波動光學復習總結(jié)課件

1、 波動光學 Wave Optics 波動光學 Wave Optics波動光學光波的基本性質(zhì)光波的干涉光波的衍射傅里葉基礎(chǔ)光波的偏振波動光學光波的基本性質(zhì)光波的基本性質(zhì)總結(jié)光的電磁理論基礎(chǔ)麥克斯韋方程組和波動微分方程光波的數(shù)學描述光波的波函數(shù)平面電磁波的性質(zhì)電磁波在媒質(zhì)界面上的反射和折射光波的基本性質(zhì)總結(jié)光的電磁理論基礎(chǔ)麥克斯韋方程組和波動微光波的數(shù)學描述波動是振動在空間的傳播波面等位相面的概念：某一時刻具有相同位相值的點的集合 一維簡諧平面波三維簡諧平面波三維簡諧球面波光波的數(shù)學描述波動是振動在空間的傳播光波的數(shù)學描述一維簡諧平面波的波函數(shù)的有關(guān)參量時間參量時間周期時間頻率時間角頻率空間參量空

2、間周期空間頻率空間角頻率時空參量關(guān)系思考：如果光波在不同折射率n的介質(zhì)中傳播，空間參量時間參量分別有何變化？光波的數(shù)學描述一維簡諧平面波的波函數(shù)的有關(guān)參量思考：如果光波光波的數(shù)學描述三維簡諧平面波的波函數(shù)的有關(guān)參量時間參量與一維波相同空間參量空間周期三維簡諧波在不同考察方向上具有不同的空間周期位相相差2的兩個相鄰等相面在k方向的距離，仍用表示，是三維簡諧平面波的波長。 是三維簡諧平面波沿波矢k方向的空間周期固有空間周期光波的數(shù)學描述三維簡諧平面波的波函數(shù)的有關(guān)參量光波的數(shù)學描述三維簡諧平面波的波函數(shù)的有關(guān)參量空間參量空間頻率：單位長度上波的周期數(shù) 空間頻率也和考察方向有關(guān)波矢k 波矢k表示波的

3、傳播方向光波的數(shù)學描述三維簡諧平面波的波函數(shù)的有關(guān)參量光波的數(shù)學描述三維簡諧球面波波函數(shù)和復振幅球面波的空間參量時間參量球面波在平面上的表達式菲涅爾近似光波的數(shù)學描述三維簡諧球面波光波的電磁波性質(zhì)橫波性質(zhì)矢量性質(zhì)光波的振動矢量與傳播矢量電場波和磁場波的關(guān)系E、B、k三個矢量互相垂直能量傳播特性能流密度矢量；能量定律；光強和輻照度光波的電磁波性質(zhì)橫波性質(zhì)電磁波在媒質(zhì)界面上的折射和反射折反射定律折射光、反射光和入射光共面菲涅爾公式反射波和折射波性質(zhì)振幅變化規(guī)律；布儒斯特定律和偏振性質(zhì)；位相變化規(guī)律；反射率和透射率電磁波在媒質(zhì)界面上的折射和反射折反射定律電磁波在媒質(zhì)界面上的折射和反射反射波和折射波性

4、質(zhì)振幅變化規(guī)律；布儒斯特定律和偏振性質(zhì)；位相變化規(guī)律；反射率和透射率電磁波在媒質(zhì)界面上的折射和反射反射波和折射波性質(zhì)光的干涉總結(jié)干涉基本理論分波面干涉分振幅干涉多光束干涉光的干涉總結(jié)干涉基本理論光波的干涉干涉的定義干涉三要素光源、干涉裝置和干涉圖形干涉問題就是研究三個要素之間的關(guān)系。光波的干涉干涉的定義干涉基本理論干涉理論討論前提波的獨立傳播原理波的疊加原理雙光束干涉的基本條件相干條件干涉基本理論干涉理論討論前提相干條件干涉基本理論兩個平面波的干涉干涉場強度干涉基本理論兩個平面波的干涉兩平面波的干涉干涉強度分布特點峰值強度面最大強度面條件最小強度面干涉強度極大值極小值稱為干涉級兩平面波的干涉干

