓偏振光：傳播過程中，電矢量在波面內(nèi)

15、運(yùn)動(dòng)的 特點(diǎn)是瞬時(shí)值大小不變，方向以角速度 勻速轉(zhuǎn)動(dòng)， 則電矢量端點(diǎn)在垂直于傳播方向的平面上的投影繪的軌跡為一個(gè)圓，逆時(shí)針轉(zhuǎn)的稱左旋圓偏振，順時(shí)針轉(zhuǎn)的稱右旋圓偏振。橢圓偏振光：傳播過程中， 的瞬時(shí)值大小有 規(guī)律變化，以 轉(zhuǎn)，在垂直于傳播方向的 平面 上投影所描繪的軌跡為一橢圓，同樣逆時(shí)針的稱左旋橢圓偏振，順時(shí)針的稱右旋橢圓偏振。 由于 可以分解為兩個(gè)相互垂直的方向上的分量，若某一方向上的振動(dòng)占相對優(yōu)勢，則稱部分 偏振光。 描述光的偏振程度的物理量偏振度： 平面偏振光： ,自然光 (11)各向同性與各向異性光學(xué)性質(zhì)與光的傳播方向無關(guān)的介質(zhì)，光在其內(nèi)任何方向傳播時(shí)，傳播速度與偏振方向無關(guān)，光線總與波面垂直，幾何光學(xué)的折射定律總成立，這樣的介質(zhì)稱各向同性介質(zhì)。光學(xué)性質(zhì)與光的傳播方向有關(guān)的介質(zhì)，由于物質(zhì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)對稱性低，因此，傳播速度與偏振方向有關(guān)，幾何光學(xué)的折射定律不一定成立，這樣的介質(zhì)稱各向異性介質(zhì)。自然光在各向異性介質(zhì)中傳播時(shí)，除反射光外，一般還存在兩條互相垂直振動(dòng)的平面偏振動(dòng)，這種現(xiàn)象稱雙