大学物理：第15章 波动光学

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1、理学院 物理系 陈强第第15章章 波动光学波动光学迈克耳孙干涉仪是迈克耳孙干涉仪是根据光的干涉原理制成的精密测量仪器，它可根据光的干涉原理制成的精密测量仪器，它可以精密地测量长度及长度的微小变化等以精密地测量长度及长度的微小变化等.理学院 物理系 陈强15.1 光是电磁波光是电磁波15.2 光波的叠加光波的叠加15.3 分波前干涉分波前干涉 空间相干性空间相干性15.4 光程与光程差光程与光程差15.5 分振幅干涉分振幅干涉15.6 迈克耳孙干涉仪迈克耳孙干涉仪 时间相干性时间相干性15.7 光的衍射光的衍射 惠更斯菲涅耳原理惠更斯菲涅耳原理15.8 夫琅禾费衍射夫琅禾费衍射15.9 衍射光栅

2、衍射光栅 光栅光谱光栅光谱本章内容本章内容理学院 物理系 陈强15.10 X射线在晶体上的衍射射线在晶体上的衍射15.11 光的偏振光的偏振 线偏振光和自然光线偏振光和自然光15.12 偏振片的起偏和检偏偏振片的起偏和检偏 马吕斯定律马吕斯定律15.13 光在反射和折射时的偏振光在反射和折射时的偏振 布儒斯特定律布儒斯特定律15.14 光的双折射光的双折射15.15 尼科耳棱镜尼科耳棱镜 渥拉斯顿棱镜渥拉斯顿棱镜 波晶片波晶片15.16 偏振光的干涉偏振光的干涉 人工双折射人工双折射15.17 旋光效应简介旋光效应简介本章内容本章内容理学院 物理系 陈强15.1 光是电磁波光是电磁波主要内容：

3、主要内容：1.光是一种电磁波光是一种电磁波2.平面简谐电磁波的性质平面简谐电磁波的性质3.光源和发光机理光源和发光机理理学院 物理系 陈强15.1.1 光是一种电磁波光是一种电磁波1.电磁波电磁波u电磁波的产生及传播电磁波的产生及传播 凡作加速运动的电荷或电荷系都是发射电磁波的波源凡作加速运动的电荷或电荷系都是发射电磁波的波源.StBtlESLddddm变化磁场可以激发涡旋电场变化磁场可以激发涡旋电场SLd)(dSjlHtD传导电流和变化电场可以激发涡旋磁场传导电流和变化电场可以激发涡旋磁场理学院 物理系 陈强u电磁波谱电磁波谱理学院 物理系 陈强理学院 物理系 陈强2.光是电磁波光是电磁波光

4、色光色 波长波长/nm 频率频率/Hz中心波长中心波长/nm 红红 760622 660 橙橙 622597 610 黄黄 597577 570 绿绿 577492 540 青青 492470 480 兰兰 470455 460 紫紫 455400 430 141410841093.141410051084.141410451005.141410161045.141410461016.141410661046.141410571066.u可见光七彩颜色的波长和频率范围可见光七彩颜色的波长和频率范围u诸多的现象和理论研究表明：光是电磁波。诸多的现象和理论研究表明：光是电磁波。(1)光与电磁波的传

5、播速度相等；都有反射光与电磁波的传播速度相等；都有反射、折射折射、干涉干涉、衍射衍射、偏振性质偏振性质.(2)用电磁波理论研究光学现象的结果都说明光是电磁波用电磁波理论研究光学现象的结果都说明光是电磁波.理学院 物理系 陈强u人眼视见函数人眼视见函数.反映人眼对不同波长光相对灵敏度的差别反映人眼对不同波长光相对灵敏度的差别.波长波长/nm相对灵敏度相对灵敏度理学院 物理系 陈强.;EjHBED0 Maxwell 方程的微分形式方程的微分形式:0BBdivtBEErottDjHHrotDDdiv0 理学院 物理系 陈强15.1.2 平面简谐电磁波的性质平面简谐电磁波的性质波函数表示的平面电磁波波

6、函数表示的平面电磁波)(cos0urtEE)(cos0urtHHu电磁波是横波电磁波是横波uEHu/eHEOxyzHEeHeEuuu 和和 同相位，幅值成比例同相位，幅值成比例EHHE理学院 物理系 陈强u电磁波的传播速度电磁波的传播速度 001c1u1712sm104108542.81ucn 00rrr电磁波在真空中的传播速度电磁波在真空中的传播速度18sm109979.2介质折射率介质折射率u电磁波的能量电磁波的能量 221Ew221H电磁波能量密度电磁波能量密度理学院 物理系 陈强电磁波能流密度电磁波能流密度wuS 1)21(2122HE EHHES坡印亭矢量坡印亭矢量）（urtHE20

