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本课件讲解波动光学：由光源相干性出发讨论双缝干涉、光程差、等倾与等厚条纹、牛顿环与迈克耳逊干涉仪；随后用惠更斯-菲涅耳原理处理单缝衍射，讨论分辨本领、光栅与X射线衍射；最后介绍自然光、线偏振光、马吕斯定律与晶体双折射。
波动光学第三章光的干涉第四章光的衍射第五章光的偏振
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牛顿的微粒说：人类对光的认识过程光的直线传播→微粒→以力学定律运动，解释了反射、折射解释牛顿环：“发生了容易的反射和折射”惠更斯创立波动说：惠更斯原理波动说由托马斯·杨、菲涅耳的实验验证19世纪，法拉第、麦克斯韦、赫兹→光是电磁波，媒质是以太年，普朗克提出量子论→光子，解释了热辐射、光电效应、光压现象——微粒性光的干涉、衍射、偏振证实光是波——波动性两种理论无法解释对方的现象→无法统一
20世纪，德布罗意提出物质波概念才得以统一光和物质一样都具有波粒二象性从整体看，光既不是纯粹的波，也不是纯粹的微粒，亦不是他们的混合物20世纪50年代以来，光学开始了一个新的发展时期激光、纤维光学（光纤）、红外技术光学分类几何光学——光的直线传播规律物理光学波动光学量子光学——干涉、衍射、偏振——光和物质的相互作用现代光学年梅曼第一台红宝石激光器非线性光学、激光光谱、信息光学、全息、光纤通讯、集成光学、统计光学等
2.激光光源：受激辐射 =(E2-E1)/hE1E2 完全一样(频率,位相,振动方向,传播方向)二.相干光的获得干涉条件：同频、同方向、恒定相差··自身相干pS*分波面法分振幅法·p薄膜S*相干长度
§2杨氏双缝干涉一.双缝干涉p·r1 r2 xx0xI 单色光入射d>>λ，D>>d(d 10-4m,D m)波程差：相位差：明纹条件：暗纹条件：
二.光强分布若I1=I2=I0,光强曲线I0 2 -2 4 -4 k012-1-24I0x0x1x2x-2x-1 相长干涉（明） 相消干涉（暗）
四.菲涅耳双镜干涉菲涅耳双镜洛艾镜
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§3光程一.光程、光程差•真空中•媒质中光程:光程差:
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…………n1n2nmd1d2dm 光程差：δ=L2-L1[例]·光程：L= (nidi)由明纹：暗纹：求：P点相差。
二.使用透镜不会产生附加光程差S acb··S物点到象点各光线之间的光程差为零最好的透镜中心偏差为3.5/10000～1/10000mm。
§4薄膜干涉（一）——等倾条纹一.点光源照明时的干涉条纹分析光束1、2的光程差：得LfPoBen1n1n2>n1irACD··21Siii
明纹暗纹倾角相同的光线对应同一条干涉条纹—等倾条纹。
条纹特点:一系列同心圆环光程差LfPoBen1n1n2>n1irACD··21Si。
二.面光源照明时，干涉条纹的分析ifoen n n>n 面光源···只要入射角相同，都将汇聚在同一个干涉环上（非相干叠加）灿烂阳光下五彩缤纷的油膜透射光条纹与反射光相反（互补）
§5薄膜干涉(二)——等厚条纹一.劈尖（劈形膜）夹角很小的两个平面所构成的薄膜 e n n n·A反射光2反射光1入射光(单色平行光垂直入射) 光程差明纹：暗纹：同一厚度对应同一级条纹——等厚条纹 ekek+1明纹暗纹
工件缺陷有多深。
例：两个直径有微小差别的彼此平行滚柱之间的距离为L，夹在两块平晶之间，形成空气劈尖，单色光入射时，产生等厚条纹，如果减小L，则在范围内干涉条纹的A.数目减少，间距变大B.数目不变，间距变小C.数目增加，间距变小D.数目减少，间距不变Lλ。
劈尖的应用:•测波长：已知θ、n，测可得λ•测折射率：已知θ、λ，测可得n•测细小直径、厚度、微小变化•测表面不平度等厚条纹待测工件平晶干涉膨胀仪
二.牛顿环.S分束镜显微镜o erR·平晶平凸透镜 暗环牛顿环装置简图平凸透镜平晶光程差：明环： 暗环：条纹特点：r=0暗环，r越大条纹越密，透射条纹与反射条纹互补
牛顿环的应用：•测透镜球面的半径R：已知 ,测m、rk+m、rk，可得R。
•测波长λ：已知R，测出m、rk+m、rk，可得λ。
•检验透镜球表面质量标准验规待测透镜暗纹 对暗环。
例：如图，用单色光λ垂直照射透镜半径为的牛顿环，求反射光形成的牛顿环各暗环半径。
e0n＝1例：一牛顿环干涉装置各部分折射率如图示，大致画出反射光的干涉条纹分布。
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托马斯.杨
