同学们好 ！
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第十五章 波动光学
惠更斯 -菲涅耳
原理
应用于光波 波的叠加原理
光的电磁理论
光的干涉
光的衍射
光的偏振
*傅里叶
光学简介
光的横波性
应用于光波
学时,9
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第一节 光的电磁理论
一、电磁波的产生与传播
变化电场 变化磁场 ??
变化电场 磁场
变化磁场 电场
H?
E?
O S?
可脱离电荷、电流在空间传播 电磁波
HES ??? ??
电磁场同相振
荡，向外辐射
电磁波。
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光,可见光，电磁波中的狭窄波段
颜色,紫 ~ 红
?, 4000? ~ 7000?(3900 ? ~ 7600 ?)
?, 7.69?1014Hz ~ 3.95?1014Hz
二、电磁波谱
将电磁波按频率 (或波长 )排列起来即形成电磁波谱
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光波,交变电磁场在空间传播，电磁波谱的一小部分
光振动,
周期性变化大小、方向随 ttE,)(?
)c o s (0 ?? ?? tEE
光强, 2
0EI ?
相对光强,2
0EI ?
三、光的电磁理论
光矢量,引起视觉和感光作用:E?
HES ??? ??
O
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机械波源与光波波源特征不同
容易满足
相干条件
难以满足
相干条件
一般光源的发光机制,被激发到较高能级的原子跃迁
到低能级时，辐射出多余能量。
例,氢原子光谱巴耳麦系（可见光）
一个原子，一
次跃迁，发出
一个光波波列。
…
…
n
1
2
3
4 5
E1=-13.6eV
E2
E3
E4
??
hchE ???
2
1
n
EE ??
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断续、脉冲式
非严格单色波
持续时间有限
波列长度有限
s10~ 8?? t
tcl ????
频率一定
?hE ??
h
E???
振动方向一定
初相一定
…
…
n
1
2
3
4 5
E1=-13.6eV
E2
E3
E4
??
hchE ???
2
1
n
EE ??
I I
0
I0/2
? ?
??
谱线宽度
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不同原子发光、或同一原子各次发光
频率
振动方向
初相
具有随机性
不满足相干条件
时间至少为仪器或人眼反应—设观察时间为 ?
? ???????
?
??
0
212121 dc o s
12 IItIIIII
均匀分布，
非相干叠加
0
? 两普通光源或同一光源的不同部分是不相干的
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第二节 光的偏振
一、偏振现象
偏振,波振动对于传播方向不具有轴对称性
纵波,非偏振
横波,偏振 区分二者的标志
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二、光的偏振态
偏振光
自然光 完全偏振光
部分偏振光
线 (平面 )偏振光
椭圆偏振光
圆偏振光
? ?
? ?
?
1.自然光
每个光波列, 横波 — 偏振
一束光, 由于光振动方向的随机性,统计结果,各
种取向的光矢量振幅相等。
光
普通光源发光,
光矢量对传播方向均匀对称分布 — 非偏振
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x
y
z
.,,,,,,,,,,,,,
正交分解,
一对互相垂直，互相独立，振幅相等的光振动
无固定相位差,非相干叠加
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2,线偏振光
光振动只有一个确定方向（只有一个振动面）
3,椭圆偏振光
4,圆偏振光
光矢量旋转,
其端点轨迹为截面是 的螺旋线 椭圆 圆
.,,,,,,
A?
A?
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5.部分偏振光
自然光 +线偏振光
光振动在某方向上占优势
.,,,,,,,
三、起偏方法及规律
原理,
利用光在两种介质界面上的反射和折射
利用光在各向异性介质中的传播 偏振片
双折射
获得线偏振光
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n1
n2
ib ib
?
1,反射和折射起偏
? 一般情况下得部分偏振光
)( / / ??折射光仍为部分偏振光
?当入射角 ib满足
时
1
2a r c t a n
n
nii
b ??
反射光为线偏振光（ ⊥ ）
只折射不反射:// 又反射又折射:?
注意,
n1
n2
i
?
i
自然光入射 反射光 ? > ?? 折射光 ?? >?
垂直分量与平行分量比例随 i变
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由
1
2
s i n
s i n
n
nib ?
?
?s i nc o s ?bi
1
2ta n
n
ni
b ?
2
π?? ?
bi
反射线与折射线垂直
ib,布儒斯特角 (起偏振角 )
1
2ta n
n
ni
b ?
布儒斯特定律
n1
n2
ib ib
?
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? 光以 i = ib角入射，通过玻璃片堆折射
?, 自然光
入射
i0 ?
线偏振光
?
? ?
?
? ? ? ?
?
? ? ? ?
