大学课件-物理光学

物理光学本课程将深入探讨光的本质和行为，包括光的波动性、干涉、衍射和偏振等现象课件大纲光的波动性质光的粒子性质波动理论、光的干涉、光的衍射黑体辐射、光电效应、康普顿效应光在介质中的传播光的偏振光的反射、光的折射、光的色散自然光和偏振光、吸收、反射和折射时的偏振、双折射绪论

1.本课程将带领大家探索光学世界，从光的波动性和粒子性出发，研究光的干涉、衍射、偏振、以及激光等重要现象光在自然界中的重要性光合作用视觉自然现象植物利用光能将二氧化碳和水转化为食物动物通过光线感知周围环境，进行捕食、光线与物质相互作用产生彩虹、日晕、海，为生物圈提供能量躲避天敌和寻找食物市蜃楼等美丽自然现象光的基本性质直线传播反射折射在均匀介质中，光沿直线传播，这是光线遇到物体表面发生改变方向的现光线从一种介质进入另一种介质时，光学的基础原理之一象，比如镜子反射光线传播方向发生改变的现象，比如光线穿过水或玻璃光的波动性质

2.波动理论惠更斯原理光的波动性质，指光以波的形式传惠更斯原理解释了光的波动性，它播，这种传播方式可以解释光的干指出，在波前上任何一点都可以看涉和衍射现象作新的子波的波源，这些子波相互叠加形成新的波前波动理论光的波动性光的电磁波性质惠更斯原理认为光波是一种横波，传播过程中会产生干涉和衍射麦克斯韦方程组证实了光是一种电磁波，能够在真空中传播现象光的干涉当两束或多束相干光波相遇时，由于波的叠加，会在空间中形成稳定的明暗相间条纹，这种现象称为光的干涉光的干涉现象是波动性的典型表现光的干涉现象在生活中随处可见，例如肥皂泡表面的彩色条纹、薄膜上的彩虹等在科学技术方面，光的干涉也具有重要的应用，例如激光干涉仪、干涉显微镜等光的衍射光的衍射是指光波在传播过程中遇到障碍物或孔径时，偏离直线传播路径的现象这是光的波动性的重要表现之一衍射现象在生活中十分常见，例如，当我们透过窗帘缝隙看到的光线，或者透过光盘上的刻痕看到的光斑，都是光的衍射现象光的粒子性质

3.光电效应康普顿效应光照射到金属表面会发射出电子，当光子与电子发生碰撞时，光子会该现象被称为光电效应光电效应损失一部分能量，并改变方向该表明，光具有粒子性，即光是由称现象被称为康普顿效应，进一步证为光子的能量量子组成的实了光的粒子性黑体辐射热辐射黑体所有温度高于绝对零度的物体都理想化的物体，能够完全吸收所会发出电磁辐射有波长的入射电磁辐射普朗克定律描述黑体辐射能量分布随波长和温度变化的规律光电效应光电效应爱因斯坦光电效应公式当光照射到金属表面时，金属中的电子会吸收光能而脱离金属表面爱因斯坦解释了光电效应，他认为光具有粒子性，光子可以将能量，形成光电流光电效应的发生与光的频率有关，只有当光的频率传递给电子，使电子脱离金属表面光子的能量与光的频率成正比大于金属的逸出功时才会发生光电效应，光电效应公式为:E=hf-W，其中h为普朗克常数，f为光的频率，W为金属的逸出功康普顿效应光子与电子碰撞光子能量减少散射光波长变长光在介质中的传播

