光的基本性质

1、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,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,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？,第一节 光的基本性质,光学研究的历程 光的性质 光的传输,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,?,对光的认识也随

2、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. .,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。,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

3、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。,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。,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。,18311879,或,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。

4、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）,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。,第一节 光的基本性质,历史回顾 光的性质 光的传输,

5、2. 光的基本特性,波粒二象性 偏振性 电磁性 干涉与衍射, 波粒二象性,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。,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,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

6、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,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。,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）,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。,能够起偏的光学器件叫起偏器，常用的是偏振片。,偏振片,自

7、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。,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。, 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,偏振光干涉装置,偏振光干涉的分析,振幅关系,相干偏振光总的位相差为,相位关系,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,椭偏仪,用途：测量薄膜的厚度、折射率等。,原理：

8、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。, 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：,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。, 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,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,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

9、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,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。,计算两列光的合成光强,干涉 项,自然光合成光强：,光矢量平行,二、光的相干叠加,（1）不相干情况,（2）相干情况,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,现象,p,r1,r2,单色光入射 真空中：,d ，D d,波程差：,相位差：,明纹,暗纹,杨氏双缝干涉光强分布,迈

10、克森干涉,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,单缝衍射,杨氏双缝干涉中考虑缝有宽度。,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。,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？,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,光强分布,k=1,2,3,光的分辨率,瑞利分辨率,定义 分辨本领,恰好可分辨！,人眼瞳孔：D =26mm =6823 ,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,第一节 光的基本性质,历史回顾 光的性质 光的传输,3. 光在传输