高等物理光學課件-平面波

平面波物理光學簡介1光波特性物理光學研究光的波動性，包括干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象。2電磁波理論物理光學以電磁波理論為基礎，解釋光的傳播和相互作用。3應用領域物理光學在光學儀器、光通信、激光技術等領域有廣泛應用。電磁波簡介電磁波是一種由振蕩的電場和磁場組成的波，兩者互相垂直，并且與傳播方向也互相垂直。電磁波以光速傳播，在真空中速度約為每秒299,792,458米。電磁波包含了從低頻的無線電波到高頻的伽馬射線，不同的頻率對應著不同的電磁波類型。電磁波的基本性質橫波性質電磁波的電場和磁場方向相互垂直，且都垂直于波的傳播方向。波速在真空中，電磁波以光速傳播，約為3×108米/秒。頻率和波長電磁波的頻率和波長成反比，兩者之積等于波速。能量電磁波的能量與頻率成正比，頻率越高，能量越大。電磁波的傳播1橫波電場和磁場垂直于傳播方向2速度真空中以光速傳播3介質在介質中速度會減慢平面波的定義平行光線在均勻介質中，平面波的波陣面是平面的，所有光線平行傳播，具有相同的方向。波陣面波陣面是波傳播過程中，振動相位相同的點所組成的面。平面波的振幅定義平面波在空間中傳播時，電場或磁場強度的最大值。符號通常用E0或B0表示。單位伏特/米（V/m）或特斯拉（T）。影響因素平面波的振幅取決于波源的功率和距離。平面波的波矢方向波矢的方向代表平面波的傳播方向。大小波矢的大小等于平面波的波數(shù)，即2π除以波長。平面波的相位0相位表示波的振動狀態(tài)，描述波在空間和時間上的變化情況。π相位差兩個波之間的相位差決定了它們的干涉現(xiàn)象。2π周期性平面波的相位是周期性變化的，每個周期對應一個波長。平面波的頻率和角頻率頻率平面波的頻率是指平面波在一個周期內振動完成的次數(shù)。通常用f表示，單位為赫茲（Hz）。角頻率平面波的角頻率是指平面波在一個周期內所經過的角度，通常用ω表示，單位為弧度每秒（rad/s）。平面波的波長和傳播速度波長(λ)兩個相鄰波峰或波谷之間的距離傳播速度(v)波在介質中傳播的速度，與介質的折射率有關平面波的瑞利判據(jù)分辨極限瑞利判據(jù)用于判斷光學系統(tǒng)是否能分辨兩個相鄰的光源。中心極大重合兩個點光源的衍射圖樣中心極大重合時，系統(tǒng)剛好能分辨這兩個光源。平面波的極化電場方向平面波的極化是指電場矢量在傳播方向上的振動方向。偏振方式根據(jù)電場矢量的振動方向，平面波可以分為線偏振光、圓偏振光和橢圓偏振光。影響因素平面波的極化狀態(tài)受光的產生方式、傳播介質和反射、折射等因素的影響。線偏振光線偏振光是指電場矢量方向始終在一個特定平面內振蕩的電磁波。該平面被稱為偏振面，電場矢量方向與偏振面平行。線偏振光可以由自然光通過偏振片或其他偏振元件獲得。橢圓偏振光橢圓偏振光是指電場矢量的末端在垂直于傳播方向的平面上描繪出一個橢圓。橢圓偏振光可以分解為兩個互相垂直的線偏振光，這兩個線偏振光的振幅和相位差決定了橢圓的形狀和方向。圓偏振光方向變化圓偏振光的電場矢量在傳播方向上以等幅旋轉，形成螺旋狀。振幅不變電場矢量的振幅保持恒定，旋轉速度與光波頻率一致。偏振光的合成和分解1合成多個偏振光可以合成一個新的偏振光。2分解一個偏振光可以分解為多個偏振光。