文档介绍：大学物理波动光学总结总结大学物理学波动光学的学习总结(北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院 131715 班北京 100191 ) 摘要:文章就大学物理学中的波动光学中的核心部分包括干涉,衍射,偏振部分的知识做了梳理, 并就对推动波动光学理论建立的光学实验做了总结性的介绍和研究。关键词:波动光学干涉衍射偏振实验 19 世纪初,人们发现光有干涉、衍射、和偏振等现象。例如,在日常生活中常可看到在太阳光的照耀下,肥皂泡或水面的油膜上会呈现出色彩绚丽的彩色条纹图样;又如,让点光源发出的光通过一个直径可调的圆孔,在孔后适当位置放置一屏幕,逐渐缩小孔径,屏幕上上会出现中心亮斑,周围为明暗相间的圆环形图案等等。这些现象表明光具有波动性,用几何光学理论是无法解释的。由此产生了以光是波动为基础的光学理论,这就是波动光学。 19 世纪 60年代,麦克斯韦建立了光的电磁理论,光的干涉,衍射和偏振现象得到了全面说明。本文将从光的干涉衍射和偏振来讨论光的波动性以及波动光学中的经典实验。一、光的干涉 1. 光波定义光波是某一波段的电磁波,是电磁量 E和H 的空间的传播. 2. 光的干涉定义满足一定条件的两束( 或多束) 光波相遇时,在光波重叠区域内,某些点合光强大于分光强之和,在另一些点合光强小于分光强之和,因而合成光波的光强在空间形成强弱相间的稳定分布,称为光的干涉现象,光波的这种叠加称为相干叠加,合成光波的光强在空间形成强弱相间的稳定分布称为干涉条纹,其中强度极大值的分布称为明条纹,强度极小值的分布称为暗条纹. 3. 相干条件表述两束光波发生相干的条件是: 频率相同,振动方向几乎相同,在相遇点处有恒定的相位差. 4. 光程差与相位差定义两列光波传播到相遇处的光程之差称为光程差; 两列光波传播到相遇处的相位之差称为相位差. 5. 双光束干涉强度公式表述在满足三个相干条件时,两相干光叠加干涉场中各点的光强为式子中,相位差保持恒定,若 I1?I2?I0 则 6. 杨氏双缝千涉实验实验装置与现象如图 1 所示,狭缝光源 S 位于对称轴线上,照明相距为 a 的两个狭缝 S1和 S2 ,在距针孔为 D 的垂轴平面上观察干涉图样,装置放置在空气(n=1) 中,结构满足 d?D,D?x,sin??tan?. 在近轴区内,屏幕上的是平行、等间距的明暗相间的直条纹,屏幕上 P点的光程差?为相应明暗纹条件是\ 干涉条纹的位置是式中,整数 k 称为干涉级数,用以区别不同的条纹. 7. 薄膜干涉实验装置如图 2 所示,扩展单色光源照射到薄膜上反射光干涉的情况,光源发出的任一单条光线经薄膜上下两个面反射后,形成两条光线①、②,在实验室中可用透镜将它们会聚在焦平面处的屏上进行观察,在膜的上下两个表面反射的两束光线①和②的光程差为二、光的衍射 1. 光的衍射现象定义一束平行光通过一狭缝 K ,在其后的屏幕上将呈现光斑,若狭缝的宽度比波度大得多时,屏幕 E 上的光斑和狭缝完全一致,如图 3 Ca) 所示,这时可成光沿直线传播的; 若缝宽与光波波长可以相比拟时,在屏幕 E 上的光斑亮度虽然降低,但光斑范围反而增大,如图 3 Cb) 所示的明暗相间的条纹,这就是光的衍射现象,称偏离原来方向传播的光为衍射光. 2. 惠更斯一菲涅耳原理表述任何时刻波面上的每一点都可以作为子波的波源,从同一波面上各点发出的子波在空间相遇时,可以相互叠加产生干涉. 3. 菲涅耳衍射与夫琅禾费衍射定义光源到障碍物,或障碍物到屏的距离为有限远,这类衍射称为菲涅尔衍射: 光源到障碍物,以及障碍物到屏的距离都是无限远,这时入射光和衍射光均可视为平行光,这类衍射称为夫琅禾费衍射. 三、光的偏振 1. 光的偏振性定义光波是电磁波,其电矢量称为光矢量,在垂直于传播方向的平面内,光矢量 E 可能具有的振动状态( 矢量端点的轨迹) ,称为光的偏振态. 光矢量的振动方向与光传播方向所组成的平面称为振动面. 2. 偏振光定义振动方向具有一定规则的光波,称为偏振光。若一束光的光矢量 E 只沿一个固定的方向振动,称这种光为线偏振光,线偏振光的振动面固定不动,故又称为平面偏振光; 若一束光的 E 矢量按一定频率旋转,其矢端沿着一圆形轨道运动,称这种光为圆偏振光; 与圆偏振光类似,若 E 矢量末端沿着一椭圆形轨道运动,称这种光为椭圆偏振光。 3. 部分偏振光定义如果一束光的光矢量在垂直于传播方向的各个方向上都有分布,各个振动之间没有固定的相位关系,但沿某方向的振动总比其他方向更占优势,称这种光为部分偏振光。 4. 偏振片与马吕斯定律表述某些晶体物质对入射光在某个方向的光振动分量有强烈的吸收,而对与该方向垂直的分量却吸收很少,使之能够通过晶体,具有这种特性的晶体称为“二向色性”物质. 把允许通过的光振动方向称为偏振化方向,既透光轴. 将具有