清华大学物理光学课件(第3节).pdf

精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 2013 5 31 单色平面电磁单色平面电磁 波入射到电介波入射到电介 质表面时 质表面时 传传 播方向 振幅 播方向 振幅 相位 能量及相位 能量及 偏振态偏振态的变化的变化 精密仪器系 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 2013 5 32 1 反射比反射比 2 相位变化相位变化 3 倏逝波倏逝波 4 全反射的应用全反射的应用 四 全反射及其应用四 全反射及其应用 精密仪器系 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 2013 5 33 全反射现象 全反射现象 12 1 2 1 sin c nn n n 发生全反射的条件 光波由光密光疏介质 全反射临界角 12 12 21 2 112 1 sin 1 sin sinsin1 n nn n n n 当时 由折射定律 若入射角满足 则 折射角不存在 入射光全部反射回第一介质 称为全反射 精密仪器系 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 2013 5 34 1 反射比 反射比 1 c 1 c 附近附近 急剧变化 急剧变化 全反射现象的特点 无透射能量损失 反射时有位相变化 存在隐失波 精密仪器系 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 2013 5 35 2 相位变化 相位变化 全反射时 全反射时 1 sp rr 2 1 2 2 sin cos1i n cossin exp cossin cossin exp cossin sss ppp in rri in nin rri nin 22 11 22 11 222 11 222 11 sin cos sin cos s p n tg n tg n 22 1 1 22 1 2 1 2 2 21 1 sinsin n s p s波和波和p波的相位变化波的相位变化 有 有 精密仪器系 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 2013 5 36 cossin sin sp tgtg n 22 11 2 1 22 1 90 或 或 c时时 0 入射线偏光 反射线偏振光 入射线偏光 反射线偏振光 反射光中反射光中s s与与p p波的相位差 波的相位差 1 c时 且入射光的 时 且入射光的 0或 或 2时 时 0或 反射光一般为椭圆偏振光或 反射光一般为椭圆偏振光 405060708090 0 0 8 1 6 2 4 3 2 4 3 142 0 059 s p 9041 847 180 3 14 精密仪器系 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 2013 5 37 3 倏逝波 倏逝波 全反射时的表观现象 第二媒质中没有折射波全反射时的表观现象 第二媒质中没有折射波 问题问题 场在界面上不连续 场在界面上不连续 红外光红外光d d 5 5 m m 有透光 有透光 可见光可见光d d 5 5 m m 无光 无光 d d 1 1 m m 有光 有光 实实 验验 分分 析析 荧光液体层荧光液体层 斜面薄层有荧光斜面薄层有荧光 有折射光波进入第二媒质有折射光波进入第二媒质 透入深度与入射波长有关透入深度与入射波长有关 精密仪器系 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 2013 5 38 分析分析透射光透射光 22 2 11 2 11 exp sexp snin i k znEAi k xt 2 2 22 2 2 exp exp sin cos Ai kxz EAi k rt t r r 2 1 2 2 sin cos1i n 21 1 sinsin n 代入 代入 得 得 沿沿x方向传播方向传播 振幅在振幅在z方向指数衰减方向指数衰减 非均匀波非均匀波 精密仪器系 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 2013 5 39 穿透深度 穿透深度 1 1 波长量级 波长量级 如 如 n1 1 5 n2 1 1 45 时 时 1 0 22 1 z 2 sin n yzxyzzy S S 0 S 0 S E HE H0 r 01 z0 67 x1 l0 9 能量的流动沿界面能量的流动沿界面x x方向方向 流过波长 量级流过波长 量级 又重返第一媒质又重返第一媒质 精密仪器系 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 2013 5 310 Goos HaenchenGoos Haenchen 位移位移 发生全反射时 透过发生全反射时 透过界界面进入第二媒质面进入第二媒质约约波长量波长量级级 沿沿着界着界面面流流过波长量过波长量级距离后返回级距离后返回第一媒质 