5、涉強度分布特點稱為干涉級兩平面波的干涉干涉強度分布特點兩個平面波干涉的等強度面是三維空間的一系列平行平面干涉強度空間頻率和空間周期干涉條紋反襯度兩平面波的干涉干涉強度分布特點干涉基本理論兩個球面波的干涉干涉場強度分布 干涉基本理論兩個球面波的干涉兩球面波的干涉干涉強度分布特點二維觀察平面上干涉條紋性質(zhì)明暗相間的干涉條紋，等強度面與觀察平面的交線1：楊氏干涉情況2：海定格干涉情況兩球面波的干涉干涉強度分布特點1：楊氏干涉情況2：海定格分波面干涉楊氏實驗分波面的雙光束干涉S1和S2面積足夠小，可以看作兩球面波的干涉平行于z軸的平行等距直條紋楊氏條紋分波面干涉楊氏實驗分波面的雙光束干涉S1和S2面積

6、足夠小分波面干涉楊氏實驗楊氏條紋強度分布設(shè)S1和S2在P點強度均等于I0干涉條紋是一組強度按余弦函數(shù)分布，方向與z軸平行的平行等距直條紋。與兩個平面波干涉圖形基本相同。分波面干涉楊氏實驗楊氏條紋強度分布干涉條紋是一組強度按余分波面干涉楊氏實驗楊氏條紋基本特性亮紋條件暗紋條件第m級亮紋位置沿x方向空間頻率空間周期（條紋間距）m=0時，x=0零級亮紋位于觀察屏中心分波面干涉楊氏實驗楊氏條紋基本特性m=0時，x=0分波面干涉楊氏實驗楊氏條紋反襯度只要觀察距離d滿足菲涅耳近似，在不同d值的平面上，楊氏條紋分布相似，反襯度不變V1。反襯度不隨觀察點位置變化，稱為非定域條紋分波面干涉楊氏實驗楊氏條紋反襯度

7、只要觀察距離d滿足菲涅耳分波面干涉楊氏實驗干涉強度和楊氏條紋性質(zhì)（理想光源）光源偏離yz平面零級亮紋位置分波面干涉楊氏實驗干涉強度和楊氏條紋性質(zhì)（理想光源）零級分振幅干涉分振幅干涉原理分振幅干涉干涉場強度分布分振幅干涉位相差分振幅干涉分振幅干涉原理分振幅干涉平行平板光程差和位相差分振幅干涉平行平板光程差和位相差雙臂式分振幅干涉儀邁克耳遜干涉儀正入射時干涉等強度線干涉級的變化m反映出M1的移動量d雙臂式分振幅干涉儀邁克耳遜干涉儀正入射時干涉等強度線干涉級的平行平板的多光束干涉平行平板多光束干涉位相差相鄰兩束透射光之間的光程差對于多光束干涉，要求各相干光束強度相近，還必須保證相鄰相干光束之間位相差

8、為常數(shù)平行平板的多光束干涉平行平板多光束干涉位相差相鄰兩束透射光之分振幅多光束干涉裝置法布里珀羅干涉儀兩板間距離固定，則稱為法珀標準具分振幅多光束干涉裝置法布里珀羅干涉儀兩板間距離固定，則稱為法布里珀羅干涉儀應(yīng)用法珀的光譜分析應(yīng)用分析光譜精細結(jié)構(gòu)（分光性能參數(shù)）色散分辨本領(lǐng)色散范圍法布里珀羅干涉儀應(yīng)用法珀的光譜分析應(yīng)用光的衍射標量衍射理論基礎(chǔ)衍射和傅里葉變換夫瑯和費衍射圖形、性質(zhì)及應(yīng)用衍射光柵菲涅爾衍射光的衍射標量衍射理論基礎(chǔ)標量衍射理論基礎(chǔ)衍射定義：光波在傳播過程中，由于受到限制（即空間調(diào)制）時所發(fā)生的偏離直線傳播規(guī)律的現(xiàn)象衍射三要素： 光源、衍射物體和衍射圖形衍射基本理論要解決的問題：分析