3應用偏振光的合成和分解在光學儀器中有著廣泛的應用。薄膜干涉薄膜干涉現(xiàn)象當光線照射到薄膜表面時，一部分光線被反射，另一部分光線透過薄膜。反射光和透射光之間會發(fā)生干涉現(xiàn)象，形成明暗相間的條紋。干涉條件薄膜干涉現(xiàn)象的發(fā)生需要滿足一定的條件，包括光線的波長、薄膜的厚度和折射率等因素。應用薄膜干涉現(xiàn)象在光學儀器、光學器件和光學薄膜等領域有著廣泛的應用，例如鍍膜鏡片、光學濾波器等。薄膜干涉的條件光源光源應為單色光或準單色光，以保證干涉條紋清晰可見薄膜薄膜的厚度必須遠小于入射光波長，以確保干涉現(xiàn)象明顯入射角入射角應適當，以保證干涉條紋的清晰度薄膜反射率和透射率R反射率薄膜反射光強度與入射光強度的比值。T透射率薄膜透射光強度與入射光強度的比值。多層薄膜干涉多層膜多層膜是由多層不同折射率的薄膜組成的，每個薄膜的厚度都經過精心設計。光波干涉當光波入射到多層膜時，會在各層膜界面發(fā)生反射和透射，產生干涉現(xiàn)象。干涉條件多層膜干涉的條件取決于膜層的厚度、折射率和入射光的波長。應用多層膜干涉在光學儀器、光學薄膜、激光技術等領域有著廣泛的應用。多層膜的反射和透射反射率透射率多層膜的反射和透射特性取決于各層的厚度和折射率。干涉儀的原理光波疊加干涉儀的核心原理是利用兩束或多束相干光波的疊加，產生干涉現(xiàn)象。相位差干涉現(xiàn)象的產生取決于兩束光波的相位差。相位差取決于光程差，即兩束光波傳播路徑的長度差。干涉條紋當兩束光波疊加時，會產生明暗相間的干涉條紋。條紋的明暗程度取決于兩束光波的相位差。邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀是一種常用的干涉儀，它利用光的干涉原理來測量光的波長、折射率等物理量。邁克爾遜干涉儀由兩塊互相垂直的平面鏡組成，光束從光源發(fā)出后，被分光鏡分成兩束，分別照射到兩塊平面鏡上，反射后重新會合，形成干涉條紋。勞埃德干涉儀勞埃德鏡干涉儀利用一面平面鏡和一個單縫，產生兩束相干光，形成干涉條紋。它是一種經典的干涉實驗，在物理學和光學研究中具有重要意義。勞埃德鏡干涉儀的特點是，一束光直接照射到屏幕上，另一束光則反射到屏幕上。這兩種光束在屏幕上相遇，產生干涉現(xiàn)象。布雷格反射條件波長入射X射線的波長入射角入射X射線與晶體平面的夾角晶面間距晶體中相鄰晶面的間距X射線衍射晶體結構X射線衍射是研究物質內部結構的有力工具。它利用X射線與晶體中的原子相互作用，產生衍射圖案，從而揭示晶體的原子排列方式。布拉格定律布拉格定律解釋了X射線衍射的原理，它表明當X射線束入射到晶體時，只有當入射角滿足特定條件時，才能發(fā)生衍射現(xiàn)象。應用X射線衍射廣泛應用于材料科學、化學、生物學等領域，例如材料的晶體結構分析、蛋白質結構解析等。光柵的原理多縫衍射光柵由大量等間距的平行狹縫組成，當光線照射到光柵上時，會在每條狹縫處發(fā)生衍射，這些衍射波相互干涉，形成干涉條紋。光程差相鄰兩條狹縫衍射的光程差為dsinθ，其中d為狹縫間距，θ為衍射角。干涉加強當光程差為波長的整數(shù)倍時，干涉加強，形成明條紋。公式：dsinθ=mλ，其中m為干涉級數(shù)。光柵頻散定義光柵頻散是指光柵將