大学物理光学复习资料.

1、总复习Review主主 要要 内内 容容l一、光的干涉一、光的干涉l二、光的衍射二、光的衍射l三、几何光学三、几何光学l四、光学仪器四、光学仪器l五、光的偏振五、光的偏振l六、光的吸收、散射和色散六、光的吸收、散射和色散 l七、光的量子性七、光的量子性 l八、现代光学基础八、现代光学基础 一、光的干涉一、光的干涉 1. 基本概念基本概念 光的电磁理论光的电磁理论 光是某一波段的电磁波，光是某一波段的电磁波， 其速度就是电其速度就是电磁波的传播速度；可见光在电磁波谱中只磁波的传播速度；可见光在电磁波谱中只占很小的一部分，波长在占很小的一部分，波长在 390 760 nm 的的狭窄范围以内。狭窄范

2、围以内。 相干条件相干条件 频率相同、振动方向相同、相位差恒定。频率相同、振动方向相同、相位差恒定。 干涉的分类干涉的分类 分波面干涉、分振幅干涉和分振动面干涉。分波面干涉、分振幅干涉和分振动面干涉。 杨氏双缝杨氏双缝 相位差：相位差： 光程差：光程差： d 光强分布：光强分布： + 极值条件：极值条件： 条纹：条纹：dryyydrjdrjyjj01002) 12(暗亮 ) 12(2jj2) 12(jj暗极小亮极大221221)()(AAIAAIcos221212AAAAAI2012sinrydrrcos221212AAAAAI 薄膜干涉薄膜干涉 光程差：光程差： 等倾：等倾： 等厚：等厚：,

3、 2 , 1 , 0)cos2()cos4() 12(2222jinjinjh极小相消极大相长, 2 , 1 , 02) 12(cos222jjjihn极小相消极大相长2cos22sin22212122ihninnh 迈氏干涉仪迈氏干涉仪 原理：分振幅法薄膜干涉原理：分振幅法薄膜干涉 装置：装置： 干涉条件：干涉条件： （n1 =n2 = 1 i1 =i2 = 2 且没有额外光程差）且没有额外光程差） 基本公式：基本公式： 或者或者, 2 , 1 , 02)12(cos2jjjih相消相长2Nh Nh2 5. 5. 劈尖劈尖 6. 牛顿环牛顿环j22nd03, 2, 12, 1, 0212jR

4、jrjRjr暗亮即：xdtansin0二、光的衍射二、光的衍射 1. 1. 基本概念基本概念 衍射定义衍射定义 光绕过障碍物偏离直线传播而进入几何阴影，光绕过障碍物偏离直线传播而进入几何阴影，并在屏幕上出现光强分布不均匀的现象。并在屏幕上出现光强分布不均匀的现象。 衍射条件衍射条件 障碍物的线度和光的波长可以比拟障碍物的线度和光的波长可以比拟 衍射的分类衍射的分类 a. 菲涅耳衍射：近场、求和、点光源。菲涅耳衍射：近场、求和、点光源。 b. 夫琅禾费衍射：远场、积分、平行光。夫琅禾费衍射：远场、积分、平行光。l 菲涅尔衍射：菲涅尔衍射： 半波带理论：半波带理论： 圆孔衍射：圆孔衍射： ，平行光

5、平行光 ： 圆屏衍射：圆屏衍射： k 不大时，不大时， ，几何中心永远有光；，几何中心永远有光； k 很大时，很大时， ，直线传播。，直线传播。 波带片：波带片： 奇数奇数 偶数偶数21201rrrr)(21) 1(1121kkkkaaaaaA)11(02Rrk0rkk)(R21kaA 0A0A)(21) 1(1121kkkkaaaaaAkkkaaaaA12531kkkaaaaA12531k2642:kkaaaaAork2642:kkaaaaAor 3. 3. 夫琅禾费衍射：夫琅禾费衍射： 单缝衍射：单缝衍射： 合振幅：合振幅： 光强分布：光强分布： 中央最大值：中央最大值： 极小值：极小值：