9、由光源S發(fā)出的光波，受到衍射物體 的限制后，在觀察平面 上造成的復振幅分布或輻照度分布。衍射和干涉的聯(lián)系和區(qū)別標量衍射理論基礎(chǔ)衍射定義：光波在傳播過程中，由于受到限制（即夫瑯和費衍射夫瑯和費衍射計算夫瑯和費衍射夫瑯和費衍射計算夫瑯和費衍射單縫的夫瑯和費衍射夫瑯和費衍射單縫的夫瑯和費衍射夫瑯和費衍射矩孔的夫瑯和費衍射夫瑯和費衍射矩孔的夫瑯和費衍射夫瑯和費衍射圓孔的夫瑯和費衍射艾里斑，夫瑯和費衍射圓孔的夫瑯和費衍射艾里斑，光學系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)光學系統(tǒng)的衍射受限分辨本領(lǐng)光學系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)光學系統(tǒng)的衍射受限分辨本領(lǐng)光學系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)瑞利判據(jù)：一個物點衍射圖像的中央極大值與另一物點衍射圖形的第一極小值重合

10、，作為光學成像系統(tǒng)的衍射分辨極限光學系統(tǒng)光闌不止圓形，方形光闌、狹縫光闌都存在，衍射分辨極限的求解依據(jù)都是瑞利判據(jù) 光學系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)瑞利判據(jù)：一個物點衍射圖像的中央極大值與另夫瑯和費衍射圖形的性質(zhì)夫瑯和費衍射圖形的性質(zhì)夫瑯和費衍射圖形的性質(zhì)光波受限制方向與衍射圖形的關(guān)系 光波在什么方向受限制，就在什么方向發(fā)生衍射。 推論1：衍射孔徑在自身平面平移時，衍射圖形不變。推論2：夫瑯和費衍射圖形具有中心對稱性。推論3：當A（,）為實函數(shù)時，夫瑯和費衍射圖形中心具有輻照度絕大值，即中心一定是最亮的亮斑。夫瑯和費衍射圖形的性質(zhì)光波受限制方向與衍射圖形的關(guān)系夫瑯和費衍射圖形的性質(zhì)光波受限制程度與衍射圖形的

11、關(guān)系 夫瑯和費衍射圖形的性質(zhì)光波受限制程度與衍射圖形的關(guān)系夫瑯和費衍射圖形的性質(zhì)光源與衍射圖形的關(guān)系光源波長的影響光源形狀的影響夫瑯和費衍射圖形的性質(zhì)光源與衍射圖形的關(guān)系衍射光柵衍射光柵分波面多光束干涉一維振幅光柵的夫瑯和費衍射 是分波面多光束干涉強度分布受單縫衍射調(diào)制的結(jié)果。 衍射光柵衍射光柵分波面多光束干涉是分波面多光束干涉強度分衍射光柵衍射光柵衍射光柵一維矩形振幅光柵的夫瑯和費衍射圖形主極大和主亮紋暗紋和次亮紋主亮紋寬度主亮紋強度單縫衍射中央亮區(qū)主亮紋數(shù)缺級現(xiàn)象 衍射光柵一維矩形振幅光柵的夫瑯和費衍射圖形衍射光柵光柵的分光性能色散分辨本領(lǐng)光譜范圍衍射光柵光柵的分光性能 衍射光柵 法-珀分

12、光原理分辨本領(lǐng)色散范圍已知光源光譜情況和分光要求時，如何選擇分光儀器？分光原理、分辨本領(lǐng)和色散范圍 衍射光柵 菲涅爾衍射菲涅爾半波帶法菲涅爾衍射菲涅爾半波帶法菲涅爾衍射軸上點的復振幅M為偶數(shù)，p為暗點；M為奇數(shù)，p為亮點。菲涅爾衍射軸上點的復振幅M為偶數(shù)，p為暗點；M為奇數(shù)，p為亮菲涅耳衍射 圓屏的菲涅爾衍射巴比內(nèi)原理P始終是亮點（泊松亮點）。M增大，EM減小，亮度減弱。 菲涅耳衍射 圓屏的菲涅爾衍射巴比內(nèi)原理P始終是亮點（泊松光的偏振偏振光的分類和描述晶體的各向異性及描述線偏振光的產(chǎn)生和檢驗橢圓偏振光的產(chǎn)生和檢驗偏振光的干涉光的偏振偏振光的分類和描述偏振光的分類和描述偏振光分類 自然光；完全

