第3章 無處不在的波3：波動光學

§3-4光的反射、折射和全反射一、惠更斯原理

媒質(zhì)中波動傳到的各點，都可以看作是發(fā)射子波的波源，而在其后的任意時刻，這些子波的包絡面就是新的波面。(適用于機械波和電磁波)惠更斯原理的缺陷：能定性給出波的傳播方向和干涉、折射、衍射的解釋，但不能定量地解釋，不能解釋為什么沒有后退波，也不能給出傳播的能量。

二、反射定律反射定律：波在媒質(zhì)介面上傳播時，入射角等于反射角，入射線反射線及介面的法線均在同一平面內(nèi)。界面反射定律三、兩媒質(zhì)界面上光的折射1、光速：

真空:3、折射定律:

“1”“2”折射定律：波經(jīng)過兩種媒質(zhì)介面進行折射（媒質(zhì)“1”進入媒質(zhì)“2”）時，入射角的正弦與折射角的正弦之比等到于波在第一種媒質(zhì)中的波速與在第二種媒質(zhì)中的波速之比2、折射率:

4、反射率R:

對透明物質(zhì)，的光被反射，折射折射率:（1－R）為什么有的物質(zhì)亮晶晶？有的物質(zhì)黯淡無光四、全反射

1、光疏媒質(zhì)和光密媒質(zhì)

“1”為光疏媒質(zhì)“2”為光密媒質(zhì)

2、全反射：當光從光密媒質(zhì)射向光疏媒質(zhì)，且入射角大于臨界角時，光線被100%反射的現(xiàn)象“1”“2”3、臨界角：

4、

光纖導光原理：全反射光纖結(jié)構(gòu)示意圖：纖芯：5~75μm摻雜了的SiO2，n一定或隨半徑增加而減小包層:總直徑為100~200μm,折射率稍小于纖芯的摻雜了的SiO2

涂敷層：硅銅或丙烯酸鹽，隔離雜光護套：尼龍或有機材料，增加強度，保護光纖纖芯包層涂敷層護套§3.5光的干涉、衍射和偏振

一、光的干涉2、

光的相干條件：同頻率、同振動方向、相位差恒定1、光矢量3、光程與光程差1)光程:媒質(zhì)折射率與光的幾何路程之積=物理意義：光程就是光在媒質(zhì)中通過的幾何路程,按波數(shù)相等折合到真空中的路程.2）光程差(兩光程之差)光程差如果4、

光的相長干涉和相消干涉的條件

K=0,1,2…（加強，相長）K=0,1,2…（減弱，相消）如果

K=0,1,2…（加強，相長）K=0,1,2…（減弱，相消）1）相位條件2）光程差條件P分割振幅法相干光源來源于同一波面相干光源來源于同一光線（振幅）分割波面法SoS1S25、相干光的獲得方法“一分為二”法1）分波陣面法2)分振幅法三楊氏雙縫干涉實驗p實驗裝置波程差加強p實驗裝置減弱加強暗紋明紋地面彩色油膜肥皂泡上的彩色條紋四、薄膜干涉及其應用擴展光源眼盯著表面透明薄膜S1S2abn1n2n1n1n2n1BCAD擴展光源眼透明薄膜S1S2abcdn2n12、薄膜干涉的成因及干涉條件

4、

應用：測波長，測薄膜厚度，檢驗光學玻璃的平整度，增透增反等接近垂直入射或掠入射的情況（作圖時進行了夸張）被檢體被檢體被檢體被檢體舉例：1）檢查平面與直角：被檢體被檢體標準角規(guī)標準角規(guī)dL紙2）測量微小厚度和微小厚度變化3）增透增反膜五、光的衍射和分辨本領

1、

光的衍射“室內(nèi)講話，墻外有耳”當光遇到障礙物時，偏離直線傳播的現(xiàn)象1）衍射現(xiàn)象2）分類：a、單縫衍射特點：中央明紋很寬、亮，90％以上的亮度集中在中央亮紋a}中央亮紋中央亮紋的寬度b、圓孔衍射D中央亮斑中央亮斑：愛里斑愛里斑的半角寬度3）惠更斯－菲涅耳原理圓孔衍射單縫衍射**d、衍射公式c、光柵衍射的特點：細、亮、疏e、應用：1）光柵光譜儀2）x射線衍射2、衍射光柵a、光柵：由大量的等寬等間距的平行狹縫所組成的光學器件b、光柵工作原理：單縫衍射基礎上的多縫干涉

3、光學儀器的分辨本領

1）愛里斑的半角寬度

愛里斑SD一個發(fā)光物點的愛里斑中心恰好與另一發(fā)光物點的第一個暗紋重合時，這兩個發(fā)光物點剛好能被分辨。

2）瑞利判據(jù)3）最小分辨角：

兩物點對透鏡光心的張角能分辨。

光學儀器的通光孔徑4）分辯率：

1990年發(fā)射的哈勃太空望遠鏡的凹面物鏡的直徑為2.4m，最小分辨角，在大氣層外615km

高空繞地運行,可觀察130億光年遠的太空深處,發(fā)現(xiàn)了500億個星系.波長電子波長：0.010.1nm

，是光學顯微鏡分辨本領的105倍∴電子顯微鏡分辨本領很高，可觀察物質(zhì)結(jié)構(gòu)。光學顯微鏡:使用的紫光照射物體進行顯微觀察，最小分辨距離為200nm，最大放大倍數(shù)為2000