6、 次最大：次最大：sin,sincsin00buuAuuAApuIAIpp202sinc0sin0), 3, 2, 1(sinkbkk ), 3, 2, 1()21(sin00kbkk， 角宽度： 线宽度： 圆孔衍射： 光强分布： ， ：一阶贝塞尔函数。 爱里斑半角宽度：DR22.161.0sin112210)2(mmJIIp1J2flkbkksin 平面透射光栅强度分布： 单缝衍射因子 缝间干涉因子主最大位置：最小值位置： 两个主最大之间有N-1个最小值，由N-2个次最大。单缝衍射因子为0时也出现最小值，), 3, 2, 1, 0(sinjdj), 2, 1, 0(sinjbkk征定量描述衍

7、射花样的特又)21(sin)21(sinsinA2sin2,sin)sin()sin(.sinsinsinAsinsinsinA)sinsin()sin(sinsin)sinsin(AA222022220200PNNcuIvdddvbuvNvcuIvNvcuddNbbPP,2, 0,sinNNjNdjj征定量描述衍射花样的特又)21(sin)21(sinsinA2sin2,sin)sin()sin(.sinsinsinAsinsinsinA)sinsin()sin(sinsin)sinsin(AA222022220200PNNcuIvdddvbuvNvcuIvNvcuddNbbPP 光栅方程：

8、 垂直入射时： 谱线的半角宽度： 谱线的缺级： 5. X射线衍射 布拉格方程：)2, 1, 0( ,)sin(sin0jjd)3, 2, 1, 0( ,sinjjdcosNd), 2, 1, 0(jbdkj)3 , 2 , 1( ,sin20jjd 三、几何光学三、几何光学 平面反射与折射： （平面反射镜） 象视深度 平板玻璃 全反射：临界角 光学纤维：数值孔径 空气中的光纤： 棱镜： 最小偏向角ynny12dnd)11 (2ooci428.415.11sin1222111sinnni2sin2sin0AAnAi 102222100sinnnun121sinnnic 符号法则符号法则: : 线

9、段：右为正，左为负。线段：右为正，左为负。 上为正，下为负。上为正，下为负。 角度：顺为正，逆为负。角度：顺为正，逆为负。 图标均为正。图标均为正。 单球面反射成像：单球面反射成像：ssyyrffss,2,111 单球面折射成像：单球面折射成像：rnnsnsnnnffnfnffnnsnsn,fsxfsxf fxxsfsf, 1snsnyyfxxfss 薄透镜：薄透镜： f fxxsfsfsnsn, 1,12 22112121,rnnrnnnfnf22112121,rnnrnnnfnf:,:21发散会聚，凸凹发散凹会聚，凸nnnnthennnnif2111) 1(11rrnfffss111f f

10、xx四、光学仪器四、光学仪器放大本领放大本领：放大镜：放大镜：显微镜：显微镜： 物镜的横向放大率目镜的放大本领物镜的横向放大率目镜的放大本领望远镜：望远镜：uutguutgllMfuuM25 )25()(21fflM21ffM3. 3. 分辨本领：分辨本领：人眼：人眼：显微镜：显微镜： 望远镜：望远镜：fd220. 1ynsinu610. 0yRU610.0101610.0610.001RUnRv610. 01nRU0 棱镜光谱仪：棱镜光谱仪： 光栅光谱仪：光栅光谱仪：dcosjffDLjNpdcosjddD线：色：角：ddnfbfDLddnpddnbddD线：色：角：五、光的偏振五、光的偏振

11、 五种偏振态五种偏振态自然光：自然光： 透过理想偏振片后，光强变为原来的一半。透过理想偏振片后，光强变为原来的一半。 线偏振光：线偏振光： 部分偏振光：部分偏振光： 圆偏振光：圆偏振光：椭圆偏振光：椭圆偏振光：20IIIyxminmaxminmaxIIIIP1210tginn）（）（kztyAxAyExEEyxyxcos00.,.)sin( )cos(o右旋号左旋号ykztxkztAE为界的矩形框内。椭圆的大小限制在以yyxxyyxxyyxxyxyxyyxxAEAEAEAEAEAEykztAxkztAyExEEkztAEkztAE,sincos2 )cos( )cos()cos(),cos(2