4.光的反射光的折射当光线从一种介质进入另一种介质当光线从一种介质进入另一种介质时，一部分光线会返回到原介质中时，光线会改变方向，这种现象称，这种现象称为光的反射为光的折射光的反射反射定律镜面反射12入射光线、反射光线和法线在光线从光滑表面反射，反射光同一平面内，反射角等于入射线平行，如镜子反射角漫反射3光线从粗糙表面反射，反射光线散射，如墙壁反射光的折射折射现象折射定律光线从一种介质斜射入另一种介折射光线、入射光线和法线在同质时，传播方向会发生改变，这一平面内入射角的正弦与折射种现象叫做光的折射角的正弦之比为一个常数，称为介质的折射率折射率折射率与光的波长有关，不同颜色的光在同一介质中的折射率不同，导致光色散现象光的色散白光分解折射率差异彩虹现象当白光通过棱镜时，它会被分解成不同不同颜色的光在介质中的折射率不同，雨后阳光照射到空气中的水滴时，也会的颜色导致它们以不同的角度折射发生光的色散，形成彩虹光的偏振光的偏振是指光波振动方向的特性自然光的光波振动方向是随机的，而偏振光的光波振动方向是确定的自然光和偏振光自然光是由不同方向振动的光波组成的，振动方向是随机的偏振光是指振动方向确定的光波，其振动方向与传播方向垂直吸收、反射和折射时的偏振反射折射吸收当光从一种介质反射到另一种介质时，反当光从一种介质折射到另一种介质时，折某些材料能够吸收特定方向的偏振光，而射光通常会部分偏振偏振方向取决于入射光也会部分偏振偏振方向取决于入射透射其他方向的偏振光例如，偏振片只射角和介质的折射率角和介质的折射率允许与偏振方向一致的偏振光通过双折射双折射现象寻常光和非常光某些晶体，如方解石，具有两个一束光线通过双折射晶体，会产折射率，因此一束光线进入后会生两束偏振光，分别称为寻常光分裂成两束偏振光和非常光应用双折射现象在光学仪器，如偏振镜，中具有重要应用光的干涉与衍射干涉衍射当两束或多束光波相遇时，由于波当光波遇到障碍物或孔隙时，光波的叠加而产生的现象干涉现象是偏离直线传播路径而绕过障碍物或光波动性的重要表现孔隙的现象杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉实验是证明光波动性的经典实验实验中，两束来自同一光源的光束通过两条狭缝，在屏幕上产生明暗相间的干涉条纹干涉条纹的间距取决于光的波长和两条狭缝之间的距离薄膜干涉薄膜干涉是指两束光线在薄膜表面反射时相互干涉的现象这种干涉现象与薄膜的厚度、折射率和入射角有关薄膜干涉在生活中有很多应用，例如肥皂泡、光学镀膜和激光干涉仪衍射现象衍射现象是光波绕过障碍物或孔隙传播的现象，它证明了光具有波动性衍射现象在生活中随处可见，例如，透过窗帘缝隙的光线会产生衍射图案，以及光碟上的彩虹色也源于衍射衍射现象光波在传播过程中，遇到障碍物或孔径时，会偏离直线传播的现象，称为衍射现象惠更斯原理衍射类型解释衍射现象的基础单缝衍射、多缝衍射、圆孔衍射激光的基本原理受激辐射谐振腔光束输出原子吸收能量跃迁到高能级，然后在其他两个平行反射镜构成谐振腔，使受激辐射通过一个半透镜，将部分激光束输出，形光子的刺激下，跃迁回低能级，发射与入的光子在腔内多次反射，不断增强成方向一致、单色性好、相干性高的激光射光子相同性质的光子激光的种类和性质种类性质激光按照工作物质可分为气体激光、固体激光、液体激光和半导激光的特点主要包括单色性、方向性、相干性、高亮度等单体激光气体激光以氦氖激光和二氧化碳激光最为常见，固体激色性是指激光的光谱宽度很窄，方向性是指激光的光束发散角很光以红宝石激光和钕玻璃激光为代表，液体激光以染料激光为典小，相干性是指激光各部分光波之间保持着固定的相位关系，高型，半导体激光以砷化镓激光和磷化铟激光为代表亮度是指激光能量密度很高激光的应用医疗工业12激光治疗可以用于眼科手术、激光切割、激光焊接、激光打皮肤病治疗、肿瘤治疗等方面标等技术广泛应用于制造业通信科研34激光通信具有高带宽、低损耗激光在基础科学研究、材料科等优势，是未来通信的重要方学研究等领域发挥着重要作用向。