大學(xué)物理第十一章波動光學(xué)1目錄波動光學(xué)基本概念干涉原理及應(yīng)用衍射原理及應(yīng)用偏振光原理及應(yīng)用現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)簡介201波動光學(xué)基本概念3光波與電磁波010203光是一種電磁波，具有波粒二象性。光波在真空中的傳播速度最快，且在不同介質(zhì)中傳播速度不同。光波具有橫波性質(zhì)，其振動方向與傳播方向垂直。光波的振幅、頻率、波長等參數(shù)決定了光的顏色、亮度等物理性質(zhì)。電磁波譜包括無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和γ射線等，它們都是不同頻率和波長的電磁波。4干涉是波動光學(xué)中的重要現(xiàn)象，指兩列或更多列波的疊加產(chǎn)生加強(qiáng)或減弱的現(xiàn)象。雙縫干涉實驗是證明光具有波動性的著名實驗之一，通過該實驗可以觀察到明暗相間的干涉條紋。薄膜干涉是另一種常見的干涉現(xiàn)象，如肥皂泡上的彩色條紋和牛頓環(huán)等。這些現(xiàn)象的產(chǎn)生與光在薄膜上下表面的反射和干涉有關(guān)。光的干涉現(xiàn)象5

光的衍射現(xiàn)象衍射是指光在傳播過程中遇到障礙物或小孔時發(fā)生的偏離直線傳播的現(xiàn)象。光的衍射現(xiàn)象表明光具有波動性，因為衍射是波動特有的現(xiàn)象。衍射現(xiàn)象可以通過惠更斯-菲涅爾原理進(jìn)行解釋。常見的衍射現(xiàn)象包括單縫衍射、圓孔衍射和光柵衍射等。這些現(xiàn)象的產(chǎn)生與光通過障礙物或小孔時的波動效應(yīng)有關(guān)。6常見的偏振現(xiàn)象包括反射和折射時的偏振、雙折射現(xiàn)象和旋光現(xiàn)象等。這些現(xiàn)象的產(chǎn)生與光在不同介質(zhì)中傳播時的振動方向變化有關(guān)。偏振光是指光波中振動方向相對于傳播方向具有固定取向的光。偏振光可以分為線偏振光、圓偏振光和橢圓偏振光等。偏振現(xiàn)象是指光在傳播過程中，其振動方向發(fā)生變化的現(xiàn)象。偏振現(xiàn)象與光的橫波性質(zhì)有關(guān)，是波動光學(xué)的重要特征之一。偏振光與偏振現(xiàn)象702干涉原理及應(yīng)用8010203雙縫干涉實驗裝置包括光源、雙縫、屏幕等部分，通過雙縫將光源發(fā)出的光分為兩束相干光，在屏幕上產(chǎn)生明暗相間的干涉條紋。干涉條紋特點(diǎn)雙縫干涉條紋等間距、等寬度，且相鄰干涉條紋光程差為半波長的偶數(shù)倍。雙縫干涉原理當(dāng)兩束相干光的光程差是波長的整數(shù)倍時，它們的光強(qiáng)疊加產(chǎn)生明條紋；當(dāng)光程差是半波長的奇數(shù)倍時，它們的光強(qiáng)相消產(chǎn)生暗條紋。雙縫干涉實驗及原理9薄膜干涉現(xiàn)象01當(dāng)光照射在薄膜上時，由于薄膜前后兩個表面的反射光產(chǎn)生干涉，形成彩色條紋。薄膜干涉原理02薄膜的厚度不同導(dǎo)致反射光的光程差不同，從而產(chǎn)生不同的干涉結(jié)果。當(dāng)光程差是波長的整數(shù)倍時，產(chǎn)生明條紋；當(dāng)光程差是半波長的奇數(shù)倍時，產(chǎn)生暗條紋。薄膜干涉應(yīng)用03利用薄膜干涉可以測量光學(xué)表面的反射相移、光學(xué)表面反射相移的新原理、測量光學(xué)表面反射相移的新技術(shù)、光學(xué)薄膜厚度測量等。薄膜干涉及其應(yīng)用10牛頓環(huán)實驗裝置包括平行單色光源、凸透鏡、平面鏡和屏幕等部分，通過凸透鏡的球面和平面鏡之間的空氣薄膜產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象來觀察牛頓環(huán)。