12、2222为界的矩形框内。椭圆的大小限制在以yyxxyyxxyyxxyxyxyyxxAEAEAEAEAEAEykztAxkztAyExEEkztAEkztAE,sincos2)cos()cos()cos(),cos(22222 马吕斯定律马吕斯定律 o o光和光和e e光光 波片波片20tg,cos,sineoeIIAAAA2cosIIdnneo)(22, 3 , 2 , 1 , 02) 12(4) 12()(kkkdnneo) 12(2) 12(2141kk波片波片 偏振光的检验偏振光的检验 偏偏 振振 片片 线偏振光有两次消光偏振片片椭圆偏振光部分偏振光无消光变变自然光没变偏振片片圆偏振光自

13、然光没变椭圆偏振光有两次消光部分偏振光光无消光圆偏振光两次消光位置透射方向光轴IIIIIIImax/041)(41)(六、光的吸收、散射和色散六、光的吸收、散射和色散 1.1.光的吸收：光的吸收： 朗伯定律，朗伯定律， 比尔定律。比尔定律。 2.2.光的散射：光的散射： 瑞利定律瑞利定律 （ 天空、太阳、白云）天空、太阳、白云） 3.3.光的色散：光的色散：laeII0ACleII0）（saleII04)(fI2sin12sin2D2,22342AnAddddncban角色散率：折射率越小；反常色散：波长越短，折射率越大；正常色散：波长越短， 光电效应光电效应 爱因斯坦的光子假设（爱因斯坦的光

14、子假设（1905） 光在传播过程中具有波动的特性，而在光光在传播过程中具有波动的特性，而在光和物质相互作用的过程中，光能量是集中在一和物质相互作用的过程中，光能量是集中在一些叫光量子（光子）的粒子上。产生光电效应些叫光量子（光子）的粒子上。产生光电效应的光是光子流，单个光子的能量与频率成正比，的光是光子流，单个光子的能量与频率成正比，即即 Eh 。 爱因斯坦光电效应方程：爱因斯坦光电效应方程： Wmh221七、光的量子性七、光的量子性 光子的质量和动量：光子的质量和动量：.,0,0222chcEpcmchcEmhcmE光子的动量为：运动，光子永远以不变的速度光子的静止质量：光子的质量为：光子的

15、能量为：八、现代光学基础八、现代光学基础 1.原子发光机理原子发光机理 玻尔的氢原子模型玻尔的氢原子模型 ：eVnZnhZkevAaZnarn6 .13E,EE)/(253. 0,1221n20121电子轨道总能量：电子轨道速度：电子轨道半径：原子发光机理：原子发光机理：332121121122122212120221212211211121212218,)(,A1)(,chvBABBBnvunBneNNAnnnvunBnEEhvt受激辐射：平均寿命自发辐射：吸收：2. 2. 激激 光光 定义：定义： 由激光器产生的，波长在由激光器产生的，波长在1mm以下的相以下的相干电磁辐射，它由物质的粒子

16、受激发射放大干电磁辐射，它由物质的粒子受激发射放大产生，具有良好的单色性、相干性和方向性产生，具有良好的单色性、相干性和方向性。 含义：含义： 光受激辐射放大。光受激辐射放大。“激光激光”“Laser”“Lihgt amplification by stimulated emission of radiation”. 原理：原理： 通过辐射的受激发射而实现光放大。通过辐射的受激发射而实现光放大。特点：特点： 单色性佳：单色性佳： 频宽：频宽： 自然线宽：自然线宽： 多普勒宽度：多普勒宽度： 谱线宽度：谱线宽度： 相干性强：相干性强： 相干长度：相干长度：l lH H = c = c t tH H 。 迈克耳孙干涉仪迈克耳孙干涉仪光的光的时间相干性；时间相干性； 杨氏实验杨氏实验光源的空间相干性。光源的空间相干性。 方向性好：方向性好：发散角小发散角小亮度高、照度大。亮度高、照度大。2ctv1cuc1012种类：种类： 亦可按激光器工作方式、激励方式及谐振腔亦可按激光器工作方式、激励方式及谐振腔 等分。等分。 总之，不管怎样分，每一类都包括许多激光器。总之，不管怎样分，每一类都包括许多激光器。按激光器工作物质性质分按激光器工作物质性质分导体激光器泵浦激光器；砷化镓半半导体激