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1、第第1616章章 光光学学 16.1 光的传播与偏振 16.2 光的干涉 16.3 光的衍射 v 十七世纪下半叶 牛顿：光的微粒说惠更斯：光的波动说 十九世纪初 托马斯 杨：双缝干涉实验、直边衍射现象 菲涅尔：光的波动理论 十九世纪中叶 麦克斯韦：光的电磁波理论 十九世纪末二十世纪初 爱因斯坦：光子假设 光的量子说 简短的历史回顾 几何光学: 以光的直线传播为基础，研究光在 透明介质中的传播问题。 波动光学: 以光的波动性为基础，研究光的传播 及其规律。 量子光学: 以光和物质相互作用时所显示出的粒 子性为基础，来研究光的一系列规律。 现代光学: 反映了光学进一步与各个科技领域的 紧密结合。
2、16.1 原子发光模型 一、光源和光谱: 光源：发光的物体 类型： 普通光源(自发辐射) 激光光源(受激辐射) 热（辐射）光源 白炽灯、弧光灯、太阳 非热辐射光源（冷光源） 气体放电管、日光灯、萤火虫 v 光谱光的强度按频率（或波长）的分布 光源种类： 1、线谱(或带谱)光源，如气体放电管、钠 光灯、水银灯、日光灯等； 2、连续谱光源（或热辐射光源） 如白炽灯、弧光灯、太阳等。 H2 Hg Na 400nm500nm600nm700nm 原子发光 激发态寿命 10-1110-8 s 自发辐射 一定频率，长度有限的光波列 二、原子发光模型 E1 E2 基态 激发态 能级 普朗克常数: 原子光波列
3、 普通光源发光的两个特点： 随机性：不同原子的发光是随机的，同一原子先后 每次的发光也是随机的, 所发出的各波列在振动方向 , 频率, 振幅和振动初位相都各不相同。 间歇性：各原子发光是断断续续的,平均发光时间t 约为10-8秒,所发出的是一段一段长为 L=ct 的光波列 。 普通光源发光:大量原子持续、随机地发射的光波列 ：频谱宽度 或 理论可证明： 波矢 0 o I I0 I0 /2 有限长的单色波列 单色波:或 16.2 16.2 光的偏振现象光的偏振现象 一、（完全）偏振光 1、线偏振态（平面偏振态） 光矢量在传播中始终保持在一个固定平面上振 动。 垂直 平行 2、圆偏振态 光矢量绕绕
4、着光的传传播方向旋转转，光矢量的端点 轨轨迹是一个圆圆 右旋圆圆偏振光与左旋圆圆偏振光: 右旋圆偏振光 迎着光线线看，矢量顺时针转顺时针转 的称右旋圆圆偏振 光, 光矢量逆时针转时针转 的称左旋圆圆偏振光 y y /2 某一时刻 E 的波形图如下，判断是左旋还是 旋圆偏振光 右旋 y z 0 左旋 x y 圆偏振态可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的 、周相差为/2 线偏振光。 圆偏振光波不仅携带能量和动量，还有角动量 3、椭圆偏振态 光矢量绕着光的传播方向旋转，光矢 量的端点轨迹是一个椭圆。 也有右旋椭圆偏振光与左旋椭圆偏振光 右旋椭圆 偏振光 椭圆偏振态可分解为两束振动方向相互垂 直的、
5、不等幅的、周相差恒定的 线偏振光的叠 加。 二个相互垂直、同频率、相位差确定的线偏振光的叠加 当 时为椭圆偏振光 当 ，且振幅相等时为圆偏振光 椭圆（圆）偏振光 光源上一个原子一次发出的是一个线偏振光 波 列，持续时间约10-8秒。 各原子是独立地、随机地发光的。光矢量的 大小、方向、初位相等等也是随机的。 在我们观察的时间t 内,在哪个方向都不占 优势了，它们对其传播方向形成轴对称分布。 二、自然光（非偏振光） 这种大量振幅相同、有各种振动方向、彼此没有固定 相位关系的光矢量的组合叫非偏振光或自然光 没有优势方向 自然光的光强 自然光用图表示为 一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直 的、等
6、幅的、不相干的线偏振光。 自然光的分解 三、部分偏振光 光强的分布不是轴对称 光矢量的振动方 向不具有轴对称 分布，而是在某 一方向占优势, 称部分偏振光， 它介于自然光与 线偏振光之间。 部分偏振光的分解 部分偏振光 部分偏振光的图示 四、偏振片 偏振片是以利用晶体的各向异性（对某一方 向的光振动有强烈吸收：消光方向，另一方向 可以通光：称为偏振化方向）起偏. 类似机械波通过狭缝 通光方向 线偏振光通过偏振片P前后的光强关系： 五、 Malus 定 律 I0 I P 式中 是线偏振光的光 振动方向与检偏器透振 方向间的夹角 P E0 E=E0cos 消光 改变，I 随之改变 线偏振光 偏振片
7、 屏 一束光强为I0的线偏振光，透过检偏器以后，透射 光的光强为 I=I0cos2 称为马吕斯定律。 若光源为自然光 自然光 偏振片 屏 自然光入射，出射光强为 证明： 六、 检偏 用偏振器件分 析、检验光束的 偏振状态称“检偏 ”。偏振片既可“ 起偏” 设入射光是自然光 、线偏振光、或部 分偏振光，如何用 偏振片来区分它们 ？ 又可“检偏” 例：如图， 在两偏振化方向垂直的P1与P2之间放 置另一偏振片P3，求 I2=?， 但，对部分偏振光通过偏振片 立体电影 在拍摄玻璃窗内的物体时，去掉反射光的干扰 未装偏振片 装偏振片 The photograph is Anaglyph image.
8、You can see in 3D with Red-Blue glasses 16.3 16.3 反射和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振 实验表明: 反射光中垂直入射面的分 量比例大； 折射光中平行 入射面的分量比例大。 入射角 i 变, 反射、折射 光的偏振度也变 自然光反射和折射 后产生部分偏振光 一、布儒斯特角 当 i=ib 时,反射光中只有垂直入射面的分量，并 且有 线偏振光 起偏振角 ib起偏角，或称布儒斯特角 由折射定律有 布儒斯特定律 例: 若 n1=1.00(空气)，n2=1.50(玻璃)。 互余 空气玻璃 玻璃空气 = = = - - 4233 50 . 1 00. 1
9、1856 00. 1 50. 1 1 b 1 b tani tani 二、布儒斯特定律 线偏振光 起偏振角 要提高反射线偏振光的强度， 可利用玻璃片堆的多次反射。 空气玻璃 b = 4233 i 玻璃空气 b = 1856i (反射光是完全线偏振光 强度几乎50%) ib ib ibib ib ib 三、玻璃片堆 a stack of glass plates 演示：玻璃片堆 应用：外腔式激光管加装布儒斯特窗,可得到偏振性 极好的激光，同时还可减少反射损失。 假如封闭管子两端的玻璃窗口是垂直于管轴线 的玻璃片，那么自然光每经过一个窗口表面就有 大约4%的反射损失。光在M1 M2之间来回反射时 ，每个单程要4次穿过窗口表面。这样反射损耗太 大就不能形成激光。 i0i0 激光输出 布儒斯特窗M1M2 i0 i0 思考 i0 . . . . . . . . . i i0 i0 . . . . i . . .
