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1、精品名师归纳总结高校物理学波动光学的学习总结（北京航空航天高校仪器科学与光电工程学院 131715 班 北京 100191 ）摘要：文章就高校物理学中的波动光学中的核心部分包括干涉,衍射,偏振部分的学问做了梳理, 并就对推动波动光学理论建立的光学试验做了总结性的介绍和争论。关键词：波动光学 干涉 衍射 偏振 试验19 世纪初,人们发觉光有干涉、衍射、和偏振等现象。例如,在日常生活中常可看到在太阳光的照耀下, 肥皂泡或水面的油膜上会出现杰出彩绚丽的彩色条纹图样。 又如,让点光源发出的光通过一个直径可调的圆孔, 在孔后适当位置放置一屏幕, 逐步缩小孔径, 屏幕上上会显现中心亮斑, 四周为明暗相间的
2、圆环形图案等等。这些现象说明光具有波动性,用几何光学理论是无法说明的。由此产生了以光是波动为基础的光学理论,这就是波动光学。 19 世纪 60 岁月,麦克斯韦建立了光的电磁理论,光的干涉,衍射和偏振现象得到了全面说明。本文将从光的干涉衍射和偏振来争论光的波动性以及波动光学中的经典试验。一、 光的干涉1. 光波定义光波是某一波段的电磁波,是电磁量E和 H的空间的传播 .2. 光的干涉定义满意肯定条件的两束 或多束 光波相遇时, 在光波重叠区域内, 某些点合光强大于分光强之和,在另一些点合光强小于分光强之和,因而合成光波的光强在空间形成强弱相间的稳固分布, 称为光的干涉现象, 光波的这种叠加称为相
3、干叠加, 合成光波的光强在空间形成强弱相间的稳固分布称为干涉条纹,其中强度极大值的分布称为明条纹,强度微小值的分布称为暗条纹.3. 相干条件表述两束光波发生相干的条件是: 频率相同,振动方向几乎相同,在相遇点处有恒定的相位差 .4. 光程差与相位差定义两列光波传播到相遇处的光程之差称为光程差; 两列光波传播到相遇处的相位之差称为相位差.5. 双光束干涉强度公式表述在满意三个相干条件时,两相干光叠加干涉场中各点的光强为可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结式子中,相位差保持恒定,如I1I 2I 0 就可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名
4、师归纳总结6. 杨氏双缝千涉试验试验装置与现象如图 1 所示,狭缝光源 S位于对称轴线上,照明相距为 a 的两个狭缝S1 和S2 ,可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结在 距 针 孔 为 D 的 垂 轴 平 面 上 观 察 干 涉 图 样 , 装 置 放 置 在 空 气 n=1 中 , 结 构 满 足可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结dD, Dx,sintan. 在近轴区内,屏幕上的是平行、等间距的明暗相间的直条纹,屏幕上P可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结点的光程差为相应明暗纹条件是干涉条纹的位置是式中,整数 k 称为干涉级数,用以区分不同的条纹 .可
5、编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结7. 薄膜干涉试验装置如图 2 所示,扩展单色光源照耀到薄膜上反射光干涉的情形,光源发出的任一单条光线经薄膜上下两个面反射后, 形成两条光线、 ,在试验室中可用透镜将它们会聚在焦平面处的屏上进行观看,在膜的上下两个表面反射的两束光线和的光程差为二、光的衍射1. 光的衍射现象定义一束平行光通过一狭缝 K,在其后的屏幕上将出现光斑,如狭缝的宽度比波度大得多时, 屏幕 E 上的光斑和狭缝完全一样,如图3 Ca 所示,这时可成光沿直线传播的 ; 如缝宽与光波波长可以相比拟时,在屏幕 E上的光斑亮度虽然降低,但光斑范畴反而增大,如图3 Cb所示的明暗相间的条