13、偏振光；部分偏振光偏振光的分類和描述偏振光分類偏振光的分類和描述偏振光的描述完全偏振光：兩個正交分量為Dx和Dy具有關(guān)聯(lián)性，即Dx和Dy的振幅之比和位相之差恒為常數(shù)。因此，D矢量隨空間和時間有規(guī)律地變化偏振態(tài)完全由 和決定偏振光的分類和描述偏振光的描述偏振態(tài)完全由 和偏振光的分類和描述取不同值時D的振動圖 偏振光的分類和描述取不同值時D的振動圖 偏振光的分類和描述取不同值時D的振動圖 偏振光的分類和描述取不同值時D的振動圖 偏振光的分類與描述完全偏振光的瓊斯矢量表示稱為偏振光的Jones矢量表示Dy振動分量與Dx振動分量的相位差表示偏振光的強度偏振光的分類與描述完全偏振光的瓊斯矢量表示稱為偏振

14、光的Jon偏振光的分類與描述單位強度偏振光（偏振光歸一化瓊斯矢量）正橢圓偏振光圓偏振光線偏振光偏振光的分類與描述單位強度偏振光（偏振光歸一化瓊斯矢量）正橢描述晶體光學各向異性曲面折射率橢球和折射率面描述晶體光學各向異性曲面折射率橢球和折射率面描述晶體光學各向異性的其他曲面單軸晶體折射率面描述晶體光學各向異性的其他曲面單軸晶體折射率面晶體中的光波晶體中的平面波及其特點k方向指定時，除了k平行于光軸等特殊情況之外，光波必定是線偏振的，而且D的可能方向只有兩個不同D方向的光波對應(yīng)著不同的折射率D與E的方向一般不平行能流密度矢量坡印廷矢量，大小表示電磁波傳遞的能流密度，方向代表能量流動方向晶體中的光波

15、晶體中的平面波及其特點能流密度矢量坡印廷矢量平面光波在單軸晶體中的傳播單軸晶體中的光波 光波在晶體中傳播，k方向不同時，本征偏振方向和相應(yīng)本征折射率也不同k平行于光軸的情況 折射率橢球方程k交跡橢圓是折射率橢球與z=0平面的交跡。z=0，k交跡橢圓退化成圓D可以是垂直于k的任意方向，對應(yīng)折射率都等于no，不產(chǎn)生雙折射（類似于在各向同性物質(zhì)中傳播）平面光波在單軸晶體中的傳播單軸晶體中的光波 折射率橢球方程k平面光波在單軸晶體中的傳播單軸晶體中的光波k垂直于光軸的情況折射率橢球方程k交跡橢圓是折射率橢球長軸最長的橢圓截面平面光波在單軸晶體中的傳播單軸晶體中的光波折射率橢球方程k交平面光波在單軸晶體

16、中的傳播單軸晶體中的光波k為任意方向k交跡橢圓的為一個傾斜橢圓，其短軸為D1，垂直于主平面，折射率始終為n1 no ，稱為尋常光（o光）k交跡橢圓的長軸方向為本征 D2，其折射率為n2， n2介于no和ne之間，隨k而變。振動方向在主平面內(nèi)，稱為異常光（e光）正單軸晶體負單軸晶體平面光波在單軸晶體中的傳播單軸晶體中的光波k交跡橢圓的為一個光波在晶體界面上的折射和反射晶體界面上的折、反射定律菲涅爾公式推導時未使用物質(zhì)方程，折反射定律仍然適用于各向異性介質(zhì)kt在入射面內(nèi)kr在入射面內(nèi)光波在晶體界面上的折射和反射晶體界面上的折、反射定律kt在入光波在晶體界面上的折射和反射不同入射角時晶體界面上的折反

17、射光波從媒質(zhì)1入射到媒質(zhì)2，只討論媒質(zhì)1各向同性媒質(zhì)2各向異性的情況主要討論方法折射率面作圖法 以正單軸晶體（ne no）為例.入射為各向同性媒質(zhì)，折射率為ni ;晶體對本征D1折射率為nt1 ，（ nt1 = no），對本征D2折射率為nt2 光波在晶體界面上的折射和反射不同入射角時晶體界面上的折反射光波在晶體界面上的折射和反射作圖法關(guān)鍵畫出正確的折射率面單軸晶體，兩層折射率面在光軸方向相切光波在晶體界面上的折射和反射作圖法關(guān)鍵畫出正確的折射率面光波在晶體界面上的折射和反射作圖法關(guān)鍵畫出正確的折射率面單軸晶體，兩層折射率面在光軸方向相切光波在晶體界面上的折射和反射作圖法關(guān)鍵畫出正確的折射率面

