高等物理光学课件-平面波

平面波物理光学简介光波特性电磁波理论12物理光学研究光的波动性，包物理光学以电磁波理论为基础括干涉、衍射、偏振等现象，解释光的传播和相互作用应用领域3物理光学在光学仪器、光通信、激光技术等领域有广泛应用电磁波简介电磁波是一种由振荡的电场和磁场组电磁波以光速传播，在真空中速度约成的波，两者互相垂直，并且与传播为每秒299,792,458米方向也互相垂直电磁波包含了从低频的无线电波到高频的伽马射线，不同的频率对应着不同的电磁波类型电磁波的基本性质横波性质波速频率和波长能量电磁波的电场和磁场方向相互在真空中，电磁波以光速传播电磁波的频率和波长成反比，电磁波的能量与频率成正比，垂直，且都垂直于波的传播方，约为3×108米/秒两者之积等于波速频率越高，能量越大向电磁波的传播横波1电场和磁场垂直于传播方向速度2真空中以光速传播介质3在介质中速度会减慢平面波的定义平行光线波阵面在均匀介质中，平面波的波阵面是平面的，所有光线平行传播，具波阵面是波传播过程中，振动相位相同的点所组成的面有相同的方向平面波的振幅定义平面波在空间中传播时，电场或磁场强度的最大值符号通常用E0或B0表示单位伏特/米（V/m）或特斯拉（T）影响因素平面波的振幅取决于波源的功率和距离平面波的波矢方向大小波矢的方向代表平面波的传播方向波矢的大小等于平面波的波数，即2π除以波长平面波的相位0π相位相位差表示波的振动状态，描述波在空间和两个波之间的相位差决定了它们的干时间上的变化情况涉现象2π周期性平面波的相位是周期性变化的，每个周期对应一个波长平面波的频率和角频率频率角频率平面波的频率是指平面波在一个周期内振动完成的次数通常用f平面波的角频率是指平面波在一个周期内所经过的角度，通常用ω表示，单位为赫兹（Hz）表示，单位为弧度每秒（rad/s）平面波的波长和传播速度波长λ两个相邻波峰或波谷之间的距离传播速度v波在介质中传播的速度，与介质的折射率有关平面波的瑞利判据分辨极限中心极大重合瑞利判据用于判断光学系统是否两个点光源的衍射图样中心极大能分辨两个相邻的光源重合时，系统刚好能分辨这两个光源平面波的极化电场方向偏振方式平面波的极化是指电场矢量在传根据电场矢量的振动方向，平面播方向上的振动方向波可以分为线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光影响因素平面波的极化状态受光的产生方式、传播介质和反射、折射等因素的影响线偏振光线偏振光是指电场矢量方向始终在一个特定平面内振荡的电磁波该平面被称为偏振面，电场矢量方向与偏振面平行线偏振光可以由自然光通过偏振片或其他偏振元件获得椭圆偏振光椭圆偏振光是指电场矢量的末端在垂直于传播方向的平面上描绘出一个椭圆椭圆偏振光可以分解为两个互相垂直的线偏振光，这两个线偏振光的振幅和相位差决定了椭圆的形状和方向圆偏振光方向变化振幅不变圆偏振光的电场矢量在传播方向上以等幅旋转，形成螺旋状电场矢量的振幅保持恒定，旋转速度与光波频率一致偏振光的合成和分解合成1多个偏振光可以合成一个新的偏振光分解2一个偏振光可以分解为多个偏振光应用3偏振光的合成和分解在光学仪器中有着广泛的应用薄膜干涉薄膜干涉现象干涉条件当光线照射到薄膜表面时，一部薄膜干涉现象的发生需要满足一分光线被反射，另一部分光线透定的条件，包括光线的波长、薄过薄膜反射光和透射光之间会膜的厚度和折射率等因素发生干涉现象，形成明暗相间的条纹应用薄膜干涉现象在光学仪器、光学器件和光学薄膜等领域有着广泛的应用，例如镀膜镜片、光学滤波器等薄膜干涉的条件光源薄膜入射角光源应为单色光或准单色光，以保证干涉条薄膜的厚度必须远小于入射光波长，以确保入射角应适当，以保证干涉条纹的清晰度纹清晰可见干涉现象明显薄膜反射率和透射率R T反射率透射率薄膜反射光强度与入射光强度的比值薄膜透射光强度与入射光强度的比值多层薄膜干涉多层膜多层膜是由多层不同折射率的薄膜组成的，每个薄膜的厚度都经过精心设计光波干涉当光波入射到多层膜时，会在各层膜界面发生反射和透射，产生干涉现象干涉条件多层膜干涉的条件取决于膜层的厚度、折射率和入射光的波长应用多层膜干涉在光学仪器、光学薄膜、激光技术等领域有着广泛的应用多层膜的反射和透射反射率透射率多层膜的反射和透射特性取决于各层的厚度和折射率干涉仪的原理光波叠加相位差干涉条纹干涉仪的核心原理是利用两束或多束相干干涉现象的产生取决于两束光波的相位差当两束光波叠加时，会产生明暗相间的干光波的叠加，产生干涉现象相位差取决于光程差，即两束光波传播涉条纹条纹的明暗程度取决于两束光波路径的长度差的相位差迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪是一种常用的干涉仪，它利用光的干涉原理来测量光的波长、折射率等物理量迈克尔逊干涉仪由两块互相垂直的平面镜组成，光束从光源发出后，被分光镜分成两束，分别照射到两块平面镜上，反射后重新会合，形成干涉条纹劳埃德干涉仪劳埃德镜干涉仪利用一面平面镜和一个单缝，产生两束相干光，形成干涉条纹它是一种经典的干涉实验，在物理学和光学研究中具有重要意义劳埃德镜干涉仪的特点是，一束光直接照射到屏幕上，另一束光则反射到屏幕上这两种光束在屏幕上相遇，产生干涉现象布雷格反射条件波长入射角入射X射线的波长入射X射线与晶体平面的夹角晶面间距晶体中相邻晶面的间距射线衍射X晶体结构布拉格定律应用X射线衍射是研究物质内部结构的有力工布拉格定律解释了X射线衍射的原理，它X射线衍射广泛应用于材料科学、化学、具它利用X射线与晶体中的原子相互作表明当X射线束入射到晶体时，只有当入生物学等领域，例如材料的晶体结构分析用，产生衍射图案，从而揭示晶体的原子射角满足特定条件时，才能发生衍射现象、蛋白质结构解析等排列方式光栅的原理多缝衍射光程差光栅由大量等间距的平行狭缝组相邻两条狭缝衍射的光程差为d成，当光线照射到光栅上时，会sinθ，其中d为狭缝间距，θ为衍在每条狭缝处发生衍射，这些衍射角射波相互干涉，形成干涉条纹干涉加强当光程差为波长的整数倍时，干涉加强，形成明条纹公式d sinθ=mλ，其中m为干涉级数光栅频散定义光栅频散是指光栅将不同波长的光分开的能力公式dsinθm-sinθi=mλ影响因素光栅常数d、入射角θi、衍射级次m光栅的波长分辨率/N Nλ分辨率刻线数光栅的波长分辨率，即能分辨的两条光栅刻线数越多，分辨率越高谱线的最小波长差λ波长波长越短，分辨率越高。