7、0cos电磁波平均能流密度电磁波平均能流密度(波的强度波的强度)TtttSTSSId1TttturtHET)d(cos12002021E有时，电磁波的强度也可表示为有时，电磁波的强度也可表示为2021EI 理学院 物理系 陈强15.1.3 光源和发光机理光源和发光机理1.光源光源u光源：光源：u光源的分类光源的分类任何发光的物体都可以称为光源任何发光的物体都可以称为光源.光谱：光谱：使光波中不同频率的光分开，形成光谱使光波中不同频率的光分开，形成光谱.按光谱分为按光谱分为线谱光源线谱光源连续谱光源连续谱光源(1)线谱光源线谱光源氢原子的巴耳末线系照片氢原子的巴耳末线系照片理学院 物理系 陈强(

8、2)连续谱光源连续谱光源按激发按激发方式分方式分热辐射热辐射 电致发光电致发光 光致发光光致发光 化学发光化学发光 例如：太阳，白炽灯例如：太阳，白炽灯.例如：闪电，霓虹灯，发光二极管等例如：闪电，霓虹灯，发光二极管等.例如：日光灯，鳞光物质例如：日光灯，鳞光物质.例如：例如：燃烧，燃烧，鳞自燃，鳞自燃，萤火虫萤火虫.理学院 物理系 陈强u自发辐射自发辐射2.光源发光机理光源发光机理波列波列E2E1 1hEE/12ltcl(1)光波列长度光波列长度(2)光波列长度与其光波列长度与其 单色性关系单色性关系由傅立叶分析可知由傅立叶分析可知2l220I20IIOc光波单色性光波单色性理学院 物理系

9、陈强(3)光源中各光波列之间关系光源中各光波列之间关系非相干非相干(不同原子发的光不同原子发的光)非相干非相干(同一原子先后发的光同一原子先后发的光)激光的特点：高定向性；高单色性；高亮度；高相干性激光的特点：高定向性；高单色性；高亮度；高相干性.u新型光源新型光源(1)激光：激光：基于特定能级间粒子数反转体系的受激辐射基于特定能级间粒子数反转体系的受激辐射.(2)同步辐射光：同步加速器产生的辐射光同步辐射光：同步加速器产生的辐射光.强度高；方向性好；偏振性好；强度高；方向性好；偏振性好；稳定性好；波谱宽等稳定性好；波谱宽等.同步辐射光的特点：同步辐射光的特点：理学院 物理系 陈强理学院 物理

10、系 陈强15.2 光波的叠加光波的叠加主要内容：主要内容：1.光波的叠加光波的叠加2.光波的相干条件光波的相干条件 理学院 物理系 陈强15.2.1 光波的叠加光波的叠加干涉项干涉项PS1S2r1r2)cos(1111011crtEE)cos(2222022crtEE21EEEP21222122EEEEEP21EE)()cos(21221121210201crrtEE)()cos(22112121crrt 21212EEIIIPP点合光强为点合光强为理学院 物理系 陈强u非相干叠加非相干叠加21 EE21TttcrrtEET)()cos(212211212102010d)()cos(22112

11、121tcrrt21EE21IIIP)(21不恒定不恒定 021EE两叠加光波的光矢量相互垂直或频率不相等或相位两叠加光波的光矢量相互垂直或频率不相等或相位差不恒定，光波为非相干叠加，差不恒定，光波为非相干叠加，P点合光强为点合光强为(1)(2)(3)021EE结论结论021EE理学院 物理系 陈强u相干叠加相干叠加如果两光波频率相同如果两光波频率相同;相位差恒定相位差恒定;光矢量振动方向平行光矢量振动方向平行,则则tcrrcrrtTEEEETttd)()cos()()(cos22212121210201210)()(cos22121Tttcrrt其中其中tcrrTEEEETttd)()cos

