第三章 物理光学

第三章、物理光学物理光学：研究光的基本属性，它的传播规律和它与物质之间的相互作用。波动光学:从光的波动性出发研究光在传播过程中所发生的现象，包括光的干涉、光的衍射、光的偏振等现象和本质。量子光学:从光子的性质出发,来研究光与物质相互作用的学科。物理光学分为量子光学波动光学相位是时间和空间坐标的函数，表示平面波在不同时刻空间各点的振动状态。3、1平面电磁波及方程平面电磁波是在与传播方向正交的平面上各点电场或磁场具有相同值的波固定某一时刻

，看波在空间的分布：

固定空间某点

，随时间周期振动：

传播速度波长时间频率任一方向振动的光矢量E可分解成两个互相垂直的分量

p分量：平行于入射面振动

S分量：垂直于入射面振动反射定律和折射定律2n1q1n2q1q’oE1pE1sE’1sE’1pE2sE2pxz反射和折射时的偏振关系入射光是线偏振光反射、折射是线偏振光，方位发生偏转因为

≠

，≠入射光是自然光反射光中没有振动平行于入射面的分量P波··········2n1n1q2q1q,发生全偏振，反射光是偏振光入射角为布儒斯特角，即：透射光为P波占优势的部分线偏振光。1、两个频率相同、振动方向相同的单色光波的叠加得到合振动3.2光波的叠加叠加结果为光波振动的矢量和，而不是光强的和。光波传播的独立性：两个光波相遇后又分开，每个光波仍然保持原有的特性。叠加是线性的，但当光强很大时这种叠加原理不再适用合成光强求解干涉、衍射问题的方法

2、驻波两个频率相同、振动方向相同而传播方向相反的单色光波的叠加形成驻波。光强：与z无关，波不会在z方向上传播故这个波称为驻波波节波腹EyEx3π/2<δ<2πEyExδ=0EyEx0<δ<π/2EyExδ=π/2EyExπ/2<δ<πEyExδ=πEyExπ<δ<3π/2EyExδ=3π/23、两个频率相同、振动方向垂直的单色光波的叠加振幅变化强度变化4、光学拍两个频率接近、振幅相同、振动方向相同且在同一方向传播的光形成。两个单色波1.干涉图样的计算

P点的干涉条纹强度干涉条纹的意义3.3光的干涉和干涉系统2.干涉条纹的可见度振幅比

对条纹可见度的影响xI光源宽度

的影响实际光源是扩展光源—许多不相干点源的集合多组干涉条纹叠加的强度分布叠加后干涉条纹的可见度下降光源非单色性对条纹可见度的影响K10最大光程差

平行平板干涉装置采用扩展光源，条纹成象在透镜的焦平面上。s1等倾圆条纹装置

条纹分析干涉条纹为同心圆环。。涉条纹，称为等倾干涉相同，为一条干相同，只要的函数，变化，条纹是随）（

DD1111qqq中央条纹疏，边缘条纹密。平板愈厚条纹也愈密。光程差计算板厚度很小，楔角不大2.楔形平板干涉（等厚干涉）垂直入射时的光程差Dh(2)相邻条纹所以从一个条纹过渡到另一个相邻条纹，平板的厚度改变

条纹分布及性质（1）（3）条纹间距（4）a（5）与楔角成反比与波长成正比3.4典型的双光束干涉系统及其应用1.典型干涉系统（一）斐索干涉仪：等厚干涉型的干涉仪（光学零件表面质量的检查）a表面不平度L3GL2PQL1激光平面干涉仪H（二）迈克尔逊干涉仪（1881）（1）系统结构（2）M1或M2垂直于光线移动时对条纹的影响。特点：M1和M2垂直时是等倾干涉，板厚度很小，楔角不大为等厚干涉，否则是混合型条纹。掌握：条纹变化h增大时，条纹外冒，变密

h减小时，条纹内缩，变疏

等倾干涉等厚干涉h增大时，条纹向膜较薄的方向移动h减小时，条纹向膜较厚的方向移动M1走过的距离视场中心移过的条纹的数目单色光波长混合条纹

（三）泰曼干涉仪通过研究光波波面经光学零件后的变形确定零件质量结构原理在迈克尔逊干涉仪的一个光路中加入了被测光学器件单色准直光照明，使产生等厚干涉条纹，用于检验光学零件的综合质量检验原理检查棱镜棱镜干涉图4光的衍射光的衍射现象：光波在空间传播遇到障碍时，其传播方向会偏离直线传播，弯入到障碍物的几何阴影中，并呈现光强的不均匀分布的现象。衍射现象的分类：菲涅耳衍射：距离衍射屏近处的衍射。夫琅和费衍射：距离衍射屏无限远处的衍射。sAB衍射屏接收屏光源惠更斯－菲涅耳原理波阵面外任一点光振动应该是波面上所有子波相干叠加的结果。点光源S对P点的作用光波通过圆孔的惠更斯作图法SDD'K

夫琅合费衍射装置透镜的作用：无穷远处的衍射图样成象在焦平面上。4.2典型孔径的夫琅合费衍射矩孔衍射CQPEy1x1yP0xO强度分布特点先讨论沿y轴方向的分布。在Y轴上，当b=0时，有主极大值Imax＝I0

22-I/I0-2（1）主极大值的位置：（2）极小值的位置：b-pp-2p2p（3）暗条纹的间隔Y=2eee相邻两个零强度点之间的距离与矩孔的宽度成反比，与光波波长成正比主极大值的边缘位置和宽度：衍射扩展与矩孔的宽度成反比，与光波波长成正比衍射在X轴呈现与Y轴同样的分布。在空间的其它点上，由两者的乘积决定。（4）沿X轴与Y轴有同样的分布：衍射图样单缝衍射当b>>a时，矩孔变为狭缝，入射光在Y方向上的衍射效应忽略。单缝衍射的复振幅分布为x1y11.复振幅分布计算e0xx0暗条纹的间隔主极大值的边缘位置和宽度：2.光强分布特点PEy1x1yP0xOa圆孔衍射1、复振幅分布计算变为极坐标CQPEy1x1yL2P0xOr1r设圆孔半径为，则孔径函数变为P点的强度与衍射角θ有关，或与r有关。r相等的光强相同，所以衍射图样是圆环条纹。其中中央亮斑称为艾里斑，它的半径满足：艾里斑的半径：相邻暗环间隔不等