18、晶體的旋光現(xiàn)象線偏振波在某些晶體中沿光軸方向傳播時，偏振方向隨著光波的傳播而旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為旋光，能產(chǎn)生旋光的物質(zhì)稱為旋光物質(zhì)晶體的旋光現(xiàn)象線偏振波在某些晶體中沿光軸方向傳播時，偏振方向各種線偏振器反射式起偏器和折射式起偏器（利用布儒斯特定律）各種線偏振器反射式起偏器和折射式起偏器（利用布儒斯特定律）晶體線偏振器各種晶體線偏器（利用光波在晶體中傳播的線偏振性質(zhì)和折反射分開o光e光）尼科耳(Nicol)棱鏡工作原理（全反射）格蘭(Glan)棱鏡工作原理（全反射）渥拉斯頓(Wollaston)棱鏡工作原理（光密光疏折反射）羅雄(Rochon)棱鏡工作原理（光密光疏折反射）晶體線偏振器各種晶體線偏

19、器（利用光波在晶體中傳播的線偏振性質(zhì)線偏振光的檢驗馬呂斯(Malus)定律分別用IA和IP表示入射光和透射光的光強，對于理想線偏器，入射光與透射光光強關(guān)系入射線偏振光包含振動方向分別平行和垂直于元件的主方向， OB方向分量不能通過元件，而OA方向成分可以全部通過元件線偏振光的檢驗馬呂斯(Malus)定律分別用IA和IP表示入橢圓偏振光的產(chǎn)生途徑橢圓偏振光的復振幅表達式橢圓偏振光D(z, t)由兩個振動方向正交的線偏光分量組成，兩分量的振幅分別為Dx0和Dy0，初相位分別為x0和y0 。產(chǎn)生橢圓偏振光D(z, t)，只要求兩個分量的振幅比等于Dx0/Dy0，位相差等于即可。橢圓偏振光的產(chǎn)生途徑橢

20、圓偏振光的復振幅表達式橢圓偏振光D(z橢圓偏振光的產(chǎn)生途徑產(chǎn)生橢圓偏振光的兩個步驟利用線偏器將自然光轉(zhuǎn)化成在給定坐標系(x,y)中有特定偏振方向角的線偏光讓上述線偏光經(jīng)歷一個在其x、y分量之間加上一個位相差的各向異性過程，從而獲得具有指定偏振態(tài)的橢圓偏振光引入位相差的方法波片目的之一，保證該線偏光的振幅比等于Dx0/Dy0目的之二，保證兩個線偏振分量具有固定位相差(0或)橢圓偏振光的產(chǎn)生途徑產(chǎn)生橢圓偏振光的兩個步驟目的之一，保證該橢圓偏振光的產(chǎn)生途徑波片波片的基本功能在已知的兩個正交偏振方向上為入射的偏振光引入特定的附加位相差的雙折射晶片d晶體尋常折射率no，異常折射率ne橢圓偏振光的產(chǎn)生途徑

21、波片波片的基本功能d晶體尋常折射率n橢圓偏振光的產(chǎn)生途徑波片幾種常用波片1/4波片(QWP)1/2波片(HWP)全波片(WP)N=0時，稱為零級波片橢圓偏振光的產(chǎn)生途徑波片幾種常用波片1/4波片(QWP)橢圓偏振光的產(chǎn)生途徑波片波片的快軸慢軸對于正單軸晶體和負單軸晶體制成的波片，其快軸和慢軸正好相反正單軸晶體：ne no，沿光軸方向振動的光波（即e光）的位相延遲比o光多 （e光位相滯后），光軸方向為慢軸方向（v）。負單軸晶體：ne no，沿光軸方向振動的光波（即e光）的位相延遲比o光少 （e光位相超前），光軸方向為快軸方向（u）橢圓偏振光的產(chǎn)生途徑波片波片的快軸慢軸波片對偏振光的作用波片對偏振光作用的矩陣表示：瓊斯矩陣當x軸逆時針轉(zhuǎn)向u軸時為正；反之為負M稱為波片的Jones矩陣波片對偏振光的作用波片對偏振光作用的矩陣表示：瓊斯矩陣當x軸幾種常用波片的Jones矩陣/4波片/2波片多個波片級聯(lián)時注意：矩陣乘法不滿足交換