12、(22121020121)()cos(221210201crrEE两光波叠加区域两光波叠加区域P点的光强为点的光强为)()cos(221212121crrIIIIIP理学院 物理系 陈强 cos 22121IIIIIcrr)(2121(1)相长干涉相长干涉(明纹明纹)）（,2,1,02kk2121max2IIIIII(2)相消干涉相消干涉(暗纹暗纹),2,1,0)12(）（kk2121min2IIIIII021III04II 021III0I如果如果如果如果 讨论讨论理学院 物理系 陈强(1)光波的光波的频率相同频率相同；(2)光矢量振动方向平行，且振幅相差不大光矢量振动方向平行，且振幅相差不

13、大；(3)光波之间的相位差恒定光波之间的相位差恒定.光的相干的条件光的相干的条件15.2.2 光波的相干条件光波的相干条件 说明说明(1)各光波的各光波的频率相同是任何波动叠加产生干涉的必要条件频率相同是任何波动叠加产生干涉的必要条件.(2)对光矢量振动方向平行条件，一般只要叠加光波的振动对光矢量振动方向平行条件，一般只要叠加光波的振动 方向存在平行分量即可方向存在平行分量即可.(3)光波之间的相位差恒定是保证干涉图样稳定所必须的光波之间的相位差恒定是保证干涉图样稳定所必须的.理学院 物理系 陈强15.3 分波前干涉分波前干涉 空间相干性空间相干性主要内容：主要内容：1.杨氏干涉实验杨氏干涉实

14、验2.菲涅耳双面镜实验菲涅耳双面镜实验3.劳埃德镜实验劳埃德镜实验*4.光波的空间相干性光波的空间相干性理学院 物理系 陈强15.3.1 杨氏干涉实验杨氏干涉实验通过一些技术方法通过一些技术方法(例如例如:通过并排的两个小孔通过并排的两个小孔)从一个从一个光源发出的同一光波列的波前上取出两个子波源，该获光源发出的同一光波列的波前上取出两个子波源，该获得相干光的方法为分波前法得相干光的方法为分波前法.1.杨氏干涉实验装置及实验现象杨氏干涉实验装置及实验现象AB1S2SS光源光源理学院 物理系 陈强2.干涉图样干涉图样u极值位置极值位置xyOzd),(DyxP1r2r 2S1S22222)2(dx

15、yDr22221)2(dxyDr22kDxd,2,12)12(kkDxd光强极小位置光强极小位置 12122rrxdrr光强极大位置光强极大位置,2,1,0k只在只在z轴附近观察轴附近观察由上式得由上式得xdrr22122DxdDyx,在实际的干涉实验中在实际的干涉实验中 d n1)解解理学院 物理系 陈强1i2i将一块介质板放在水中，板面与水平面之间的夹角为将一块介质板放在水中，板面与水平面之间的夹角为，欲使从水面和介质板表面反射的光均为线偏振光，介质板欲使从水面和介质板表面反射的光均为线偏振光，介质板板面与水平面之间的夹角板面与水平面之间的夹角.i1和和i2都为布儒斯特角时都为布儒斯特角时

16、，两反射光均为线偏振光两反射光均为线偏振光.由布儒斯特定律，有由布儒斯特定律，有1.33tan1空气水nni33.168.1tan2水介质nni12iab求求解解例例c水的折射率水的折射率1.33，空气折射率空气折射率1.00，介质板折射率介质板折射率1.68.理学院 物理系 陈强1222iii21.331.68arctan1.33arctan71.14 在三角形在三角形abc中中 222i1i2iabc理学院 物理系 陈强平行放置两偏振片，使它们的偏振化方向成平行放置两偏振片，使它们的偏振化方向成 60 夹角。让夹角。让自然光垂直入射后自然光垂直入射后,下列两种情况下：下列两种情况下：012

17、1II(1)无吸收时，有无吸收时，有60cos21202II 125.08160cos21202II(1)两偏振片对光振动平行于其偏振化方向的光线均无吸收两偏振片对光振动平行于其偏振化方向的光线均无吸收例例求求解解(2)有吸收时，有有吸收时，有10.0101%)101(81202II(2)两偏振片对光振动平行于其偏振化方向的光线分别吸收两偏振片对光振动平行于其偏振化方向的光线分别吸收了了10%的能量的能量透射光的光强与入射光的光强之比是多大？透射光的光强与入射光的光强之比是多大？理学院 物理系 陈强例：偏光镜头例：偏光镜头 橱窗设计橱窗设计 立体电影立体电影理学院 物理系 陈强（C C）用偏光