牛頓環(huán)特點(diǎn)牛頓環(huán)是一系列明暗相間的同心圓環(huán)，且相鄰環(huán)之間的間距隨著半徑的增加而減小。牛頓環(huán)原理當(dāng)平行單色光垂直照射到凸透鏡上時，經(jīng)過凸透鏡的折射和反射后，在凸透鏡的球面和平面鏡之間形成一層空氣薄膜。由于空氣薄膜的厚度不同，導(dǎo)致反射光的光程差不同，從而產(chǎn)生不同的干涉結(jié)果，形成牛頓環(huán)。牛頓環(huán)實驗及原理11包括分束器、反射鏡、補(bǔ)償板和探測器等部分，通過分束器將入射光分為兩束相干光，分別經(jīng)過反射鏡和補(bǔ)償板后再次匯合產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。利用分束器將入射光分為兩束相干光后，通過調(diào)整反射鏡和補(bǔ)償板的位置和角度可以改變兩束光的光程差，從而產(chǎn)生不同的干涉結(jié)果。當(dāng)兩束光的光程差是波長的整數(shù)倍時，它們的光強(qiáng)疊加產(chǎn)生明條紋；當(dāng)光程差是半波長的奇數(shù)倍時，它們的光強(qiáng)相消產(chǎn)生暗條紋。邁克耳孫干涉儀是一種高靈敏度的光學(xué)測量儀器，可用于測量長度、折射率、表面反射相移等物理量。同時，它也在光譜分析、光學(xué)表面檢測等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。邁克耳孫干涉儀結(jié)構(gòu)邁克耳孫干涉儀原理邁克耳孫干涉儀應(yīng)用邁克耳孫干涉儀及應(yīng)用1203衍射原理及應(yīng)用13包括單色光源、單縫、屏幕等部分。實驗裝置實驗現(xiàn)象原理分析當(dāng)單色光通過單縫時，在屏幕上出現(xiàn)明暗相間的衍射條紋。光波通過單縫時發(fā)生衍射，衍射角與波長和縫寬有關(guān)。當(dāng)縫寬與波長可比擬時，衍射現(xiàn)象明顯。030201單縫衍射實驗及原理14包括單色光源、圓孔、屏幕等部分。實驗裝置當(dāng)單色光通過圓孔時，在屏幕上出現(xiàn)明暗相間的圓形衍射斑紋。實驗現(xiàn)象光波通過圓孔時發(fā)生衍射，衍射斑紋的形狀和大小與波長和圓孔直徑有關(guān)。當(dāng)圓孔直徑與波長可比擬時，衍射現(xiàn)象明顯。原理分析圓孔衍射實驗及原理15光柵是由大量等寬等間距的平行狹縫構(gòu)成的光學(xué)元件。當(dāng)單色光照射在光柵上時，每個狹縫都會發(fā)生單縫衍射，同時不同狹縫衍射的光波還會發(fā)生干涉，形成光柵衍射條紋。光柵衍射原理光柵衍射在光譜分析、光學(xué)測量等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。例如，利用光柵衍射可以測量光的波長、分析物質(zhì)的成分等。光柵衍射應(yīng)用光柵衍射及其應(yīng)用16X射線衍射及其應(yīng)用X射線衍射原理X射線是一種波長極短的電磁波，具有穿透性。當(dāng)X射線照射在晶體上時，會受到晶體中原子的散射而發(fā)生衍射。由于X射線的波長與晶體中原子間距相近，因此可以發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象。X射線衍射應(yīng)用X射線衍射在材料科學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。例如，利用X射線衍射可以確定晶體的結(jié)構(gòu)、分析物質(zhì)的化學(xué)成分、研究生物大分子的結(jié)構(gòu)等。