《物理光学》课件

《物理光学》课程介绍物理光学作为物理学的重要分支，在现代科学技术发展中具有不可替代的地位本课程将系统介绍光的波动性、干涉、衍射、偏振等基础理论，帮助学生建立完整的物理光学知识体系通过本课程的学习，学生将掌握光的基本性质与传播规律，理解光与物质相互作用的物理机制，并了解激光、光纤通信、全息等现代光学技术的基本原理与应用光学发展简史古代光学理论牛顿提出的粒子说认为光是由光源发射的微小粒子组成，这解释了光的直线传播和反射现象，但难以解释复杂的干涉和衍射现象这一理论在17世纪末至18世纪初占据主导地位波动说的兴起惠更斯、杨、菲涅耳等科学家相继提出和完善了光的波动理论托马斯·杨的双缝干涉实验为波动说提供了有力证据，而菲涅耳的数学分析进一步巩固了电磁理论的突破这一理论19世纪，麦克斯韦通过电磁理论揭示了光的本质，证明光是一种电磁波，统一了光学与电磁学，这是光学史上的重大突破量子光学理论光的本质电磁波性质数学描述基本参数光是一种横波电磁波，由相互垂直的光波可用正弦函数表示光的基本参数包括频率、波长Ex,t=νλ电场和磁场组成，两者又与传播方向₀，其中₀是振幅，和振幅频率与波长的关系是E sinkx-ωt+φE垂直这种电磁波以波的形式在空间是波数，是角频率，是初相位，其中是光速常数可见光的kωφλ=c/νc传播，不需要介质即可在真空中传播这一方程描述了光波在空间和时间中波长范围约为纳米，对应不400-700的传播特性同的颜色在标准条件下，光在真空中传播速度为常数，这是物理学中的基本常数光的可见光谱仅占整个电磁波c=

2.998×10⁸m/s谱的一小部分，从紫色到红色，代表了人眼可感知的波长范围~400nm~700nm电磁波谱无线电波波长最长，频率最低微波、红外线、可见光中等波长与频率紫外线、射线、伽马射线X波长最短，频率最高电磁波谱以连续的方式展示了所有类型的电磁辐射，从波长最长的无线电波到最短的伽马射线可见光仅占整个电磁波谱的极小部分，约在纳米波长范围内400-700尽管电磁波谱中的各类波动共享相同的物理本质它们都是电磁波，但由于波长和频率的差异，它们与物质相互作用的方式各不相同，——因此具有截然不同的特性和应用例如，无线电波用于通信，微波用于加热，红外线用于热成像，紫外线用于消毒，射线用于医学成X像，伽马射线用于癌症治疗几何光学回顾直线传播原理在均匀介质中，光沿直线传播这是几何光学的基本假设，使我们可以用光线图描述光的传播路径反射定律入射角等于反射角，且入射光线、反射光线和法线在同一平面内这一定律适用于所有类型的反射面折射定律斯涅尔定律n₁sinθ₁=n₂sinθ₂，描述了光线从一种介质进入另一种介质时方向的变化几何光学的局限性当光与尺寸接近光波长的物体相互作用时，几何光学失效，需要波动光学来解释干涉和衍射现象几何光学虽然在宏观尺度下能很好地描述光的传播、反射和折射现象，但当涉及到光的波动性质时，它的解释能力就变得有限理解物理光学需要建立在几何光学的基础上，同时超越其局限，通过波动理论解释更复杂的光学现象波动光学基础惠更斯原理光的波动方程波前上的每一点都可以看作是次波光波作为电磁波，遵循波动方程源，产生向四周传播的球面波在∇，其中是²E-1/c²∂²E/∂t²=0E某一时刻，这些次波的包络面构成电场，是光速这一方程描述了c新的波前这一原理是理解波动传光波在时间和空间中的传播特性播的基础模型波前与波面波前是指在某一时刻，所有具有相同相位的点构成的面对于点光源，波前为球面；对于远距离光源，波前近似为平面波面垂直于光线传播方向在波动光学中，相位是描述波动状态的重要参数，表示波在周期运动中所处的位置波数，描述了单位距离内的相位变化光程是光在介质中传播的几何k=2π/λ路径长度与该介质折射率的乘积，而光程差则是指不同光路的光程之间的差值，直接影响光波的相位差光的相干性相干性定义时间相干性相干性是指光波在空间和时间时间相干性描述了光波在不同上保持稳定相位关系的能力时刻的相位关系，与光源的单当两束光能够产生稳定的干涉色性直接相关相干时间定τc图样时，我们说它们是相干的；义为光波保持相位关系的时间反之则为非相干尺度，相干长度Lc=cτc空间相干性空间相干性描述了光波在空间不同点的相位关系，与光源的空间尺寸和结构有关点光源具有完美的空间相干性，而大面积光源则空间相干性较差相干性对于干涉和衍射实验至关重要，因为只有相干光才能产生稳定的干涉图样普通光源如白炽灯、荧光灯通常是非相干