高等物理光学课件-平面波

高等物理光学课件平面波-平面波定义均匀性方向性理想模型平面波在波前上的振幅和相位都相同平面波的波前是无限大的平面，其传平面波是光学中的理想模型，用于简播方向垂直于波前化光波的分析和计算平面波性质波前传播方向振幅均匀平面波的波前是相互平行的平面平面波的传播方向垂直于波前在同一波前的任何点，平面波的振幅都相同平面波传播方程波动方程1描述波的传播规律的方程它表示波的位移与时间和空间坐标的关系平面波方程2一种特殊的波动方程，用于描述平面波的传播它假设波的波前是平面的，并且波的振幅沿波传播方向保持不变数学表达式3平面波传播方程通常用以下形式表示ux,y,z,t=A coskx-ωt+φ其中•ux,y,z,t为波的位移•A为波的振幅•k为波数，等于2π/λ•ω为角频率，等于2πf•φ为相位常数平面波振幅和相位振幅相位平面波的振幅表示波的强度，它反映了波的能量大小平面波的相位描述了波在一个特定时刻的运动状态，它与波的频率和时间有关平面波的频率和波长vλ频率波长每秒钟通过某一点的波峰个数相邻两个波峰之间的距离平面波的传播速度真空中c=299,792,458m/s介质中v=c/n平面波的极化电场方向线性极化圆极化椭圆极化平面波的极化方向指的是电场电场矢量沿固定方向振动，例电场矢量在垂直于传播方向的电场矢量在垂直于传播方向的矢量在空间中的振动方向如垂直极化或水平极化平面上以恒定幅值旋转，形成平面上以恒定幅值旋转，形成圆形轨迹椭圆形轨迹线偏振平面波线偏振平面波是指电场矢量始终沿一个固定方向振动的平面波电场矢量振动方向称为偏振方向，垂直于偏振方向的平面称为偏振面圆偏振平面波圆偏振平面波是电场矢量的末端在空间中描绘出一个圆形轨迹的平面波圆偏振平面波是由两个振幅相等、频率相同、相位差为π/2的线偏振光叠加而成的圆偏振光根据电场矢量旋转的方向分为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光当电场矢量的旋转方向与观察者视线方向一致时，称为左旋圆偏振光；当电场矢量的旋转方向与观察者视线方向相反时，称为右旋圆偏振光椭圆偏振平面波线偏振光圆偏振光椭圆偏振光电场矢量在一个平面上振动电场矢量的端点在垂直于传播方向的平面电场矢量的端点在垂直于传播方向的平面上描绘出一个圆形轨迹上描绘出一个椭圆形轨迹平面波的强度平面波的强度是指单位时间内通过单位面积的光能，与电场和磁场的振幅平方成正比平面波能量通量定义单位时间内通过单位面积的能量公式S=1/2ε0c E2单位瓦特/平方米W/m2平面波的反射入射角1入射光线与法线的夹角反射角2反射光线与法线的夹角反射定律3入射角等于反射角反射系数4反射光强与入射光强的比值平面波的折射折射定律1入射角和折射角正弦之比等于两种介质折射率之比斯涅耳定律2光线在两种介质界面上的折射现象遵守斯涅耳定律折射率3不同介质对光的折射能力不同，用折射率来衡量菲涅尔公式反射系数透射系数12描述了光波在两种介质界面上描述了光波在两种介质界面上的反射强度的透射强度偏振方向3菲涅尔公式考虑了光波的偏振方向，分别计算平行和垂直偏振光的反射和透射布鲁斯特角入射角公式当光线从一种介质入射到另一种介质tanθB=n2/n1，其中θB为布鲁斯特时，反射光和折射光会发生偏振现象角，n1和n2分别为两种介质的折射率，当入射角等于布鲁斯特角时，反射光将完全是线偏振光，偏振方向垂直于入射面应用布鲁斯特角在光学器件设计、偏振光应用、表面清洁等方面具有重要应用全反射临界角条件应用当光线从光密介质进入光疏介质时，入光线从光密介质射向光疏介质，入射角全反射现象在光纤通信、显微镜、棱镜射角大于临界角时，光线将发生全反射大于临界角等领域都有广泛应用平面波干涉干涉现