6、纹,这就是光的衍射现象,称偏离原先方向传播的光为衍射光.2. 惠更斯一菲涅耳原理表述任何时刻波面上的每一点都可以作为子波的波源,从同一波面上各点发出的子波在空间相遇时,可以相互叠加产生干涉 .3. 菲涅耳衍射与夫琅禾费衍射定义光源到障碍物, 或障碍物到屏的距离为有限远, 这类衍射称为菲涅尔衍射 : 光源到障碍物, 以及障碍物到屏的距离都是无限远, 这时入射光和衍射光均可视为平行光,这类衍射称为夫琅禾费衍射.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结三、光的偏振1. 光的偏振性定义光波是电磁波, 其电矢量称为光矢量, 在垂直于传播方向的平面内, 光矢量 E 可能具有的振动状态 矢量端点的轨
7、迹 ,称为光的偏振态 . 光矢量的振动方向与光传播方向所组成的平面称为振动面.2. 偏振光定义振动方向具有肯定规章的光波, 称为偏振光。 如一束光的光矢量 E 只沿一个固定的方向振动,称这种光为线偏振光,线偏振光的振动面固定不动,故又称为平面偏振光; 如一束光的 E 矢量按肯定频率旋转,其矢端沿着一圆形轨道运动,称这种光为圆偏振光; 与圆偏振光类似,如 E 矢量末端沿着一椭圆形轨道运动,称这种光为椭圆偏振光。3. 部分偏振光定义假如一束光的光矢量在垂直于传播方向的各个方向上都有分布,各个振动之间没有固定的相位关系,但沿某方向的振动总比其他方向更占优势,称这种光为部分偏振光。4. 偏振片与马吕斯
8、定律表述某些晶体物质对入射光在某个方向的光振动重量有剧烈的吸取,而对与该方向垂直的重量却吸取很少,使之能够通过晶体,具有这种特性的晶体称为“二向色性”物质. 把答应通过的光振动方向称为偏振化方向,既透光轴. 将具有该性质的晶体制成猎取线偏振光的器件,称为偏振片. 当一束线偏振光通过偏振片时,透射光的强度是式中, I0 为入射线偏振光的强度,为入射线偏振光的振动方向与偏振片的偏振化方向之间的夹角,这个规律称为马吕斯定律.5. 反射与折射时的偏振布儒斯特定律表述当自然光以肯定入射角入射到两种透亮介质的界面上时,反射光和折射光都是部分偏振光,其中,反射光中垂直于入射面的振动重量占主导位置,折射光中平
9、行于入射面的振动重量占主导位置, 当入射角是某一特定角度时, 反射光变成垂直于入射面的振动方向的线偏振光,该特定角度称为布儒斯特角 .可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结布儒斯特角由布儒斯特定律打算,即布儒斯特角i 0 满意如下关系 :可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结式中,6. 波片n1 和n 2 分别为入射空间和折射空间的折射率 .可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结表述表面与光轴平行的晶体薄片称为波片, 当一束光正入射于波片时, 具有相同的相位, 由于它们的传播速度不同,使之通过波片后产生肯定的光程差.式中, d 为波片的厚度,对应的相位差是如使 d
10、 满意 o 光和 e 光在通过波片后产生/ 2 的相位差,就此波片称为该波长的1/4 波片; 如相位差为（或光程差为/2 ,称为该波长的半波片 .7. 偏振光的干涉试验装置及现象如图 4 所示,在两个偏振化方向成肯定角度的偏振片之间插入一个波片,当自然光入射时,先用一个起偏器使自然光变成线偏振光. 线偏振光进入波片后,投射光形成偏振方向相互垂直的口光和e 光,再经过检偏振器,使。光和e 光变为同方向的振动,以满意偏振光的干涉条件,形成干涉条纹。四、推动波动光学进展的重要试验17 世纪,胡克和惠更斯创立了光的波动说 . 这一时期 ,人们仍发觉了一些与光的波动性有关 的光学现象 , 例如格里马尔迪
11、第一发觉光遇障碍物时将偏离直线传播,他把此现象起名为“衍射”. 胡克和玻意耳分别通过试验观看到现称之为牛顿环的干涉现象. 这些发觉成为波动光学进展史的起点. 在随后的一百多年间 ,牛顿的“微粒说” 与惠更斯的“波动说” 构成了关于光的两大基本理论 ,可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结并由此而产生猛烈的争议和探讨 ,科学家们就光是波动仍是微粒这一问题绽开了一场旷日长久的拉锯战. 因牛顿在学术界的权威和盛名 ,可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结“ 微粒说” 始终占据着主导位置 , 波动说就不为多数人所接受 . 直到进入 19 世纪后, 人们发觉光有干涉、 衍射、偏振等现