18、镜用偏光镜消除消除了了反射偏振光反射偏振光 使使玻璃门内的人物玻璃门内的人物清晰可见清晰可见（A A）玻璃门玻璃门表面的表面的反光很强反光很强（B B）用偏光镜用偏光镜减弱减弱了反射偏振光了反射偏振光理学院 物理系 陈强15.14 光的双折射光的双折射主要内容：主要内容：1.双折射现象双折射现象2.惠更斯对双折射现象的解释惠更斯对双折射现象的解释理学院 物理系 陈强15.14.1 双折射现象双折射现象 方解石方解石s1R2R一束光入射到各向异性的介质后出现两束折射光的现象一束光入射到各向异性的介质后出现两束折射光的现象.食盐晶体食盐晶体1.双折射现象双折射现象理学院 物理系 陈强2.晶体传播光

19、的特性晶体传播光的特性(1)寻常光和非常光寻常光和非常光o 光光e 光光ioeu一束折射光始终在入射面内一束折射光始终在入射面内，并并 遵循折射定律，称为寻常光，简遵循折射定律，称为寻常光，简 称称 o 光光.称为非常光，简称称为非常光，简称 e 光光.常数eisinsinu另一束折射光一般不在折射面另一束折射光一般不在折射面 内内，不遵循折射定律不遵循折射定律，即即o 光光e 光光e(2)晶体的光轴晶体的光轴当光在晶体内沿一个特殊当光在晶体内沿一个特殊方向传播时方向传播时不发生双折射不发生双折射，这个方向称为晶体的这个方向称为晶体的光轴光轴.光轴光轴78o102o78o102o102o102

20、o理学院 物理系 陈强(3)主平面主平面e光光光轴光轴o光光光轴光轴o 光的主平面光的主平面e 光的主平面光的主平面晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面.(4)o光和光和e光是光矢量振动方向不同的线偏振光光是光矢量振动方向不同的线偏振光u o 光的光矢量振动方向光的光矢量振动方向 与与 o 光主平面垂直光主平面垂直，总总是与光轴垂直是与光轴垂直.CD光轴光轴Bu e 光的光矢量在光的光矢量在 e 光主平光主平面内面内，其与光轴的夹角随其与光轴的夹角随传播方向而改变传播方向而改变.理学院 物理系 陈强 说明说明l 光轴在入射面时光轴在入射面时，o 光主平面

21、和光主平面和e 光主平面重合，光主平面重合，此时此时 o 光振动和光振动和e 光振动相互垂直光振动相互垂直.l 一般情况下，两个主平面并不重合，所以一般情况下，两个主平面并不重合，所以o 光和光和e 光的光的 光矢量方向也不相互垂直光矢量方向也不相互垂直.理学院 物理系 陈强15.14.2 惠更斯对双折射现象的解释惠更斯对双折射现象的解释1.单轴晶体中的波面单轴晶体中的波面 光的双折射实质上是由于光在晶体中的传播速率与光的光的双折射实质上是由于光在晶体中的传播速率与光的传播方向和光的偏振状态有关传播方向和光的偏振状态有关.u o光光沿不同方向的传播速率相同，其波面是球面沿不同方向的传播速率相同

22、，其波面是球面光轴光轴 oocn vu e光光沿不同方向的传播速率不相同，其波面是以光轴沿不同方向的传播速率不相同，其波面是以光轴 为轴的旋转椭球面为轴的旋转椭球面.光轴光轴 eevcn(e 光光主折射率主折射率)理学院 物理系 陈强由于在光轴方向上不发生双折射现象，在光轴方向由于在光轴方向上不发生双折射现象，在光轴方向o光光和和e光的速率相等光的速率相等.2.正晶体、负晶体正晶体、负晶体光轴光轴(平行光轴截面平行光轴截面)(垂直光轴截面垂直光轴截面)光轴光轴(平行光轴截面平行光轴截面)(垂直光轴截面垂直光轴截面)正晶体正晶体负晶体负晶体eonn eonn eovv eovv tovtevto

23、vtev理学院 物理系 陈强3.双折射的惠更斯几何描述方法双折射的惠更斯几何描述方法(负晶体负晶体)光轴平行入射面，自然光斜入射晶体光轴平行入射面，自然光斜入射晶体.oCD光轴光轴eA光轴平行入射面，自然光垂直入射晶体光轴平行入射面，自然光垂直入射晶体oe光轴光轴DB理学院 物理系 陈强光轴平行晶体表面，自然光垂直入射晶体光轴平行晶体表面，自然光垂直入射晶体 oe DBu此时此时，o,e光在晶体内的光在晶体内的传播方向相同，但传播速度不传播方向相同，但传播速度不 同同,从晶体出射后，二者产生相位差从晶体出射后，二者产生相位差.u这种情况仍然属于有双折射这种情况仍然属于有双折射.说明说明理学院