? ?
?
?
?
?
线偏振光
?
? ?
折射光,近似 线偏振光 ( ?? )
（垂直振动成分一次次被反射掉）
反射光,线偏振光 (?)
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练习 1)
bii ?
1
2a r c t g
n
ni
b ?
1n
2n
i
1n
2n
i
0i
1n
2n
0i
1n
2n
1n
2n
0i
1n
2n
i
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全
反
射
条件 关系式 现 象
起
偏
振
光密 ?光疏
0ii ?
1
2
0s in n
ni ?
无折射
线
i n1
n2
1
2t a n
n
ni
b ?
折射线
与反射
线垂直
光密 光疏
bii ?
ib n
1
n2
2) 试比较起偏角与全反射临界角
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偏振化方向
?原理, 晶体的二相色性：只让某一方向振动的光通
过，而吸收其他方向的光振动。
偏振化方向
?效果, 得到振动方向与偏振化方向相同的线偏振光
I0
02
1I
2,偏振片 (吸收 )起偏
E
吸收
通过
长链状
分子
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部分偏振光入射：自然光与线偏振光叠加
0I
自然光入射 偏振片
02
1 II ?
偏振片
?20 c o sII ?0I
线偏振光入射
:? 光振动方向与偏振片偏振化方向的夹角
? 强度变化规律, 马吕斯定律
?c o s1 AA ? ?22
2
1
0
c o s?? AAII
I0 I
?
A1
A2
A
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练习
1) 一束光强为 I0的自然光通过两个偏振化方向成
60?的偏振片后，光强为
?
02
1I ?
04
1I ?
08
1I ?
016
1 I
0
2
0
2
0 8
160c o s
2
1c o s
2
1 III ??? ??
0I 02
1I ?20 co s21 I
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求出射光的强度。
角，再偏转角，的偏振化方向竖直 偏转，其中
、连续通过偏振片的线偏振光组成，让它强度为
的自然光和由强度为一束部分偏振光可 视为
??
212
12
1
)2
PPP
PI
I
? ?
1I
2I
?221 c o s21 II ?
?? 2221 c o s)c o s21( ?? II
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3) 要让一束线偏振光的振动方向旋转 90?至少要几块
偏振片？如何放置？
????? 2s i n41s i nc o s)2π(c o sc o s 20220220 III ?????
出射光强最大,
04
1 I,45 时当 ???
至少两块 偏振片，如图放置,
? ?? ?2
?20 co sI
0I
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方解石晶体
3,双折射起偏
?双折射现象 光进入各向异性介质时，介质中
出现两条折射光线。
象 折射现
方解石晶体
双
纸面
折射现
1
2 e光 o
光
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寻常光 O,
遵守折射定律，在入射面内
恒量?? 0s ins in ni?
非常光 e:不遵守折射定律，一般不在入射面内
恒量??? eni?s ins in
O,e光均为线偏振光,
e
i
? ?? ?? e O
O
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4,散射起偏
自然光受到分子、原子散射后在特定方向成为线偏
振光。
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四、检偏方法及规律
检测线偏振光
起偏器（偏振片、尼科耳等）同时可作为检偏器
方法, 旋转检偏器，观测出射光强的变化情况
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每旋转检偏器一周，出射光
光强不变 —— 入射光为自然光 （或圆偏振光）
两次最强、两次消光 —— 线偏振光
两次最强、两次最弱，无消光 —— 部分偏振光
（或椭圆偏振光）
π,0?? 0II ?
2
π3,
2
π?? 0?I
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解, 1)
0NM I，设入射光强为偏振化方向平行为初态、以
例,图中,M为起偏器,N为检偏器，自然光垂直入射
?3 6 0NM)1 转不动，
2) M,N固定，偏振化方
向互相垂直。在 MN间放入
偏振片 C,C转动 360?。
曲线分别画出 ??I
M N
I0
02
1I ?2
0 cos2
1 I
出射光强,
)2c o s1(41c o s21 020 ?? ??? III
I
02
1I
2
π
2
π3π
o ?
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2,以 M,C 偏振化方向平行为初态
)4c o s1(162s i n81)2π(c o sc o s2 020220 ???? ????? IIII
M N C
I0
02
1I
?20 cos21 I
)2π(c o sc o s21 220 ?? ?I
I
08
1I
2π 2π3
π
o ?
π2
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一、偏振现象
二、光的偏振态
三、起偏方法及规律
偏振,波振动对传播方向非对称分布
区分横波和纵波的标志
利用光在两种介质界面上的反射和折射
利用光在各向异性介质中的传播：偏振片，双折射
? 马吕斯定律
? 布儒斯特定律