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中国矿业大学材料科学与工程学院 第四章材料的光学性能 1 本章内容 光的基本性质光的反射与折射光的吸收与散射光的发射 2 3 请思考 为什么材料具有颜色 为什么材料能够发光 发光的方式有哪些 为什么某些材料透明 某些材料不透明 为什么某些材料具有一定的光泽 光学性能测试有哪些 各自有什么用途 4 第一节光的基本性质 光学研究的历程光的性质光的传输 5 中国矿业大学材料科学与工程学院 1 光学研究的历程 光的现象 光的微粒说 牛顿 光的波动说 胡克 惠更斯 光的电磁说 麦克斯韦 光的波粒二象性 普朗克 爱因斯坦 光的直线传播 光的干涉 光的衍射 电磁波谱 光谱 6 对光的认识也随科技的发展不断进步墨子光沿直线传播小孔成像笛卡尔光的折射与反射定律牛顿光的粒子性惠更斯光的波动性托马斯 杨光的干涉与衍射麦克斯韦光是一种电磁波迈克尔孙光速的测定普朗克光的量子学说爱因斯坦光量子 波粒二重性 粒子性和波动性 狄拉克电磁场的量子化 结合波动与量子光的应用激光 光纤 发光二极管 7 光的微粒说 17世纪为牛顿所提倡 光是一种高速微粒 从光源沿直线行进至被照物 直观地解释了光的传播 反射及折射等现象 曾被普遍接受 8 光的波动说 荷兰人惠更斯于17世纪初创立 经托马斯 杨等证实 光是一种波动 由发光体引起 和声一样依靠媒质来传播 随后被证实为一种电磁波 能够解释光的传播 干射 衍射 散射 偏振等许多现象 但不能解释光与物质相互作用中的能量量子化转换的性质 9 光的电磁说 麦克斯韦1865年理论上预言 赫兹1888年通过实验证实 光是一种电磁波 在空间中电磁场的方式传播 10 麦克斯韦方程组 首次系统地把电和磁在理论上统一起来 麦克斯韦 英国物理学家 一般地 宇宙间任何的电磁现象 皆可由此方程组解释 融合了电 磁的高斯定律 安培定律 法拉第定律 预言了电磁波的存在 1831 1879 或 11 物理学中的 大统一 思想 牛顿首次将天上和地上的运动规律统一起来 实现第一次大综合 麦克斯韦把电 磁 光统一起来 实现第二次大综合 爱因斯坦试图把自然界中的4种作用力统一起来 实现物理学中真正意义上的 大一统 基本作用力 万有引力 电磁作用力 弱相互作用力 强相互作用力 是一种力 1979年Nobel物理学奖 萨拉姆 格拉肖 温伯格 巴基斯坦人 12 光学的分支 几何光学物理光学量子光学 以光的直线传播理论 折射与反射定律为基础 从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生的现象的学科 也称作波动光学 从光子的性质出发 来研究光与物质相互作用的学科 以麦克斯韦定律 电动力学为基础 以量子力学 量子电动力学为基础 从几个基本原理出发 来研究光的传播问题的学科 13 第一节光的基本性质 历史回顾光的性质光的传输 14 2 光的基本特性 波粒二象性偏振性电磁性干涉与衍射 15 波粒二象性 16 17 光子 光子的能量 光子的动量 光子 光波辐射的最小能量单元 不可再分 光波可以看作光子的概率波 光子没有静止质量 不带电荷 18 徳布罗意物质波假说 徳布罗意 法国物理学家 波粒二象性是所有物质的固有特性 物质波 徳布罗意波 是一种几率波 徳布罗意延伸了爱因斯坦的假说 在量子力学理论的发展中作出了开创性的贡献 光子 电子 声子 一切基本粒子 19 光的偏振性是判断光波是横波还是纵波的重要依据 纵波 振动方向沿传播方向 因此振动方向相对于垂直面A来说是对称的 横波 振动方向垂直于传播方向 因此振动方向相对于垂直面A来说是不对称的 称此现象为偏振 理论和实验证明 光波是横波 光具有偏振性 称为光的偏振 