12、象 , 这些事实都对光的波动说供应了重要的试验依据 , 从而极大的推动了波动光学的进展 .1、杨氏双缝试验杨氏双缝试验是杨 T .Young最早以明确形式确立光波叠加原理,用光的波动性说明干涉现 象的一个试验 ,从而掀开了波动光学复兴的序幕 . 杨氏试验示意图如下图所示,依据惠更斯原理 , 认为双缝 S1和S2 是两个发射子波的波源 ,它们都是从同一个光源 S 而来并位于同一个子波波面 , 故它们的相位总是相同而能构成相干光源. 由下图 ,如双缝间距离为 d ,缝屏到光屏 EE间距为D ,光屏上任一点 P 到双缝的距离为 r1、r2 ,从 S1 和 S2 所发出的光 ,到达 P 的波程差是 =
13、 r2 -r1d sin式中表示 PO 对双缝中点的张角 . 如光程差等于波长整数倍 ,即可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结dsinkk =0 , 1 , 2 ,P 点为明纹 .可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结如光程差等于半波长的奇数倍 ,即可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结2 dsin2k12k =0 , 1 , 2 , P 点为暗纹 .可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结通常能观看到干涉条纹的情形下总是很小, 就可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结dsin故光屏上各级亮纹离中心 O 的距离为dtand xk D可编辑资料
14、- - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结xkDdk =0 , 1 , 2 ,可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结两相邻亮条纹或暗条纹的间距都是 x =Dd , 且干涉条纹都是等间距分布的 .杨氏双缝试验为光的波动学说供应了有力的试验依据,它导致人们对光的波动理论普遍接受 . 同时,杨氏双缝试验仍以极简洁的装置和极奇妙的构思把一般光源变成相干光源,即满意了频率相同、相位差恒定 ,存在相同的振动重量 . 在此以后的菲涅尔双面镜、双棱镜、洛埃镜等都是以杨氏双缝试验为原型设计出来的 . 因此杨氏双缝试验在波动光学进展史上乃至物理学史上都占有特别重
15、要的位置.2 夫琅禾费单缝衍射试验衍射和干涉一样 , 也是波动的重要特点之一 . 波在传播过程中遇到障碍物时 , 能够绕过障碍物边缘前进 , 这种偏离直线传播的现象称为波的衍射 . 但是由于光波的波长太短 , 只有几百纳微米 , 因此要想实现光波的衍射比起机械波的衍射要难得多 , 所以在一个相当长的时期内 ,光能够发生衍射的观点根本不被人们所接受,光的波动说也就欠缺了说服力 . 夫琅禾费单缝衍射试验有力的证明光的波动性. 平行光通过狭缝产生的衍射条纹定位于无穷远,称做夫琅禾费单缝衍射 . 如下图所示 ,依据菲涅尔半波带理论 ,设单缝的宽度为 a ,在平行单色光的垂直照耀下 ,位于单缝所在处的波
16、阵面AB 上各点发出的子波沿各个方向传播,位于两条边缘衍射线之间的光程差为 =BC = asin 式中表示衍射角即波衍射后沿某一方向传播的子波波线与平面衍射屏法线之间的夹角 . 依据菲涅尔半波带理论 , 当适合可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结asinasin2k 22k12k =1 ,2 ; 3 , 暗纹k = 1 ,2 ,3 , 明纹可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结中心明条纹的半角宽度3 泊松亮斑试验01arcsin, 当 1 很小时有0aa可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结在人类探究光的本性的进程