24、物理系 陈强15.15 尼科耳棱镜尼科耳棱镜 渥拉斯顿棱镜渥拉斯顿棱镜 波晶片波晶片主要内容：主要内容：1.尼科耳棱镜尼科耳棱镜2.渥拉斯顿棱镜渥拉斯顿棱镜3.波晶片波晶片理学院 物理系 陈强15.15.1 尼科耳棱镜尼科耳棱镜利用晶体制成一些棱镜或者器件可以从自然光中获得利用晶体制成一些棱镜或者器件可以从自然光中获得高质量的线偏振光高质量的线偏振光.这一点比偏振片和玻璃堆等偏振这一点比偏振片和玻璃堆等偏振器更优越器更优越.(1.486)(1.55)(1.658)eonnno光轴光轴 加拿大树胶加拿大树胶e出射的是一束振动方向在纸面内的线偏振光出射的是一束振动方向在纸面内的线偏振光.理学院 物

25、理系 陈强15.15.2 渥拉斯顿棱镜渥拉斯顿棱镜 eoeo e光光o光光o光光e光光出射的是两束相互分开的出射的是两束相互分开的、振动方向相互垂直的线偏振光振动方向相互垂直的线偏振光.理学院 物理系 陈强15.15.3 波晶片波晶片1.波晶片波晶片一种由晶体制造的光学器件一种由晶体制造的光学器件.由单轴晶体上切割下来的由单轴晶体上切割下来的平行薄片，其表面与晶体的光轴平行平行薄片，其表面与晶体的光轴平行.2.光在波晶片中的传播特性光在波晶片中的传播特性dxyzo光和光和e光光矢量振幅为光光矢量振幅为sinoEE coseEE EoEeEo光和光和e光通过波晶片后光通过波晶片后的光程差为的光程

26、差为dnnLeo相位差为相位差为dnneo2理学院 物理系 陈强3.波晶片波晶片分类分类 3,2,1,04)12(eokkdnn2)12(k41波片波片 3,2,1,02)12(eokkdnn)12(k半波片半波片 3,2,1,0eok kdnn2k 全波片全波片说明说明:3.一定的波晶片是针对某一特定波长而言的一定的波晶片是针对某一特定波长而言的.从波晶片出射的是从波晶片出射的是两束传播方相同、振动方向相互垂直、频率相等、两束传播方相同、振动方向相互垂直、频率相等、相位差为相位差为 的线偏振光的线偏振光一般它们合成为一束一般它们合成为一束椭圆偏振光椭圆偏振光当当 =/4时时，=/2，3/2，

27、合成光合成光为为圆偏振光圆偏振光1.线偏振光通过线偏振光通过1/4波片波片可以获得可以获得椭圆或圆偏振光椭圆或圆偏振光，反，反之亦然。之亦然。2.线偏振光通过线偏振光通过半波片半波片使使线偏振光振动面转过线偏振光振动面转过2 角度角度。理学院 物理系 陈强 四分之一波片四分之一波片圆偏振光圆偏振光自然光自然光自然光自然光线偏振光线偏振光 偏振片（转动）偏振片（转动）线偏振光线偏振光 I不变不变线偏振光线偏振光I变变,有消光有消光以入射光方向为轴以入射光方向为轴 四分之一波片四分之一波片椭圆偏振光椭圆偏振光部分偏振光部分偏振光线偏振光线偏振光 偏振片（转动）偏振片（转动）线偏振光线偏振光I变变,

28、有消光有消光 部分部分偏振光偏振光光轴平行最大光强或最小光强方向放置或光轴平行最大光强或最小光强方向放置或光轴平行椭圆偏振光的长轴或短轴放置光轴平行椭圆偏振光的长轴或短轴放置线偏振光线偏振光I变变,无消光无消光4.椭圆与圆偏振光的检偏椭圆与圆偏振光的检偏理学院 物理系 陈强15.16 偏振光的干涉偏振光的干涉 人工双折射人工双折射主要内容：主要内容：1.偏振光的干涉偏振光的干涉2.人工双折射及其应用人工双折射及其应用理学院 物理系 陈强15.16.1 偏振光的干涉偏振光的干涉1.偏振光的干涉实验装置偏振光的干涉实验装置1P2PC2.实验现象实验现象u 单色光入射，波晶片厚度均匀，屏幕上光强均匀