象当两束或多束相干光波相遇时，会在空间中产生稳定的光强分布，这种现象被称为干涉相干性干涉现象需要两束光波具有相同的频率、振动方向和相位关系，即相干性路径差两束光波相遇时，由于传播路径不同，会产生路径差，导致光波相位差明暗条纹当两束光波相位差为2π的整数倍时，光波叠加，形成明条纹；当两束光波相位差为π的奇数倍时，光波抵消，形成暗条纹两束平面波干涉干涉条件1两束平面波的频率相同，且相位差恒定干涉现象2在两束平面波叠加区域，波的振幅会发生变化，形成明暗相间的干涉条纹干涉类型3根据两束平面波的相位差，干涉可以分为相长干涉和相消干涉多束平面波干涉多光束干涉多束干涉是指多束相干光束在空间中叠加形成的干涉现象干涉条纹多束干涉产生的干涉条纹比两束干涉更清晰、更明亮，因为干涉条纹的对比度更高应用多束干涉在光学仪器中有着广泛的应用，例如激光干涉仪、光栅光栅方程衍射光栅光栅方程12衍射光栅是用来产生衍射光谱光栅方程描述了衍射光栅产生的器件它是由许多等间距的的衍射光谱的位置和强度狭缝或反射面组成的应用3光栅方程广泛应用于光谱学，材料科学和光学仪器等领域单缝衍射单缝衍射现象1当一束平行光照射到宽度为a的单缝上，穿过单缝的光将在屏上形成明暗相间的衍射条纹衍射条纹特征2中心亮条纹最亮，宽度最大，两侧的亮条纹强度逐渐减弱，宽度逐渐变窄衍射现象说明3光具有波动性，当光波通过狭缝时会发生衍射现象，导致光线发生偏折双缝干涉叠加1两束光波相遇干涉2振幅叠加条纹3明暗相间光学腔共振腔谐振条件光学腔是一种用来储存光的装置只有满足特定谐振条件的光波才，通常由两个或多个反射镜组成能在腔内稳定的储存，这些条件，反射镜之间的距离被称为腔长通常由腔长和光波波长决定应用光学腔在激光器、光纤通信和精密测量等领域有着广泛的应用，它能够提高光信号的强度、稳定性和方向性激光原理受激辐射光学谐振腔12激光器利用受激辐射原理，使激光器包含一个光学谐振腔，原子或分子在受到特定频率的通过反射镜的多次反射，使受光照射后，从高能级跃迁到低激发射的光子在腔内不断传播能级，同时发射出与入射光相并放大，形成高强度的激光同频率、相位和方向的光子增益介质3激光器需要一种增益介质，例如气体、液体或固体，能够吸收特定频率的光，并将其转换为受激发射的光子激光特性高方向性高单色性激光束具有高度的平行性，光束激光辐射的频率非常窄，几乎只发散角很小，因此可以传播很远包含一种颜色，被称为单色光的距离而不会明显发散高相干性高亮度激光光波具有高度的相干性，这激光束的能量集中在一个很小的意味着它们在空间和时间上都是区域内，因此具有很高的亮度，相互关联的，具有稳定的波形可以用来切割、焊接等激光器分类固体激光器气体激光器染料激光器半导体激光器固体激光器使用固体材料作气体激光器使用气体作为增染料激光器使用有机染料作半导体激光器使用半导体材为增益介质，例如掺钕钇铝益介质，例如氦氖激光器（为增益介质，可以产生可调料作为增益介质，例如砷化石榴石（Nd:YAG）或掺钕玻HeNe）或二氧化碳激光器（谐的激光输出镓（GaAs）或量子阱激光器璃（Nd:Glass）CO2）半导体激光器小型化高效率应用广泛半导体激光器体积小巧，便于集成到各种半导体激光器具有较高的能量转换效率，半导体激光器广泛应用于光通信、光存储设备中可节省能源消耗、激光打印等领域光纤激光器光纤激光器利用光纤作为增益介质，光纤激光器结构紧凑，体积小巧，便能够实现高功率输出，同时具有良好于集成和应用的光束质量和稳定性光纤激光器具有较高的能量转换效率，可以降低运行成本总结平面波应用平面波是一种重要的光学模型平面波的应用范围广泛，包括，它在光学系统中被广泛应用激光、光纤通信、光学显微镜理解平面波的性质和行为对、光学干涉测量等领域于理解光学现象至关重要。