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(dòng)光學(xué):從光的波動(dòng)性出發(fā)研究光在傳播過(guò)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(lái)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(dòng)光學(xué)相位是時(shí)間和空間坐標(biāo)的函數(shù)，表示平面波在不同時(shí)刻空間各點(diǎn)的振動(dòng)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(diǎn)電場(chǎng)或磁場(chǎng)具有相同值的波固定某一時(shí)刻

，看波在空間的分布：

固定空間某點(diǎn)

，隨時(shí)間周期振動(dòng)：

傳播速度波長(zhǎng)時(shí)間頻率任一方向振動(dòng)的光矢量E可分解成兩個(gè)互相垂直的分量

p分量：平行于入射面振動(dòng)

S分量：垂直于入射面振動(dòng)反射定律和折射定律2n1q1n2q1q’oE1pE1sE’1sE’1pE2sE2pxz反射和折射時(shí)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?yàn)?/p>

≠

，≠入射光是自然光反射光中沒(méi)有振動(dòng)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(shì)的部分線偏振光。1、兩個(gè)頻率相同、振動(dòng)方向相同的單色光波的疊加得到合振動(dòng)3.2光波的疊加疊加結(jié)果為光波振動(dòng)的矢量和，而不是光強(qiáng)的和。光波傳播的獨(dú)立性：兩個(gè)光波相遇后又分開(kāi)，每個(gè)光波仍然保持原有的特性。疊加是線性的，但當(dāng)光強(qiáng)很大時(shí)這種疊加原理不再適用合成光強(qiáng)求解干涉、衍射問(wèn)題的方法

2、駐波兩個(gè)頻率相同、振動(dòng)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(qiáng)：與z無(wú)關(guān)，波不會(huì)在z方向上傳播故這個(gè)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(gè)頻率相同、振動(dòng)方向垂直的單色光波的疊加振幅變化強(qiáng)度變化4、光學(xué)拍兩個(gè)頻率接近、振幅相同、振動(dòng)方向相同且在同一方向傳播的光形成。兩個(gè)單色波1.干涉圖樣的計(jì)算

P點(diǎn)的干涉條紋強(qiáng)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(jiàn)度振幅比

對(duì)條紋可見(jiàn)度的影響xI光源寬度

的影響實(shí)際光源是擴(kuò)展光源—許多不相干點(diǎn)源的集合多組干涉條紋疊加的強(qiáng)度分布疊加后干涉條紋的可見(jiàn)度下降光源非單色性對(duì)條紋可見(jiàn)度的影響K10最大光程差

平行平板干涉裝置采用擴(kuò)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(jì)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(shí)的光程差Dh(2)相鄰條紋所以從一個(gè)條紋過(guò)渡到另一個(gè)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(zhǎng)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(dòng)時(shí)對(duì)條紋的影響。特點(diǎn)：M1和M2垂直時(shí)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(shí)，條紋外冒，變密

h減小時(shí)，條紋內(nèi)縮，變疏

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

（三）泰曼干涉儀通過(guò)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(gè)光路中加入了被測(cè)光學(xué)器件單色準(zhǔn)直光照明，使產(chǎn)生等厚干涉條紋，用于檢驗(yàn)光學(xué)零件的綜合質(zhì)量檢驗(yàn)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(shí)，其傳播方向會(huì)偏離直線傳播，彎入到障礙物的幾何陰影中，并呈現(xiàn)光強(qiáng)的不均勻分布的現(xiàn)象。衍射現(xiàn)象的分類(lèi)：菲涅耳衍射：距離衍射屏近處的衍射。夫瑯和費(fèi)衍射：距離衍射屏無(wú)限遠(yuǎn)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(diǎn)光振動(dòng)應(yīng)該是波面上所有子波相干疊加的結(jié)果。點(diǎn)光源S對(duì)P點(diǎn)的作用光波通過(guò)圓孔的惠更斯作圖法SDD'K

夫瑯合費(fèi)衍射裝置透鏡的作用：無(wú)窮遠(yuǎn)處的衍射圖樣成象在焦平面上。4.2典型孔徑的夫瑯合費(fèi)衍射矩孔衍射CQPEy1x1yP0xO強(qiáng)度分布特點(diǎn)先討論沿y軸方向的分布。在Y軸上，當(dāng)b=0時(shí)，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(gè)零強(qiáng)度點(diǎn)之間的距離與矩孔的寬度成反比，與光波波長(zhǎng)成正比主極大值的邊緣位置和寬度：衍射擴(kuò)展與矩孔的寬度成反比，與光波波長(zhǎng)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(diǎn)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(shí)，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(jì)算e0xx0暗條紋的間隔主極大值的邊緣位置和寬度：2.光強(qiáng)分布特點(diǎn)PEy1x1yP0xOa圓孔衍射1、復(fù)振幅分布計(jì)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(diǎn)的強(qiáng)度與衍射角θ有關(guān)，或與r有關(guān)。r相等的光強(qiáng)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