29、分布且单色光入射，波晶片厚度均匀，屏幕上光强均匀分布且 稳定不变稳定不变.u 转动任何一个元件转动任何一个元件，屏幕上光强发生变化屏幕上光强发生变化，但仍然光强但仍然光强 分布均匀分布均匀.理学院 物理系 陈强l白光入射，白光入射，波晶片厚度均匀，波晶片厚度均匀，屏幕上出现单一颜色屏幕上出现单一颜色.1P2PCCl转动任何一个元件，屏幕上颜色转动任何一个元件，屏幕上颜色变化变化.白光白光照照射射时，时，屏上由于某种颜色干涉相消屏上由于某种颜色干涉相消,而呈现它的而呈现它的互补色互补色，这叫这叫(显显)色偏振色偏振.单色光入射单色光入射，波晶片厚度不均匀，波晶片厚度不均匀，白光入射白光入射，波晶

30、片厚度不均匀，波晶片厚度不均匀，屏幕上屏幕上出现彩色干涉图出现彩色干涉图.屏幕上屏幕上出现干涉图样出现干涉图样.理学院 物理系 陈强3.偏振光的干涉原理偏振光的干涉原理1P2PCu各个区域光矢量偏振状态各个区域光矢量偏振状态1A1oA1eA0I单色自然光单色自然光线偏振光线偏振光两束频率相同两束频率相同，振动振动方向相互垂直方向相互垂直，具有具有恒定相位差的线偏振恒定相位差的线偏振光光.即椭圆偏振光即椭圆偏振光.两束频率相同两束频率相同，振动振动方向平行方向平行，具有恒定具有恒定相位差的线偏振光相位差的线偏振光.满满足相干条件足相干条件.理学院 物理系 陈强u 屏幕上光强分布屏幕上光强分布02

31、1I1A1oA1eA1P2P2oA2eA sin1o1AA cos1e1AA dnneo2光轴光轴(1)单色自然光通过偏振片单色自然光通过偏振片P1后的光强为后的光强为 ，振幅为，振幅为 A1(2)晶体中晶体中o光光和和e光的振幅光的振幅通过厚度为通过厚度为d 的晶体的晶体，o光和光和e光之间相位差光之间相位差(3)通过偏振片通过偏振片P2两分振动振幅两分振动振幅sino12oAAcos1e2eAA(4)考虑考虑A2o，A2e附加相位差附加相位差 2eodnn理学院 物理系 陈强 说明说明是否存在附加相位差要具是否存在附加相位差要具体考虑体考虑.1A1oA1eA1P2P2eA光轴光轴2oA该情

32、况无需附加相位差该情况无需附加相位差 .(5)屏幕上光强屏幕上光强经过偏振片经过偏振片2 出射的两束光：出射的两束光：振动方向平行振动方向平行，频率相同频率相同，相位差恒定相位差恒定，满足干涉条件满足干涉条件.cos2e2o2e22o222AAAAAI屏幕上光强屏幕上光强 干涉相长干涉相长 干涉相消干涉相消oe22 1,2,3nn dkk，oe2(21)0,1,2,3nn dkk，理学院 物理系 陈强例例求求两正交尼科尔棱镜之间放一块两正交尼科尔棱镜之间放一块1/4 波片，其光轴与第一块波片，其光轴与第一块尼科尔棱镜的起偏方向成尼科尔棱镜的起偏方向成30300 0 角，光强为角，光强为I I0

33、 0 的单色自然光的单色自然光通过该系统通过该系统.出射光的光强出射光的光强.解解自然光通过第一块尼科尔棱镜后的光强为自然光通过第一块尼科尔棱镜后的光强为I1=I0/2，振，振幅为幅为A，经过波片后经过波片后1P2PCAeAoA1A2A230sinooAAA2330cosoeAAA通过第二块尼科尔棱镜通过第二块尼科尔棱镜AAA4330cosoo1AAA4330sinoe2232理学院 物理系 陈强cos221222120AAAAA23cos1632163163222AAA283A0116383III出射光的光强为出射光的光强为理学院 物理系 陈强15.16.2 人工双折射及其应用人工双折射及其