1704偏振光原理及應(yīng)用18馬呂斯定律描述線偏振光通過偏振片后光強(qiáng)與偏振片透振方向夾角之間的關(guān)系，即$I=I_0cos^2theta$，其中$I_0$為入射光強(qiáng)，$theta$為透振方向與入射光偏振方向的夾角。馬呂斯定律的意義揭示了偏振光通過偏振片后光強(qiáng)的變化規(guī)律，為偏振光的定量研究提供了基礎(chǔ)。馬呂斯定律及其意義19當(dāng)自然光以特定角度（布儒斯特角）入射到兩種透明介質(zhì)的分界面時，反射光為完全偏振光，折射光為部分偏振光。反射時的偏振現(xiàn)象當(dāng)自然光通過某些晶體（如方解石）時，由于晶體的雙折射性質(zhì)，折射光會分成兩束不同偏振狀態(tài)的光。折射時的偏振現(xiàn)象反射和折射時偏振現(xiàn)象20在某些晶體中，由于晶格結(jié)構(gòu)導(dǎo)致光線在晶體內(nèi)傳播時發(fā)生雙折射，即一條入射光線會分成兩條折射光線，分別遵循不同的折射定律。利用雙折射晶體的特性，可以制作各種偏振器件，如偏振片、波片等，用于光的調(diào)制、檢測和分析。晶體中雙折射現(xiàn)象雙折射晶體的應(yīng)用雙折射現(xiàn)象21當(dāng)兩束或多束相干偏振光疊加時，由于它們的振動方向不同，會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。通過調(diào)整偏振光的振動方向和相位差，可以實現(xiàn)對干涉條紋的調(diào)制。偏振光干涉偏振光干涉在光學(xué)測量、光學(xué)表面反射相移檢測、光學(xué)信息處理等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。例如，利用偏振光干涉可以測量光學(xué)表面的反射相移，進(jìn)而獲取表面的形貌信息。偏振光干涉的應(yīng)用偏振光干涉及其應(yīng)用2205現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)簡介23123介紹激光的產(chǎn)生原理，包括受激輻射、光放大等過程，以及激光的特性，如單色性、方向性、相干性等。激光的產(chǎn)生與特性闡述不同類型的激光器，如固體激光器、氣體激光器、半導(dǎo)體激光器等，并分析其結(jié)構(gòu)和工作原理。激光器的種類與結(jié)構(gòu)列舉激光在各個領(lǐng)域的應(yīng)用，如工業(yè)加工、醫(yī)療、通信、科研等，并簡要說明其原理和作用。激光的應(yīng)用領(lǐng)域激光技術(shù)及其應(yīng)用24介紹非線性光學(xué)中的基本現(xiàn)象，如二次諧波產(chǎn)生、和頻與差頻產(chǎn)生、光折變效應(yīng)等。非線性光學(xué)現(xiàn)象闡述非線性光學(xué)材料的特性與分類，如晶體、液晶、光纖等，并分析其在非線性光學(xué)中的應(yīng)用。非線性光學(xué)材料列舉非線性光學(xué)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用，如光通信、光信息處理、光計算等，并簡要說明其原理和作用。非線性光學(xué)的應(yīng)用非線性光學(xué)簡介2503量子光學(xué)的應(yīng)用列舉量子光學(xué)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用，如量子通信、量子計算、量子精密測量等，并簡要說明其原理和作用。01光的量子性質(zhì)介紹光的量子性質(zhì)，包括光子、光的波粒二象性、光的量子態(tài)等概念。02量子光學(xué)的基本原理闡述量子光學(xué)的基本原理，如光的量子化、光的相干性、光的壓縮態(tài)等。量子光學(xué)簡介26介紹光纖通信系統(tǒng)的基本組成，包