清华波动光学课件
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目录
壹
波动光学基础
贰
干涉现象
叁
衍射现象
肆
偏振现象
伍
光的传播
陆
波动光学实验
波动光学基础
第一章
波动光学定义
波动光学的概念
波动光学是研究光波的传播、干涉、衍射和偏振等现象的物理学分支。
01
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波动光学与粒子光学的区别
波动光学强调光的波动性，与粒子光学（如几何光学）关注光的直线传播和反射折射定律形成对比。
波动方程
波动方程是描述波动传播的基本方程，它表达了波动在介质中传播时位移与时间、空间的关系。
波动方程的定义
波动方程揭示了波动的传播速度与介质的物理性质之间的关系，是波动光学研究的核心内容之一。
波动方程的物理意义
波动方程通常表示为二阶偏微分方程，如一维波动方程形式为?2u/?t2=c2?2u/?x2，其中u是位移，c是波速。
波动方程的数学形式
光波的性质
光波的波长和频率决定了光的颜色和能量，例如红光波长较长，蓝光波长较短。
波长与频率
01
光波通过某些材料或反射后，其振动方向会变得有序，形成偏振光，如太阳眼镜利用偏振减少眩光。
偏振现象
02
当两束或多束相干光波相遇时，会发生干涉现象，形成明暗相间的条纹，如牛顿环实验。
干涉效应
03
光波遇到障碍物或通过狭缝时，会发生弯曲和扩散，形成衍射图样，如光栅分光。
衍射现象
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干涉现象
第二章
干涉原理
当两束或多束相干光波相遇时，它们的振动会相互叠加，形成干涉图样。
波的叠加原理
干涉发生需要满足相干条件，即两束光波的频率相同，相位差恒定。
干涉条件
由于波的相长和相消干涉，会在空间中形成明暗相间的条纹，即干涉条纹。
干涉条纹的形成
干涉实验
通过双缝实验，可以观察到光波的干涉条纹，验证波动光学的基本原理。
双缝干涉实验
迈克尔逊干涉仪利用分束镜产生干涉，广泛应用于精密测量光波的波长和折射率。
迈克尔逊干涉仪
利用薄膜干涉原理，可以观察到肥皂泡或油膜上的彩色干涉条纹，解释了薄膜厚度变化对光波干涉的影响。
薄膜干涉
应用实例
全息摄影
光纤通信
01
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全息摄影通过记录和再现光波的干涉图样，能够产生三维图像，应用于艺术和安全领域。
利用光波的干涉原理，光纤通信实现了高速、大容量的数据传输，是现代通信技术的关键。
02
激光测距仪通过测量光波干涉产生的条纹变化来精确测量距离，广泛应用于工程测量和导航。
激光测距仪
衍射现象
第三章
衍射概念
衍射是波遇到障碍物或通过狭缝时发生弯曲和扩散的现象，是波动光学的基本概念之一。
衍射的定义
衍射现象的产生是由于波动的相干性和波前的局部性，导致波在空间中重新分布。
衍射的物理原理
根据波遇到的障碍物或狭缝的尺寸，衍射可分为菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射两种类型。
衍射的分类
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衍射类型
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菲涅尔衍射
菲涅尔衍射发生在光源或观察点距离衍射屏有限远时，常见于小孔或狭缝的衍射实验。
02
夫琅禾费衍射
夫琅禾费衍射是指光源和观察点距离衍射屏无限远时的衍射现象，常用于光栅和透镜的分析。
03
多缝衍射
多缝衍射是当光通过多个等距排列的缝隙时产生的复杂衍射图样，常用于分析光的波动性。
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圆孔衍射
圆孔衍射是光通过圆形孔径时产生的衍射现象，形成特有的艾里斑，是光学仪器设计中的重要考量。
衍射应用
衍射光栅用于校准光学仪器，如分光计，确保其精确测量光谱线。
光学仪器校准
光纤中的光波通过衍射传播，使得信息能够在光纤中以高速传输。
光纤通信
X射线衍射技术用于材料科学，通过分析衍射图样来确定物质的晶体结构。
X射线衍射分析
偏振现象
第四章
偏振光的产生
当光线从空气入射到水面或其他介质表面时，反射光会呈现偏振状态，如太阳光在水面的反射。
反射偏振
大气中的分子和颗粒物散射阳光时，会产生偏振光，例如晴朗天空的蓝色光就是散射偏振的结果。
散射偏振
某些晶体如冰洲石具有双折射性质，通过这些晶体的光线会分裂成两束偏振光，如偏光显微镜中的应用。
双折射偏振
偏振光的应用
液晶显示器利用偏振光的特性来控制像素的透光率，实现图像的显示。
液晶显示技术
摄影师和电影制作人使用偏振滤镜来减少反射和增强色彩饱和度，提升视觉效果。
摄影和电影制作
在光学测量中，偏振光被用于测量应力、温度变化以及物质的光学特性。
光学测量
偏振光的测量
通过旋转偏振片，观察光强变化，可以测量偏振光的偏振方向和偏振度。
使用偏振片进行测量
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利用波片改变光的相位，通过分析干涉图样来确定偏振光的特性。
波片法测量
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通过光谱仪分析偏振光的频率分布，以确定其偏振状态和强度。
光谱分析法
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光的传播
第五章
光波的传播介质
光通过玻璃时，由于玻璃的折射率较高，光速减慢，产生折射和反射，形成光波的传播路径变化。
光在水中的传播速度减慢，约为在真空中的3/4，导致光线