34、应用双折射现象不仅仅是天然晶体所具有，许多各向同性透明双折射现象不仅仅是天然晶体所具有，许多各向同性透明介质介质(包括固体，液体和气体包括固体，液体和气体)在某些外加条件的影响下在某些外加条件的影响下，也会变成对光的各向异性体也会变成对光的各向异性体，而出现双折射现象而出现双折射现象.1.光弹效应光弹效应1P2P透镜透镜光轴光轴塑料塑料cpnneo(c 是与材料有关的常数是与材料有关的常数，p 为样品材料中的应力为样品材料中的应力)理学院 物理系 陈强o光和光和e光透过厚度为光透过厚度为d 的受力介质后，产生的相位差的受力介质后，产生的相位差dnneo2cpd2说明说明(1)各处各处 p 不同

35、不同 不同不同出现干涉条纹出现干涉条纹.(2)若白光入射，屏幕上可以观察到由于显色偏振而得到若白光入射，屏幕上可以观察到由于显色偏振而得到 的彩色条纹的彩色条纹.(3)应力分布越复杂，干涉条纹或彩色应力分布越复杂，干涉条纹或彩色 条纹就越复杂条纹就越复杂.(4)应力分布越集中的地方条纹越细密应力分布越集中的地方条纹越细密.(5)光弹效应广泛应用于介质的应力分光弹效应广泛应用于介质的应力分 布研究布研究.理学院 物理系 陈强2.电光效应电光效应1P2P045045硝基苯液体硝基苯液体 光轴光轴2eokEnn(k 为液体的克尔常数为液体的克尔常数，E为外加电场的电场强度为外加电场的电场强度)DU在

36、外加电场作用下，也可以使某些各向同性的透明介质在外加电场作用下，也可以使某些各向同性的透明介质变为各向异性介质，对光产生双折射，这种人工双折射变为各向异性介质，对光产生双折射，这种人工双折射为电光效应为电光效应.理学院 物理系 陈强o光和光和e光透过厚度为光透过厚度为d 的液体后，产生的相位差的液体后，产生的相位差dnneo222dkE222UDdk说明说明(1)极板上的电压极板上的电压U改变改变 改变改变屏幕上光强改变屏幕上光强改变.(2)利用克尔效应可以对偏振光强度进行调制利用克尔效应可以对偏振光强度进行调制.(3)利用克尔效应可以制作利用克尔效应可以制作“光电开关光电开关”.理学院 物理

37、系 陈强15.17 旋光效应简介旋光效应简介主要内容：主要内容：1.旋光效应旋光效应2.旋光色散旋光色散理学院 物理系 陈强1.实验装置实验装置1P2P旋光物质旋光物质 光轴光轴 2.实验现象实验现象u从石英晶片出射的是偏振从石英晶片出射的是偏振光，振动面旋转了一个角度光，振动面旋转了一个角度.石英晶片具有旋光性石英晶片具有旋光性.u有两类旋光物质，即左旋光物质和右旋光物质有两类旋光物质，即左旋光物质和右旋光物质.理学院 物理系 陈强u天然旋光物质中，光的振动面旋转的角度天然旋光物质中，光的振动面旋转的角度 与光经过与光经过 旋光物质的厚度旋光物质的厚度 d 成正比成正比3.实验结果实验结果d

38、u对于有旋光性的溶液对于有旋光性的溶液，还与溶液的浓度还与溶液的浓度 c 成正比成正比dc ：旋光率旋光率(与旋光物质的性质、温度及入射光波长有关与旋光物质的性质、温度及入射光波长有关)石英的旋光率与波长关系石英的旋光率与波长关系 波长波长/nm794.76728.1656.2546.1430.7382.0257.111.58913.29417.31825.53842.60455.625143.2664.旋光色散：旋光色散：物质的旋光率与光波波长有关的性质物质的旋光率与光波波长有关的性质.u制糖业测定糖液浓度；医院测定血糖制糖业测定糖液浓度；医院测定血糖.5.旋光效应应用旋光效应应用u旋光色散

39、在化学旋光色散在化学、药物学药物学、生物学都有重要意义生物学都有重要意义.mm)/(0)理学院 物理系 陈强本章小结本章小结1.光是电磁波光是电磁波(1)电磁波是横波电磁波是横波HEHE(2)电磁波的传播速度电磁波的传播速度 ororrr11cu (3)电磁波的能量电磁波的能量HES2021EI坡印亭矢量坡印亭矢量电磁波的强度电磁波的强度理学院 物理系 陈强2.光波的叠加光波的叠加21212EEIIIP(1)两光波在空间一点两光波在空间一点P 叠加的光强为叠加的光强为干涉项干涉项(2)相干叠加相干叠加两相干光在空间一点两相干光在空间一点P 相遇时相遇时，P点的光强为点的光强为 cos 2212