第一媒质 沿沿着着反射波方向反射波方向出出射射 倏逝波 沿着第二媒质表面传播的波倏逝波 沿着第二媒质表面传播的波 精密仪器系 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 2013 5 311 4 全反射的应用 全反射的应用 利用全反利用全反 射时的位射时的位 相变化相变化 产产生椭圆偏振光生椭圆偏振光 菲涅耳棱体菲涅耳棱体 转折光路 全反射棱镜 转折光路 全反射棱镜 精密仪器系 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 2013 5 312 变化变化d 控制输 控制输出出光路 可光路 可调调光光分束器分束器 测出测出输输出出光光强强 求微小求微小位移位移d 倏逝波位移传 倏逝波位移传感器感器 利用倏逝波产生受抑全反射 利用倏逝波产生受抑全反射 受抑受抑全反射 全反射 控制进入第二媒质的倏逝波的深度控制进入第二媒质的倏逝波的深度 以影响第一媒质中的全反射效应以影响第一媒质中的全反射效应 耦合耦合 棱镜棱镜 薄膜波导薄膜波导 波导衬底波导衬底 精密仪器系 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 2013 5 313 光纤和光纤传感器 光纤和光纤传感器 光光纤利用纤利用全反射传光全反射传光 传导光能传导光能 传递光学图象传递光学图象 光光纤纤面面板板光光通信通信 光光纤纤传传感精密测感精密测量量 光光 通通 信信 精密仪器系 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 2013 5 314 CD players 全反射应用实例 全反射应用实例 用用临临界界角角 高精高精度度对焦对焦 精密仪器系 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 2013 5 315 精密仪器系 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 2013 5 316 1 叠加结果叠加结果 2 光波传播的独立性光波传播的独立性 3 叠加的合矢量叠加的合矢量 一 波的一 波的叠加原理叠加原理 精密仪器系 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 2013 5 317 波的波的叠加原理叠加原理 合合振振动是各个动是各个波在波在该点产该点产生振生振动动的的矢矢量和量和 12 E pE pEp rvv 1 叠加结果叠加结果 光波 光波振幅振幅的的矢矢量和量和 非光非光强强和和 Note 真空中普遍成立 介质中有条件成立 线性条件 照射场强小于 1010V m 原子外层电子电场 2 叠加叠加的的合矢合矢量量仍然满足仍然满足波波动动方方程程的的通解通解 一一个实际个实际的光的光场是许多个简谐场是许多个简谐波波叠加叠加的的结果结果 精密仪器系 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 3 光波传播的独立性 两列光波相遇 每列波仍然保持光波传播的独立性 两列光波相遇 每列波仍然保持 原有的特性 频率 波长 振动方向 传播方向等 不变 原有的特性 频率 波长 振动方向 传播方向等 不变 两 多列波在相交处两 多列波在相交处 振动独立振动独立 振动相加振动相加 强度干涉强度干涉 2013 5 318 精密仪器系 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 光波叠加种类 同频率同频率 同同方向方向单色单色光波的光波的叠加叠加 干涉干涉现象现象 同同一一条直线条直线相向传播的相相向传播的相干干光光叠加叠加 驻驻波波 同频率同频率相相互垂直互垂直的光波的的光波的叠加叠加 椭圆偏振椭圆偏振 同同方向不方向不同频率同频率的光波的的光波的叠加叠加 光光学 拍 学 拍 2013 5 319 精密仪器系 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 2013 5 320 1 三角函数的叠加三角函数的叠加 2 对叠加结果的分析对叠加结果的分析 二 二 两个同频率两个同频率 同同振振动动方向方向 单色光波的单色光波的叠加叠加 精密仪器系 PDF 文件使用 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在在叠加区域内各点叠加区域内各点的光的光强分布也强分布也是是不变的不变的 光的光的干涉干涉 在在叠加区域内叠加区域内 光光强强稳定稳定的的强弱分布强弱分布的现象的现象 两两相相干干光波光波叠加叠加后后 光的能量重 光的能量重新新分布分布 有有点点地地方变方变亮亮 有 有点点地地方变方变暗 暗 1 2 2 m 精密仪器系 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 2013 5 325 三三 驻驻波波 两个频率两个频率相相同同 振 振动动方向相方向相同而同而传播方向相反传播方向相反 