波动光学知识结构框架

波动光学知识结构框架波动光学是以光的波动性为基础，研究光的传播及其规律问题。波动光学主要分为光的干涉、衍射和偏振等。1.光的干涉光的干涉现象通常表现为若干个光波（成员波）相遇时产生的光强分布不等于由各个成员波单独造成的光强分布之和，而出现明暗相间的条纹。相应的光波称为相干光。产生光的干涉的相干条件是：各光波的频率相同；各光矢量的振动方向平行，且振幅相差不大；光波之间的相位差恒定。由于普通光源发出的光波是由大量光波列组成的，频率一般不相同，波列的光振动方向及相位差也随时间无规则变化，所以一般的普通光源或同一光源不同部分发出的光波是非相干的。杨氏干涉实验用分波前的方法实现了光的干涉。如图1所示，两个狭缝S1、S2长度方向彼此平行，单缝被照亮后相当于一线光源，发出以S为轴的柱面波。由于S1和S2关于S对称放置，S在S1和S2处激起的振动相同，从而可将S1和S2看看作两个同位相的相干波源，它们发出的光波在屏上相遇后发生相干叠加，出现了明暗相间的平行条纹——干涉条纹。图1杨氏双缝干涉实验明纹暗纹的位置是：相邻明纹和暗纹的间距为：当两相干光不在同一介质中传播时，需用光程将光波在介质中通过的路程折合到同一时间内在真空中通过的相应路程。在正空中传播的路程为x=nr，两光波之间的光程差(都在dDx真空中传播)为𝛿=𝑟1−𝑟2而两光波之间的相位差与光程差的关系为∆𝜑=2𝜋𝜆𝛿除了用分波前方法获得相干光外，分振幅法也是一种获得光干涉的常用方法。分振幅法中比较典型的是等厚干涉。等厚干涉是由平行光入射到厚度变化均匀、折射率均匀的薄膜上、下表面而形成的干涉条纹。薄膜厚度相同的地方形成同条干涉条纹，故称等厚干涉。牛顿环和劈尖干涉都属于等厚干涉。等厚干涉的条件为另外，根据光的干涉原理制成了精密测量仪器迈克尔逊干涉仪，通过观测相应条纹的变化来测量待测物质的性质，如厚度、折射率等。2.光的衍射光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，光将偏离直线传播的途径而绕到障碍物后面传播的现象，叫光的衍射。惠更斯-菲涅耳原理是以波动理论解释光的传播规律的基本原理。它是在惠更斯原理的基础上发展而得的，是研究衍射现象的理论基础，可作为求解波（特别是光波）传播问题的一种近似方法。主要内容为：行进中的波阵面上任一点都可看作是新的次波源，而从波阵面上各点发出的许多次波所形成的包络面，就是原波面在一定时间内所传播到的新波面。本书中主要讨论的是平行光的衍射，夫琅禾费衍射。把单色点光源放在透镜的焦点上，经过透镜后的单色平行光垂直照射衍射屏时，在屏后面不同距离上会观察到一些衍射现象，其中当屏远离到足够大的距离后，光斑中心出现一个较大的亮斑，外围是一些较弱的明暗相间的同心圆环，此后再往外移动，衍射花样出现稳定分布，中心处总是亮的，只是半径不断扩大而已，这种衍射称为夫琅禾费衍射。单缝夫琅禾费衍射的暗纹和明纹条件为利用多缝衍射原理使光发生色散的元件称为衍射光栅。光栅—大量等宽等间距的平行狭缝(或反射面)构成的光学元件。如图2，当光程差等于入射光波长λ的整数倍时，各缝射出的聚焦于屏幕上P点的衍射光因相干叠加得到加强，形成明纹(主极大)。产生条件为暗纹条件是，N为光栅的狭缝数目。图2衍射光栅另外，劳厄提出用晶体作为X射线的天然三维衍射光栅。X射线经过晶体时，向各方向发出子波，这些子波发生干涉，从而形成劳厄斑。各层散射射线相互加强而形成亮点的条件是：即布拉格公式。3.光的偏振光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象叫做光的偏振。只有横波才能产生偏振现象，故光的偏振是光的波动性的又一例证。在垂直于传播方向的平面内，包含一切可能方向的横振动，且平均说来任一方向上具有相同的振幅，这种横振动对称于传播方向的光称为自然光（非偏振光）。凡其振动失去这种对称性的光统称偏振光。kbasin)(Nmbasin)(偏振光一般分为五种：线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光、自然光和部分偏振光。马吕斯定律可确定偏振光强度变化的定量关系，如果入社偏振光的强度为𝐼0，透射光的强度为I，则有𝐼=𝐼0𝑐𝑜𝑠2𝛼，式中α是线偏振光的光振动方向和检偏器偏振化方向之间的夹角。经过检测，可知反射光和折射光都是部分偏振光。反射光的偏振程度取决于入射角i。布儒斯特定律指出，当自然光以布儒斯特角入射到两不同介质的表面时，其反射光为线偏振光，光振动垂直于入射面。布儒斯特角：4.光的双折射光束入射到各向异性的晶体，分解为两束光而沿不同方向折射的现象成为双折射。双折射晶体的一个重要用途是制作波晶片。波晶片是从单轴晶体上切割下来的平行薄片，其表面与晶体的光轴平行。当平行光垂直于晶体表面入射时，在波晶片内分成o光和e光。若波晶片厚度为d，则o光和e光通过波晶片后的光程差、相位差分别为，120tannnidnnLeo)(dnneo)(2