1971年，諾貝爾物理學獎授予英國倫敦帝國科技學院的匈牙利裔物理學家伽博（DennisGa

bor,1900--1979），以表彰他發(fā)明和發(fā)展了全息術(shù)。六、全息照相

既能記錄光波振幅的信息，又能記錄光波的位相信息。這種記錄光波全部信息的照相稱為：全息照相。光的波動信息：1、基本原理

將一束相干光（激光）垂直地照射在兩條平行狹縫S1和S2上，通過S1和S2發(fā)出的兩束光在屏幕P上疊加成干涉條紋。如果把狹縫S2看作物體，S1作為參考光源，則屏幕P上的干涉條紋就是物體S2的全息圖。S2

PS1S1S2

為了得到的再現(xiàn)像S2，只須仍用參考光束S1去照明上述的全息照片P（即光柵版）。S1S2PS'2反射鏡2、全息照片的攝制與再現(xiàn)裝置全息照片激光束激光束參考光束物光束攝制過程：虛象激光束物象再現(xiàn)過程：全息照片實象物光激光器L分光鏡L’反射鏡M2透鏡L2反射鏡M1參考光感光膠片透鏡L1七、有趣的偏振光1、偏振：光振動方向?qū)鞑シ较虿粚ΨQ性，是橫波與縱波的重要區(qū)別。2、偏振光、部分偏振光、自然光、1）偏振光：光矢量只沿垂直于傳播方向的某一平面內(nèi)振動。表示方法：2）部分偏振光：某方向的光振動比與之垂直方向上的光振動占優(yōu)勢表示方法：3）自然光：在空間各個取向上，電矢量的時間平均值都相等的光表示方法：O偏振片：能吸收某一方向的光振動，而讓與之垂直方向的光振動通過的薄片。

3、偏振片的起偏和檢偏

根據(jù)用途不同，偏振片可分為起偏器和檢偏器起偏器：產(chǎn)生偏振光檢偏器：檢驗偏振光

4、馬呂斯定律透射光的光強5、布儒斯特定律反射光為完全偏振光布儒斯特角偏振光的應用1）防止對面來的燈光耀眼2）放立體電影原理：利用人眼的雙眼效應§3-6無線電波、廣播和電視一、無線電波：波長最長的電磁波例:廣播電臺：中波（535—1605kHz），短波（2—24MHz）；亞太地區(qū)衛(wèi)星廣播（11.7-12.2kMHz）；調(diào)頻廣播（88——108MHz）電視、雷達、無線電導航、衛(wèi)星通訊等：微波段：幾千兆赫）?！?-6無線電波、廣播和電視一、無線電波：波長最長的電磁波例:廣播電臺：中波（535—1605kHz），短波（2—24MHz）；亞太地區(qū)衛(wèi)星廣播（11.7-12.2kMHz）；調(diào)頻廣播（88——108MHz）電視、雷達、無線電導航、衛(wèi)星通訊等：微波段：幾千兆赫）。微波短波中波長波不同的波段對應不同的傳播方式和應用領域長波：超長波（100~10Km）（3~30KHz）用于水下通信，因為試驗表明，無線電波在海水中的衰減是很大的，而且波長越短（頻率越高）衰減就越大。所以海底通信用超長波。核爆炸時會產(chǎn)生超長波，所以用超長波無線電能夠測出在何處進行了核爆炸試驗。長波（10~1Km）（30~300KHz），是人類最早使用的通信波段，可謂老資格的信息載體，它已為人類服務了近100年，近年來，由于其他波段的通信方法日益成熟，長波通信逐漸被淘汰，現(xiàn)在保留的主要用于導航、報時。中波（100~1000m）是人們熟悉的波段，是大眾媒介的信息渠道，國際電信聯(lián)盟規(guī)定526.5~1605.2千赫專供無線電廣播用，平時我們就在這個波段收聽廣播。短波（1~100m），短波廣播能遠距離傳送，因為在地面50千米上空有一電離層。

長短距離的通信、廣播微波（1~10－4m），又稱米波，由于頻率高，所以通信容量大，可以傳輸大容量的電視（TV）信號。微波導航，廣播、導航二、無線電波的傳播地球發(fā)射天線接收天線接收天線空間波天波電離層60～20000km1、地波傳播：中長波2、天波傳播：短波3、空間波：微波與超短波三、無線電廣播、電視、傳真1、發(fā)射廣播：聲音信號傳真：文字和圖象電視：圖象、聲音a、將目標信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺ㄕ{(diào)制波：頻