大学物理波动光学课件.ppt

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1、以光的波动性质为基础，研究光的传播及规律。以光的粒子性为基础，研究光与物质相互作用的规律。光学以光的直线传播为基础，研究光在透明介质中的传播规律。研究光的本性、光的传播和光与物质相互作用等规律的学科。光学：波动光学：量子光学：几何光学：前言1621年荷兰科学家菲涅耳（W.snell,1580~1626）从实验归纳出反射定律、折射定律，在此基础上诞生了几何光学。早在我国先秦时代（公元前400－382年），《墨经》中就详细论述了光的直线传播、光的反射以及平面镜、凹面镜和凸面镜的成像规律。而在之后约一百年，古希腊的欧几里德也专门著书《光学》，对人眼为何能看到物体、光的反射性质、球面镜焦点等问题进行

2、了探讨。光学发展史一、几何光学时期光是什么?二、光的微粒说和波动说1668年英国科学家牛顿（Newton）提出光的微粒说，1678年荷兰物理学家惠更斯（Huygens）提出光的波动说。两种学说的争论持续了几个世纪，起初微粒说占优，到19世纪初，人们对光本质的认识逐渐趋向于波动说。下表例举了几个世纪以来两种学说的拥护者，以及它们刚被提出时的出发点和存在的问题：牛顿(Newton)光是一种粒子!光是一种波!惠更斯(Huygens)微粒说支持者波动说牛顿（Newton）毕奥（Biot）拉普拉斯（Laplace）泊松（Poission）马吕斯（Malus）胡克（Hooke）惠更斯（Huygens）托

3、马斯·杨（T.Young）夫琅和费(Fraunhofer)菲涅耳（Fresnel）傅科（Foucault）能够解释/无法解释（刚提出时）光的直线传播光的反射光的折射光在折射率大的介质中传播速率小光的干涉光的直线传播光的反射光的折射光在折射率大的介质中传播速率小【该结论于1862年被傅科实验所证实】对光的波动说给予有力支持的几个实验：1、1801年托马斯·杨（ThomasYoung）完成了著名的“杨氏”实验，并提出了干涉原理；2、1809年，马吕斯（Malus）发现了光的横波性；（尽管马吕斯当时认为他的发现是对波动说有力的驳斥）3、1815年，菲涅耳（Fresnel）综合了惠更斯子波假设和杨氏

4、干涉原理，用次波干涉理论成功地解释了光的直线传播规律，并且定量地说明了光的衍射图样光强分布规律（如泊松亮斑）。赫兹（Hertz）麦克斯韦（Maxwell）1860年，麦克斯韦总结出麦克斯韦方程组，得出电磁波在真空中传播的速度等于光速c，从而预言光是一种电磁波。1888年赫兹用实验证实了麦克斯韦的预言。通过大量实践可知，红外线、紫外线和X射线等都是电磁波，它们的区别仅是频率（波长）不同而已，从而使光的波动理论成为电磁理论的一部分。三、光的电磁学说光是一种电磁波。你的预言是对的！四、量子光学时期19世纪末到20世纪初，光学的研究深入到光的发生、光和物质的相互作用的微观结构中。一些新的实验，如热辐

5、射、光电效应和康普顿效应等，用经典电磁波理论都无法解释。1900年普朗克提出辐射能量的量子化理论，成功地解释了黑体辐射问题。1905年爱因斯坦提出光量子理论，圆满地解释了光电效应。爱因斯坦的结论于1923年被康普顿的散射实验所证实。普朗克（Planck）爱因斯坦（Einstein）康普顿（Compton）从光学发展史可以看出，光的干涉、衍射、偏振等现象证实了光的波动性，而黑体辐射、光电效应和康普顿效应等又证实了光的微粒性，光具有“波粒二相性”（Wave-particleduality）。光在传播的过程中主要表现出波动性，而在与物质相互作用时主要表现出微粒性。本章只讨论光的波动性。即主要研究光

6、的干涉、衍射、偏振等问题。第12章波动光学基础§12.1光的相干性§12.2分波面干涉§12.3分振幅干涉§12.4惠更斯－菲涅耳原理§12.5单缝的夫琅禾费衍射§12.6圆孔的夫琅禾费衍射§12.7衍射光栅及光栅光谱§12.8X射线衍射§12.9光的偏振本章内容：电磁波的产生：一、光是电磁波§12.1光的相干性凡做加速运动的电荷都是电磁波的波源例如：天线中的振荡电流；分子或原子中电荷的振动电磁波的描述：平面简谐光波方程：光波的速度:光的反射和折射:真空中介质的折射率光强：光波的平均能流密度称为光强二、光源：普通光源的发光机理:间歇性：独立性：原子、分子发光彼此独立、随机原子或分子每次发光是

7、间歇的，持续时间非相干(不同原子发的光)非相干(同一原子先后发的光)..波列E2E1自发辐射凡能发光的物体称为光源。按照激发方式的不同，普通光源的发光过程有以下几种：热辐射：任何物体都向外辐射电磁波，当物体温度偏低时，辐射的主要是红外线，当温度比较高时，可以发射出可见光，温度更高时会发射紫外线等，这就是热能转化为光能的过程。电致发光：对光源物质采用电激发，使电能直接转化为光能的过程称为电致发光。如：太阳、白炽