40、1IIIIIu当当 时，光强最大，为时，光强最大，为）（,2,1,02kk221max）（III021III0max4II(若若 ，)u当当 时，光强最小，为时，光强最小，为221min）（III021III0minI(若若 ，),2,1,0)12(）（kk理学院 物理系 陈强(3)非相干叠加非相干叠加两非相干光在空间一点两非相干光在空间一点P 相遇时相遇时，P点的光强为点的光强为21IIIP3.杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉利用分波前法获得相干光产生的干涉，其干涉条纹是利用分波前法获得相干光产生的干涉，其干涉条纹是等间距的明暗相间的直条纹，相邻明等间距的明暗相间的直条纹，相邻明(暗暗)条纹的间距为

41、条纹的间距为dDx4.两相干光波到达空间一点两相干光波到达空间一点P 的光程差与相位差的光程差与相位差1122rnrn)(22112200rnrn理学院 物理系 陈强5.薄膜干涉薄膜干涉利用分振幅法获得相干光产生干涉，两相干光的光程差为利用分振幅法获得相干光产生干涉，两相干光的光程差为2cos22dn231nnn2321,nnnn321nnn321nnn或或或或当当 时，干涉相长；当时，干涉相长；当 时，干涉相消时，干涉相消.k）（21 k6.惠更斯菲涅耳原理惠更斯菲涅耳原理波面上的各面元都可看作是相干的次波波源波面上的各面元都可看作是相干的次波波源.它们发出它们发出的次波在空间各点相遇时，其

42、各点的强度分布是所有次的次波在空间各点相遇时，其各点的强度分布是所有次波相干叠加的结果波相干叠加的结果.d)2cos()()(rrtFkPEcos22dn理学院 物理系 陈强7.单缝夫琅禾费衍射单缝夫琅禾费衍射 sin21,2,3,2akk(1)暗纹条件暗纹条件(2)明明纹条件纹条件 sin(2 1)1,2,3,2akk 2msinII(3)单缝夫琅禾费衍射的光强公式单缝夫琅禾费衍射的光强公式8.光学仪器的最小分辨角和分辨本领光学仪器的最小分辨角和分辨本领 22.1D 1R最小分辨角最小分辨角;分辨本领分辨本领理学院 物理系 陈强9.光栅衍射光栅衍射(1)光栅方程光栅方程kdsin,2,1,0

43、k(2)暗纹条件暗纹条件Nmdsin(3)缺级公式缺级公式)(取非零整数k kadk其中其中,k是缺级主极大的级次是缺级主极大的级次,k是单缝衍射暗纹的级数。是单缝衍射暗纹的级数。mkN(4)光栅衍射的光强公式光栅衍射的光强公式220msinsin2sin2NII理学院 物理系 陈强10.X射线的衍射射线的衍射2 sin1,2,3,dkk其中其中，为入射为入射X 射线与介质表面之间的夹角射线与介质表面之间的夹角(掠射角掠射角)。11.马吕斯定律马吕斯定律 cos 20II 12.布儒斯特定律布儒斯特定律12Btannni 13.波晶片波晶片光轴平行于晶面的单轴晶片称作波晶片。当一束单色线光轴平

44、行于晶面的单轴晶片称作波晶片。当一束单色线偏振光垂直入射波晶片时，通过波晶片的偏振光垂直入射波晶片时，通过波晶片的o光和光和e光的光光的光程差和相位差为程差和相位差为dnnLeodnneo2理学院 物理系 陈强 在我国，每年春分、秋分前后，太阳、地球和同步通信卫星将会成一线排列，而通信在我国，每年春分、秋分前后，太阳、地球和同步通信卫星将会成一线排列，而通信卫星处于太阳和地球之间时，由于地球站将天线指向卫星时，也正面直对太阳，因此太阳卫星处于太阳和地球之间时，由于地球站将天线指向卫星时，也正面直对太阳，因此太阳较强电磁波辐射也将被接收，即较强电磁波辐射也将被接收，即“噪声进入接收系统噪声进入接收系统”，通信业务信号因噪声的增大而无，通信业务信号因噪声的增大而无法被接收解调系统顺利识别出来，严重时就会出现信号中断，发生所谓的法被接收解调系统顺利识别出来，严重时就会出现信号中断，发生所谓的“日凌日凌”现象现象.