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§2单缝的夫琅禾费衍射一.装置 *Sff a 透镜L 透镜L·缝平面观察屏0δ二.半波带法(缝宽)S:单色光源 :衍射角中央明纹(中心) A→P和B→P的光程差
aθ1′半波带半波带12′两个“半波带”上发的光在处干涉相消形成暗纹。
•当时，可将缝分成三个“半波带”P处为明纹中心aλ/2θBAλ/2半波带半波带121′2′ 当时，可将缝分为两个“半波带”。
aλ/2BAθ形成暗纹。
•当时,可将缝分成四个“半波带”,•暗纹:•明纹(中心)：•中央明纹(中心)：1.单缝衍射明、暗纹条件•介于明纹中心与暗纹之间时,条纹逐渐变暗。
边缘模糊•衍射角θ愈大，条纹亮度愈小。
三.讨论。
例.在如图所示的单缝夫琅和费衍射实验装置中，S为单缝，L为透镜，C放在的焦平面处的屏幕。
当把单缝垂直于透镜光轴稍微向上平移时，屏幕上的衍射图样。
(A)向上平移。
(B)向下平移。
(D)条纹间距变大。
解：(1)两个第一级暗纹中心间的距离即为中央明纹的宽度
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刚可分辨非相干叠加不可分辨瑞利判据:对于两个等光强的非相干物点,如果其一个象斑的中心恰好落在另一象斑的边缘(第一暗纹处),则此两物点被认为是刚刚可以分辨。
2.光学仪器分辩本领ID**S1S20 最小分辨角重叠区中心光强是艾里斑中心光强的80％，人眼恰能分辨。
分辨本领不可选择，可显微镜：D不会很大，可望远镜：反射式望远镜牛顿式（年）卡塞格林式（年）电子显微镜λ～10-3nm,最小分辨距离10-1nm,放大倍数可达几万～几百万倍。
分辨本领不能用提高放大倍数的办法来提高。
二.光栅衍射焦距缝平面观察屏透镜L dsin d ab光栅常数光栅衍射特点：单缝衍射和多缝干涉的共同结果1.多缝干涉k= 0,1,2,3…光栅方程明纹(主极大)条件：
暗纹条件：由(1), (2)得：相邻主极大间有N－1个暗纹和N－2个次极大。
oP焦距缝平面观察屏透镜L dsin d 设：相邻狭缝相差为两个暗纹之间有一个次极大光强仅为主极大的4％两个主极大之间有个极小（暗纹）。
如N= 4,有三个极小1234 /241 1234 3 /20 /d-( /d)-2( /d)2 /dII0sin N=4光强曲线 /4d-( /4d)
(2).光强调制单sin 单-2-112( /a)0 /d-( /d)-2( /d)2 /dII0sin 光强曲线λθ透镜Iθθ衍射光相干叠加单sin 单-2-112( /a)光栅衍射条纹的是在单缝衍射调制下的多缝干涉
sin 0I单I0单-2-112( /a)单缝衍射光强曲线单048-4-8sin ( /d)单缝衍射轮廓线光栅衍射光强曲线sin N2sin2N /sin2 04-8-48( /d)多光束干涉光强曲线光栅衍射光栅衍射第4级主极大缺级
共5条主极大
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例.波长为的单色光垂直照射到一光栅上，测得第二级主极大的衍射角为30°，且第三级是缺级。
a）光栅常数等于多少。
b）透光缝可能的最小宽度等于多少。
c）在选定了上述和之后，求屏幕上可能呈现的主极大的级次。
解：（2）（3）k＝3缺级，k＝4看不到实际呈现k＝0，±1，±2（1）
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四.斜入射的光栅方程、相控阵雷达1.光线斜入射时的光栅方程dsin 光栅观察屏LoPf idsiniλ“±”的确定:•k确定时，调节i，则对应的 相应改变。
入射光、反射光在光轴的同侧时取“＋”。
异侧时取“－”。
•i改变，0级明纹位置改变，但条纹总数不变。
总光程差不变。
§5X射线的衍射一.X射线的产生年，伦琴射线准直缝晶体····劳厄斑证实了射线的波动性劳厄（Laue）实验（1912）-射线射线管+ :10-1 第一届诺贝尔物理奖原子内壳层电子跃迁产生的一种辐射和高速电子在靶上骤然减速时伴随的辐射，称为射线。
•在电磁场中不发生偏转•穿透力强劳厄获年诺贝尔物理奖。
晶面二.X射线在晶体上的衍射:掠射角d :晶面间距(晶格常数）每个原子都是散射子波的子波源散射光干涉加强条件：——布喇格公式（方程）布喇格父子获年诺贝尔物理奖。
三.应用在医学和分子生物学领域也不断有新的突破。
年英国的威尔金斯、沃森和克里克利用射线的结构分析得到了遗传基因脱氧核糖核酸（DNA)的双螺旋结构，荣获了年度诺贝尔生物和医学奖。
年，西格班研究伦琴射线光谱学获诺贝尔物理奖。
年，巴克拉发现元素的标识伦琴辐射获诺贝尔物理奖。
•已知、 可测d—X射线晶体结构分析。
•已知、d可测 —X射线光谱分析。
