第三章-物理光学.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,相位是时间和空间坐标的函数，表示平面波在不同时刻空间各点的振动状态。,3、1平面电磁波及方程,平面电磁波是在与传播方向正交的平,面上各点电场或磁场具有相同值的波,固定某一时刻 ，看波在空间的分布：,固定空间某点 ，随时间周期振动：,传播速度,波长,时间频率,任一方向振动的光矢量E可分解成两个互相垂直的分量,p分量：,平行于入射面振动,S分量：,垂直于入射面振动,反射定律和折射定律,2,n,1,q,1,n,2,q,1,q,o,E,1p,E,1s,E,1s,E,1p,E,2s,E,2p,x,z,合成,光强,求解干涉、衍射问题的方法,2、驻波,两个,频率相同、振动方向相同而传播方向相反,的单色光波的叠加形成,驻波,。,光强：,与z无关，波不会在z方向,上传播故这个波称为驻波,波节,波腹,Ey,Ex,3/22,Ey,Ex,=0,Ey,Ex,0/2,Ey,Ex,=/2,Ey,Ex,/2,Ey,Ex,=,Ey,Ex,a时，矩孔变为狭缝，,入射光在Y方向上的衍射效应忽略。,单缝衍射的复振幅分布为,x,1,y,1,1.复振幅分布计算,e,0,x,x,0,暗条纹的间隔,主极大值的边缘位置和宽度：,2.光强分布特点,P,E,y,1,x,1,y,P,0,x,O,a,圆孔衍射,1、复振幅分布计算,变为极坐标,CQ,P,E,y,1,x,1,y,L,2,P,0,x,O,r,1,r,设圆孔半径为 ，,则孔径函数变为,P点的强度与衍射角,有关，,或与r有关,。r相等的光强相同，,所以衍射图样是圆环条纹。,其中中央亮斑称为艾里斑，,它的半径满足：,艾里斑的半径：,相邻暗环间隔不等，次极大光强比中央极大小得多。,2r,0,结论：衍射大小与圆孔半径成反比，而与光波波长成正比,2.光强分布特点,光栅作用：,光栅：,4.3 衍射光栅,一、概述,分光作用,能对入射光波的振幅或相位进行空间周期性调制，或对振幅和相位同时进行空间周期性调制的光学元件。,光栅应用：,光栅光谱仪,1.光栅的分光原理,衍射角,q,与,l,有关,1,2,1,0,1,2,3,4,-1,-2,-3,-4,1,2,3,亮线位置公式,不同波长的同一级亮线，除零级外，均不重合，会发生色散,光栅光谱线：,对应于不同波长的各级亮线,光栅的夫朗和费衍射图样。,偏振光方程：,偏振光：,光矢量的方向和大小有规则变化的光,线偏振光：,光矢量方向不变，其大小随位相变化。,圆偏振光：,光矢量大小不变，其方向绕传播方向均匀转动，且矢量末端轨迹为圆。,椭圆偏振光：,光矢量大小和方向都在有规律地变化，且矢 量末端轨迹为椭圆,。,5 光的偏振和晶体光学基础,自然光,部分偏振光,部分偏振光,：,自然光在传播过程中，由于外界的作用 造成振动方向上,强度不等，使某一方向上的振动比其它方向上的振动占优势。,表示,：,部分偏振光,=完全偏振光+自然光,完全偏振光,I,p,=,I,max,-,I,min,偏振度：,消光比：,最小透射光强和最大透射光强之比。,消光比与最大透射比,（透过的最大光强之比）评价偏振器性能的主要参数。消光比小，最大透射比大，偏振器质量高,自然光,起偏器,检偏器,光电接收器,P1,P2,Ecos,5.1,马吕斯定律和消光比,起偏器,：,用来产生偏振光的偏振器件。,检偏器,：,用来检验偏振光的偏振器件。,当一束单色光在各向异性晶体的界面折射时，一般可以产生两束折射光，这种现象称为,双折射,。,2.寻常光（,o,光）和非寻常光（,e,光）,两束折射光中，有一束光遵守折射定律，称为寻常光（o光）；另外一束,一般,不遵守折射定律，称为非寻常光（e光）。均为线偏振光,一、晶体的双折射现象,3、光轴：,在双折射晶体中存在一个,特殊的方向,，当光束在这个方向传播时不发生双折射，此,方向,称为晶体的光轴。,格兰汤姆逊（,Glan-Thompson,）,棱镜,光垂直于棱镜端面入射时,方解石直角棱镜,胶合剂,e光,o光,树胶折射率接近非寻常光折射率,1.