光的偏振性 20 偏振光 部分偏振光 1 线偏振光2 圆偏振光3 椭圆偏振光 偏振光 自然光 1 部分线偏振光2 部分圆偏振光3 部分椭圆偏振光 只沿单一方向振动的光 部分偏振光可以看成是自然光和线偏振光的混合 21 1 线偏振光 振动面 u 右旋椭圆偏振光 2 椭圆偏振光和圆偏振光 平面偏振光 22 3 自然光 特点 1 在垂直光线的平面內 光矢量沿各方向振动的几率均等 2 可以看成由两个振动方向相互垂直 振幅相等 互不相干线偏振光的叠加 23 能够起偏的光学器件叫起偏器 常用的是偏振片 偏振片 自然光经过媒质的吸收 反射 透射后使某一方向的光振动减弱甚至消失 这种取向作用称为起偏 24 偏振片的用途 涂有硫酸碘奎宁等材料的透明簿膜 偏振片 只允许某一个方向的光振动透过的装置 能够有选择地吸收某方向的光振动 而让与这个方向垂直的光振动通过 物质的这种性质称为二向色性 25 起偏器 偏振光 I0 I0 2 检偏振器 偏振光 光强为零 消光 光强不变 I0 部分偏振光照射时 偏振片的用途 26 偏振光干涉装置 27 偏振光干涉的分析 振幅关系 28 29 相干偏振光总的位相差为 相位关系 30 偏振光的应用 汽车车灯偏振太阳镜观看3D电影LCD显示屏椭偏仪 31 椭偏仪 用途 测量薄膜的厚度 折射率等 原理 利用偏振光束在界面或薄膜上的反射或透射时出现的偏振转换 32 光的电磁性 光波是一种横波场矢量E和H彼此正交 且均与波的前进方向垂直 其振幅大小成正比 相位相同光强与场矢量E和H的振幅平方成正比 沿波传播方向前进 S E H 光强 33 34 可见光七彩颜色的波长和频率范围 人眼最为敏感的光是黄绿光 即 附近 35 光的干涉和衍射 杨氏双缝干涉实验油膜在光的照射下呈现五颜六色衍射 36 几列波相遇之后 仍然保持它们各自原有的特征 频率 波长 振幅 振动方向等 不变 并按照原来的方向继续前进 好象没有遇到过其他波一样 波的叠加原理 37 红绿光束空间交叉相遇 红是红 绿是绿 听乐队演奏 仍可辨出不同乐器的音色 旋律 空中无线电波很多 仍能分别接收各个电台 实例 38 振动方向相同 频率相同 初相相同或有恒定相位差 为相干光 光的相干性 一 光波叠加原理 产生干涉的必要条件 两束光的频率相同 即为相干光 39 计算两列光的合成光强 40 干涉项 自然光合成光强 41 光矢量平行 二 光的相干叠加 42 1 不相干情况 43 2 相干情况 44 英国医生兼物理学家托马斯 杨 T Young 在1801年首先成功地进行了光的干涉实验 这是最早从单一光源产生相干光的方法 分波阵面法 一 杨氏双缝干涉实验 45 现象 46 p r1 r2 单色光入射真空中 d D d 波程差 相位差 明纹 暗纹 47 杨氏双缝干涉光强分布 48 迈克森干涉 49 S M1 M2 迈克尔逊干涉仪 1 结构 2 原理 若M1平移 d时 干涉条移过m条 则有 3 应用 由此可测量 微小位移 折射率 M1 M2平行等倾条纹 M1 M2有小夹角等厚条纹 50 单缝衍射 杨氏双缝干涉中考虑缝有宽度 51 当圆孔的直径d与光波的波长 相比拟时 形成明暗相间的条纹 衍射 52 P点的光强取决于狭缝上各子波源到此的光程差 光强分布如何表示 53 对应沿不同方向传播的光 狭缝波阵面可分的半波带数不同 这个数目决定了该衍射方向的光强 明纹 暗纹 54 光强分布 k 1 2 3 55 光的分辨率 瑞利分辨率 定义分辨本领 恰好可分辨 56 人眼瞳孔 D 2 6mm 68 23 望远镜 DM 6m 0 023 电子显微镜 R 例题 汽车二前灯相距1 2m 600nm人眼瞳孔直径为5mm 对迎面而來的汽車 离多远能分辨出两盏亮灯 解 人眼的最小可分辨角 57 第一节光的基