相控阵雷达车载型平面阵列球形阵列爱国者导弹
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第五章光的偏振光波性质：横波c 电矢量E、磁矢量有单一对应关系、同步性 在许多方面磁场的作用比电场的作用小的多 一般都选用电矢量代表光的振动——光矢量 光矢量的振动方向与传播方向构成一个平面——光的偏振性播传方向振动面
一.自然光没有优势方向自然光的分解自然光的表示法：···§1光的偏振状态沿光传播方向看自然光中在任意方向都是均匀分布的每一个光矢量都可以分解为x、y方向分量
二.线偏振光播传方向振动面线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解EEyExyx 线偏振光的表示法：·····光振动垂直板面光振动平行板面面对光的传播方向看线偏振光完全偏振光
三.部分偏振光部分偏振光的分解 部分偏振光 部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、不等幅的、不相干的线偏振光。
部分偏振光的表示法：垂直纸面的光振动较强······平行纸面的光振动较强···某一方向振动强于其他方向 部分偏振光可通过线偏光和自然光的合成得到。
右旋圆偏振光右旋椭圆偏振光传播方向 /某时刻右旋圆偏振光随的变化0四.圆偏振光,椭圆偏振光
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§2线偏振光的获得与检验一.起偏•起偏的原理：利用某种光学的不对称性•偏振片：•起偏：从自然光获得偏振光•起偏器:起偏的光学器件·非偏振光线偏振光光轴电气石晶片··硫酸碘奎宁、电气石或聚乙烯醇薄膜在碘溶液中浸泡后，在高温下拉伸、烘干形成了偏振片非偏振光I0线偏振光偏振化方向(透振方向)•偏振片的起偏···二向色性
二.马吕斯定律 I0IPPE0 E=E0cos 马吕斯定律（1809）——消光三.检偏用偏振器件分析、检验光的偏振态旋转一周2明2暗自然光部分偏振光?
例.一束光是自然光和线偏振光的混合光，让它们垂直通过一偏振片，若以此入射光束为轴旋转偏振片，测得透射光强度最大值是最小值的5倍，那么入射光束中自然光与线偏振光的光强比值为：[ A ](A) 1/2 ; (B) 1/5;(C) 1/3; (D) 2/3.
例.有三个偏振片堆叠在一起，第一块与第三块的偏振片化方向相互垂直，第二块和第一块的偏振化方向相互平行，然后第二块偏振片以恒定的角速度绕光传播的方向旋转，如图所示。
设入射自然光的光强为I。
通过这一系统后，出射光的光强何。
§3反射和折射光的偏振一.反射和折射时光的偏振i=i0时，反射光为线偏光i0—布儒斯特角或起偏角i0+r0= 由有—布儒斯特定律(年)·······n1n2iir·自然光反射和折射后产生部分偏振光······线偏振光··起偏振角
若n1=1.00(空气)，n2=1.50(玻璃)，则：二.玻璃片堆起偏和检偏当i=i0时············i0(接近线偏振光)··················玻璃片堆•在拍摄玻璃窗内的物体时,如何去掉反射光的干扰？
3.晶体的光轴当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射，该方向称为晶体的光轴。
例如，方解石晶体(冰洲石)AB光轴102°•光轴是一特殊的方向,凡平行于此方向的直线均为光轴。
单轴晶体：只有一个光轴的晶体双轴晶体：有两个光轴的晶体。
4.主平面主平面：晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面。
e光光轴光的主平面光光轴光的主平面····二.晶体的主折射率，正晶体、负晶体光矢量振动方向与晶体光轴的夹角不同,光的传播速度也不同。
振动方向⊥主平面 振动方向∥主平面只有光轴在入射面内时，o、e光的主平面重合。
vo t光轴光轴ve tvo to光:e光:n0，ne称为晶体的主折射率正晶体:ne> no负晶体:ne<光轴 根据n0，ne的关系可分为正、负晶体 晶体的二向色性：对光的选择吸收性
偏振光的应用 眼镜、车灯、玻璃 人工双折射—光弹性、高速光开关10－9s 旋光现象
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例.一束光是自然光和线偏振光的混合光，让它们垂直通过一偏振片，若以此入射光束为轴旋转偏振片，测得透射光强度最大值是最小值的5倍，那么入射光束中自然光与线偏振光的光强比值为：[ A ](A) 1/2 ; (B) 1/5;(C) 1/3; (D) 2/3.
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