的单色光波叠加形成的单色光波叠加形成驻驻波波 cos cos 2 1 tkzaE tkzaE 12 2 ccos 2 os 2 akzEEEt 叠加结果叠加结果 合合成成波的波的振振幅幅A 精密仪器系 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 2013 5 326 对某一 对某一Z点 点 E随时间以频率随时间以频率 作简谐振动 作简谐振动 某一时刻某一时刻t 振幅随不同 振幅随不同Z处而变处而变 cos1 2 cos0 2 2 1 2 2 1 0 1 2 22 Aakzmm Akzm k zm z k 相相邻邻波波腹腹 波波节节 间间距距为为 2 腹节腹节距距为为 4 振幅 振幅最最大 小 大 小 值值位位置置不不随随时时间间而而变变 波波腹腹 波波节节 精密仪器系 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 2013 5 327 当当处处为为波波节节 21 0nnz 1时 合成波时 合成波 驻波与行波的组合 伴随能量的传播驻波与行波的组合 伴随能量的传播 垂直垂直入射的光波入射的光波和它和它的反的反 射光波射光波叠加叠加 形成形成驻驻波波 精密仪器系 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 全反射情况下 沿着界面法线方向上具有全反射情况下 沿着界面法线方向上具有驻驻波波性性质质 沿着界面方向具有沿着界面方向具有行行波波特特性性 入射面 入射面 xz平面平面 1 1 k1 k1 z x 1020 sin0cossin0coskk rr z平面合波x 0 x平面合波z 0 1110 2 2coscoscosEEEEzt 110 110 2 cos sin cos 2 cos sincos EExzt EExzt 1110 2 2cossinEEEExt 2013 5 328 精密仪器系 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 2013 5 329 合成波的偏振态分析合成波的偏振态分析 四四 频率频率相相同同 振 振动动方向方向互互 相相垂直垂直单色光波单色光波叠加叠加 x y p z2 z1 s2s1 z 精密仪器系 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 2013 5 330 光光矢矢量沿量沿x y方向的方向的分分量量为为 x y a a x y a 1 a 2 1122 cos cos xy EatEat 00 011 022 cos cos xy Ex Ey E x at y at vv v v 沿沿 z 方向传播的任一理想方向传播的任一理想 单色平面波可表示为 单色平面波可表示为 精密仪器系 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 2013 5 331 合成波是椭圆偏振光合成波是椭圆偏振光 合振动的大小和方向随时合振动的大小和方向随时 间变化 其矢量末端运动间变化 其矢量末端运动 轨迹为椭圆 轨迹方程为轨迹为椭圆 轨迹方程为 2 2 2 2121 22 1212 2cos sin yy xx EE EE aaa a cos cos a a tgtg aa 12 2121 22 12 2 22 椭圆椭圆方方程程 y 2a1 2a2 E Ey Ex x x y P点合矢量沿椭圆周期性旋转 旋转的角频率为 精密仪器系 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 2013 5 332 合合成成波的波的偏振偏振态态 两两迭迭加加光波的光波的振振幅幅比比 两两迭迭加加光波相位差光波相位差 21 1 2 a a 2m 或或 2m 1 时 时 1 2 yx a EE a 1 2 a a y E x E表表示示 同同相相 或反相或反相 合合振振动矢动矢量量末端末端 沿沿着着斜斜率率为为 直直线线运运动动 合合成成光光是是线偏振光线偏振光 精密仪器系 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 2013 5 333 Ey Ex 右旋右旋 21 sin 0 2 奇奇数数倍倍时时 椭圆偏振光 椭圆偏振光 表示椭圆的长 短轴在表示椭圆的长 短轴在x y轴上 轴上 当当时 圆偏振光时 圆偏振光 2 2 22 12 1 y x E E aa 12 aaa 精密仪器系 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 椭圆偏振光的旋向椭圆偏振光的旋向 x 2a1 2a2 y 右旋圆右旋圆 偏振光偏振光 右旋椭圆右旋椭圆 偏振光偏振光 左旋圆左旋圆 偏振光偏振光 2013 5 334 y y x z 传播方向传播方向 2 x 某某时时刻左旋刻左旋圆偏振圆偏振光光E 随随z的变化的变化 E 0 精密仪器系 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创