的，而激光和经过单色处理的光源则具有较高的相干性在实际应用中，光的相干特性直接影响了全息、干涉测量等技术的实现可能性相干光源理想点光源单色化处理理想点光源体积无限小，发出的光具通过滤波器或单色仪可以增强光源的有完美的空间相干性，但通常波长范时间相干性，获得更窄的频率分布围宽，时间相干性有限激光光源分束器应用激光通过受激辐射过程产生高度相干利用分束器可以从同一光束分离出两的光，同时具有优异的时间和空间相束相干光，用于干涉实验干性相干光源是干涉和衍射实验的基础在实验室中，常用的相干光源包括氦氖激光器、半导体激光器和经过空间滤波的扩展光束分束器的使用是产生相干光束的重要方法，它可以把单一光束分成两束具有稳定相位关系的光束，这在迈克尔逊干涉仪等精密光学仪器中具有重要应用光的干涉现象干涉的物理本质干涉条件光的干涉是波动叠加的结果，当两束或多束相干光波在空产生稳定干涉条纹需要满足三个条件光源必须相干；参间相遇时，它们的振幅会按照相位关系进行叠加在相位与干涉的光波应具有相同频率（单色性）；光波的偏振方差为偶数个时，形成相长干涉，产生亮条纹；在相位差向应相同或至少有共同分量只有满足这些条件，才能观π为奇数个时，形成相消干涉，产生暗条纹察到稳定的干涉现象π光波的叠加遵循复振幅叠加原理，两束光波的合成振幅为₁₂，而光强则为对于两束相干光的干涉，光A=A+A I=|A|²强分布可表示为₁₂₁₂₂₁，其中₂₁是相位差这一公式清晰地表明了干涉条纹的亮度与I=I+I+2√I Icosφ-φφ-φ相位差的关系在日常生活中，我们可以在肥皂泡、油膜、表面等看到干涉现象产生的彩色条纹科学研究和工业应用中，干涉现象被CD广泛用于精密测量、光谱分析和薄膜厚度监控等领域干涉条纹等倾干涉等厚干涉干涉条纹的可见度当平行光通过均匀厚度的平行薄膜时，在当光通过厚度变化的薄膜（如楔形薄膜）干涉条纹的可见度V定义为Imax-不同入射角度下产生的干涉条纹对于给时，光程差在空间上变化，形成等厚干涉Imin/Imax+Imin，反映了干涉条纹明暗对定的入射角，整个视场具有相同的光程差，条纹每条干涉条纹连接薄膜中具有相同比的程度对于完全相干的等强度光波，形成环状干涉条纹这种干涉条纹在迈克厚度的点，因此被称为等厚线牛顿环是可见度为1；对于部分相干光，可见度小于尔逊干涉仪中很常见典型的等厚干涉现象1；对于非相干光，可见度为0干涉条纹的形成受光程差直接影响，光程差Δ=n·d·cosθ（其中n是折射率，d是薄膜厚度，θ是光在薄膜中的传播角度）决定了相位差φ=2πΔ/λ明条纹出现在相位差等于2mπ处，暗条纹出现在相位差等于2m+1π处，其中m是整数通过分析干涉条纹的分布和变化，可以精确测量薄膜厚度、表面平整度和材料折射率等参数杨氏双缝干涉实验装置杨氏双缝实验由单色光源、单缝屏（用于产生相干光）、双缝屏和观察屏组成光源发出的光通过单缝后形成相干光波，然后通过双缝，在观察屏上形成明暗相间的干涉条纹数学描述当两个缝的宽度远小于缝间距d时，在距离为D的观察屏上，干涉条纹的光强分布可表示为I=4I₀cos²πdx/λD，其中x是观察点到中心的距离，λ是光波长条纹间距计算相邻明条纹（或暗条纹）之间的距离为Δx=λD/d这表明条纹间距与光波长成正比，与缝间距成反比，与观察屏距离成正比通过测量条纹间距，可以计算光波长杨氏双缝干涉实验具有重要的历史意义，它首次直接证明了光的波动性实验显示，光通过两个缝隙后会形成干涉条纹，这只能用波动理论解释明条纹出现在满足dsinθ=mλ（m为整数）的位置，暗条纹出现在满足dsinθ=m+1/2λ的位置当缝间距d和屏间距D远大于光波长λ时，可以近似为Δx=λD/d薄膜干涉肥皂泡干涉光在肥皂泡两表面反射形成干涉，产生彩色花纹楔形薄膜楔形薄膜产生等间距条纹，用于测量微小厚度变化牛顿环凸透镜与平面玻璃间的空气层产生同心圆干涉条纹薄膜干涉是生活中最常见的干涉现象当光照射到薄膜上时，部分光在上表面反射，部分光穿透上表面后在下表面反射，这两部分反射光由于光程差的存在而产生干涉光程差由薄膜厚度、折射率和入射角决定，表达式为（额外的来自界面反射时的相位改变）Δ=2nd·cosθ+λ/2λ/2对于厚度均匀的薄膜，不同波长的光形成不同的干涉条件，导致彩色条纹；对于厚度变化的楔形薄膜，则形成等间距的平行条纹牛顿环是一种特殊的等厚干涉现象，通过测量环的直径可以计算曲率半径或确定表面平整度薄膜干涉广泛应用于光学薄膜设计、精密测量和表面检测等领域。