偏振,起偏,棱镜,自然光入射，其中一束线偏振光发生全反射，只出射另一束偏振光,格兰付科（,Glan-foucault,）,棱镜,空气薄层,优点：适用于紫外波段，能承受强光照射,缺点：孔径角小，透射比不高,e光,o光,渥拉斯顿棱镜（,Wollaston,）：,利用两个正交的光轴分解光。,材料：冰洲石，石英,2.偏振,分束,棱镜也称为双像棱镜,改变振动方向互相垂直的两束线偏振光的传播方向，,获得两束分开的线偏振光,f,f,洛匈棱镜,材料：石英,只允许光从左方射入棱镜,二、波片（位相延迟器）,o,光和,e,光通过波片时的光程差与位相差：,d,是波片厚度。,使两个振动方向相互垂直的光产生位相延迟。,制作：,用单轴透明晶体做成的平行平板，光轴与表面平行。,自然光,起偏器,检偏器,P,A,x,y,波片,光轴,波片最常用的材料：云母，石英，聚乙烯醇薄膜,则称该波片是1/4波片，1/4波片的最小厚度：,若,当n,0,n,e,时，e光超前，波片的快轴为e 矢量方向。,1、,/4波片,性质：,1)线偏振光入射时，出射光为椭圆偏振光,2)与快慢轴都成45度线偏振光入射，出射光为圆偏振光,3)可以使圆偏振光或椭圆偏振光变成线偏振光,4)对某一特定波长的光产生某一特定的相位变化,5)自然光入射，出射光为自然光,O,光和e光产生的光程差,称该晶片为二分之一波片,。,2、,/2波片,性质：,1）椭圆偏振光入射时，出射光仍为椭圆偏振光，只是旋向相反；,2）线偏振光入射时，出射光仍为线偏振光。若入射的线偏振光与快（慢）轴夹角为,，出射光的振动方向向着,快（慢）轴转动了2,。,3、全波片,称该晶片为全波片,。,性质：1）不改变入射光的偏振状态；,2）只能增大光程差。,6.1.爱因斯坦光子学说,光发射和吸收的能量都是光的某一最小能量的整数倍。最小的一份能量称为光子，光子的能量为：,普朗克常量,辐射频率,光是一束能量为 的光子组成的粒子流,爱因斯坦光电效应方程,动能,脱出功,6.激光基础,加热,波耳兹曼（Boltzmann）定律,许多气态物质，特别是金属蒸气，加热易发光,基态,较高能级,跃迁,激发,2.激发方式,发射光子,两种途径,1）直接回到基态,2）通过中间能级回到基态,荧光,共振辐射,基态,高能级,受激吸收,吸收光子,跃迁,辐射激发,碰撞激发,氢灯、汞灯、钠光灯的激发方式,机理,阴极,电子,发射,电场作用,获得动能的电子,碰撞,原子,能量传递,高能级的原子,激发,共振转移,基态的原子,激发态的原子,碰撞,跃迁,激发态,基态,回到,电致发光方式如：气体放电光源氢灯、汞灯等,6.2 激光的基本原理,受激辐射光放大,雪崩似地放大,自发辐射发光,激光,产生激光的装置激光器,一、激光器运转的物理过程,用激发方式或其它方式（如化学反应方式），把低能级的原子激发到高能级上泵浦,不稳定的高能级原子会下降到亚稳态能级，造成亚稳态能级与基态能级间的粒子数反转,亚稳态能级上的原子跃迁到基态，自发辐射出各个方向的光子,光学谐振腔从光子中选择沿腔轴线方向传播的光子，将它反馈回来，再刺激亚稳态上能级上的原子，造成受激发射，产生成倍增加的光子,再反馈，如此往复，就可以产生“雪崩”般的效果，激光束就从腔的端面射出,二、激光器的组成,泵浦源,工作物质,谐振腔,1.工作物质,能被激发至粒子数反转的原子或分子集合激活介质,是产生激光的内因,能级结构决定产生激光的频率,激光器根据工作物质分类,气体,固体,半导体,如He-Ne激光器,如红宝石激光器,半导体激光器,光放大器,2.泵浦源,将低能级的原子激发到高能级上，并实现粒子数的反转,是产生激光的重要外因,3.谐振腔,产生激光振荡，形成光子的雪崩式放大光子的共振,是产生激光的重要外因,由反射比很高的一对光学反射镜作端面的腔体,对于粒子数反转的介质，光和介质相互作用的结果，由于受激发射大于受激吸收，光场被加强，光被放大,作用,：使得发射沿腔轴向的光子遇到腔端面后可以被反射回到工,作介质中，使得光子在工作介质中来回振荡，使得放大作用持续。,