17、中 ,泊松亮斑试验是波动光学进展史上具有重大意义的一个经典试验,在很大程度上推动了波动光学的进一步进展.1818年,法国科学院组织了一次悬赏征文活可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结动, 竞赛评奖委员会的本意是期望通过这次征文,勉励用微粒理论说明衍射现象 ,以期取得微粒理论的打算性成功 . 然而,出乎意料的是 ,不知名的学者菲涅耳却依据波动说深化的争论了光的衍射. 当时,泊松是光的波动说的极力反对者 ,他依据菲涅耳的理论运算了光在圆盘后的影的问题,发觉在肯定条件下 , 在不透亮的圆板的阴影中心有一个亮斑 ,这就是闻名的可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结“泊松亮斑”,
18、如下图所示 . 泊松认为这是特别荒谬的 , 于是就声称驳倒了光的波动理论 . 但后来菲涅耳在试验室观看到了这个亮点 , 这样, 泊松的运算公式反而有力的支持了光的波动学说 , 使光的波动理论在这场竞赛中 , 赢得了新的辉煌的成功 .4塞曼效应试验塞曼效应被誉为继 X 射线1895 年发觉 之后物理学最重要的发觉之一, 1902年塞曼因这一发觉与洛伦兹共享诺贝尔物理学奖 .19世纪初 ,光的波动说获得很大成功 ,逐步得到人们公认 . 但是当时人们把光波看成像机械波 ,需要有传播的媒介 ,曾假设在宇宙空间布满一种特别物质“以 太” . 而且, “以太” 应具有以下性质 : 一是有很大的弹性 甚至像
19、钢一样 ; 二是有微小的密度 比空气要淡薄得多以至我们根本不能用试验探测它的存在. 这种神奇的“以太” 存在吗.这个问题到目前为止 ,甚至仍在小范畴的争执之中 . 但是,各种证明“以太” 存在的试验都被认为是失败的,这就使光的机械波学说陷入了困境 . 这时,有一些新的事实促使人们去进一步探究光的本 性的神奇面纱 .1862年法拉第做了最终一次试验 ,试图发觉磁场对放在磁场内的光源发出的光线 的影响 ,但结果是否定的 ,由于他用的仪器仍不够灵敏 ,不能探测到这种微细的效应 .30年后, 当时仍是青年的塞曼 ,从阅读法拉第的试验方案受到启示 , 他用更精密的仪重视新做试验 ,发觉了塞曼效应 . 这
20、个试验证明白光具有电磁本性 ,同时也对原子物理的争论有着重要的奉献. 塞曼效应的发觉使人类对光的熟识更加深化 , 熟识范畴更加扩大 . 光具有波动性、光的电磁本性逐步被人们所公认. 这种理论在光学史上起着特别重要的作用.五、波动光学学习感想通过对波动光学部分学习, 我真实的感受到了光学的秘密和无限的争论价值之所在。在这之前, 始终是几何光学赐予我最直接的对于光学的印象,这种印象是我对光学并没有产生多大的爱好。 接触和学习了波动光学部分的内容和学问之后,我感受到了光变化万千的本质。 作为一种电磁波, 光的波动性质使其具有了诸如干涉,衍射, 偏振的性质, 这些性质随着科技不断的进步, 测量工具的日
21、益进步逐步为人类所明白熟识,到应用。这些应用表达在现代科学技术中的各个方面,例如。长度的精密测量,光谱学的测量与分析,光测弹性争论,晶体结构的分析等。随着激光技术的进展,全息照相技术,集成光学,光通信等新技术也先后建立起来,开拓了光学争论和应用的全新领域。其中,在基础理论方面也包括了对波动光学的再熟识和新内容。如傅里叶光学、 相干光学和信息处可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结理以及在强激光下的非线性光学效应。我们不难发觉, 波动光学由于其对科学的测量手段的高度依靠性,它的争论和实际价值的开发是有庞大潜力的。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结参考文献：1 吴百诗.高校物理学 J 北京：高等训练出版社, 2004.122 游璞,于国萍光学 M 北京：高等训练出版社, 2022.123 宋贵才物理光学理论与应用 J .北京：北京高校出版社, 2022.34 赵青生高校物理试验 M合肥：安徽高校出版社 , 2004（注：专业文档是体会性极强的领域,无法摸索和涵盖全面,素材和资料部分来自网络,供参考。可复制、编制,期望你的好评与关注）可编辑资料 - - - 欢迎下载