光的基本性质PPT课件.ppt

第四章 材料的光学性能本章内容Ø光的基本性质Ø光的反射与折射Ø光的吸收与散射Ø光的发射请思考•为什么材料具有颜色？•为什么材料能够发光？发光的方式有哪些？•为什么某些材料透明，某些材料不透明？•为什么某些材料具有一定的光泽？•光学性能测试有哪些？各自有什么用途？第一节 光的基本性质Ø光学研究的历程Ø光的性质Ø光的传输1.光学研究的历程光的现象光的微粒说（牛顿）光的波动说（胡克，惠更斯）光的电磁说（麦克斯韦）光的波粒二象性（普朗克，爱因斯坦）光的直线传播光的干涉光的衍射电磁波谱光谱? 对光的认识也随科技的发展不断进步墨子 光沿直线传播 小孔成像笛卡尔 光的折射与反射定律牛顿 光的粒子性惠更斯 光的波动性 托马斯·杨 光的干涉与衍射麦克斯韦 光是一种电磁波迈克尔孙 光速的测定普朗克 光的量子学说爱因斯坦 光量子——波粒二重性（粒子性和波动性）狄拉克 电磁场的量子化－结合波动与量子光的应用 激光、光纤、发光二极管... ...光的微粒说•17 世纪为牛顿所提倡；•光是一种高速微粒，从光源沿直线行进至被照物；•直观地解释了光的传播、反射及折射等现象，曾被普遍接受。

光的波动说•荷兰人惠更斯于17世纪初创立，经托马斯·杨等证实；•光是一种波动，由发光体引起，和声一样依靠媒质来传播，随后被证实为一种电磁波；•能够解释光的传播、干射、衍射、散射、偏振等许多现象；•但不能解释光与物质相互作用中的能量量子化转换的性质光的电磁说•麦克斯韦1865年理论上预言，赫兹1888年通过实验证实；•光是一种电磁波，在空间中电磁场的方式传播麦克斯韦方程组首次系统地把电和磁在理论上统一起来麦克斯韦，英国物理学家“一般地，宇宙间任何的电磁现象，皆可由此方程组解释 融合了电/磁的高斯定律、安培定律、法拉第定律预言了电磁波的存在1831—1879或物理学中的“大统一”思想Ø牛顿首次将天上和地上的运动规律统一起来，实现第一次大综合Ø麦克斯韦把电、磁、光统一起来，实现第二次大综合Ø爱因斯坦试图把自然界中的4种作用力统一起来，实现物理学中真正意义上的“大一统”基本作用力基本作用力万有引力万有引力电磁作用力电磁作用力弱相互作用力弱相互作用力强相互作用力强相互作用力是一种力，是一种力，1979年年Nobel物理学奖物理学奖萨拉姆、格拉肖、温伯格萨拉姆、格拉肖、温伯格（巴基斯坦人）（巴基斯坦人）光学的分支•几何光学•物理光学•量子光学以光的直线传播理论、折射与反射定律为基础。

从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生的现象的学科，也称作波动光学从光子的性质出发，来研究光与物质相互作用的学科以麦克斯韦定律、电动力学为基础以量子力学、量子电动力学为基础从几个基本原理出发，来研究光的传播问题的学科第一节 光的基本性质Ø历史回顾Ø光的性质Ø光的传输2. 光的基本特性•波粒二象性•偏振性•电磁性•干涉与衍射① 波粒二象性光子光子的能量光子的动量Ø 光子：光波辐射的最小能量单元，不可再分Ø 光波可以看作光子的概率波Ø 光子没有静止质量，不带电荷徳布罗意物质波假说徳布罗意，法国物理学家徳布罗意，法国物理学家波粒二象性是所有物质的固有特性物质波（徳布罗意波）是一种几率波物质波（徳布罗意波）是一种几率波徳布罗意延伸了爱因斯坦的假说，在量子力学理论的发展中徳布罗意延伸了爱因斯坦的假说，在量子力学理论的发展中作出了开创性的贡献作出了开创性的贡献光子，电子，声子，一切基本粒子OzAOzA光的偏振性是判断光波是横波还光的偏振性是判断光波是横波还是纵波的重要依据是纵波的重要依据纵波：纵波：振动方向沿传播方振动方向沿传播方向，因此振动方向相对于向，因此振动方向相对于垂直面垂直面A来说是来说是对称对称的。

的横波：横波：振动方向垂直于传播方向，因振动方向垂直于传播方向，因此振动方向相对于垂直面此振动方向相对于垂直面A来说是来说是不不对称对称的称此现象为偏振称此现象为偏振理论和实验证明，光波是横波理论和实验证明，光波是横波 光具有偏振性，称为光的偏振光具有偏振性，称为光的偏振E播播传传方方向向振振动动面面② 光的偏振性偏振光偏振光= = 部分偏振光部分偏振光1 1、、线线偏振光偏振光2 2、、圆圆偏振光偏振光3 3、、椭圆椭圆偏振光偏振光偏振光偏振光+ +自然光自然光1 1、部分、部分线线偏振光偏振光2 2、部分、部分圆圆偏振光偏振光3 3、部分、部分椭圆椭圆偏振光偏振光只沿单一方向振动的光部分偏振光可以看成是自然光和线偏振光的混合1 1）线）线偏振光偏振光振动面振动面u u右旋右旋椭圆椭圆偏振光偏振光2））椭圆椭圆偏振光和偏振光和圆圆偏振光偏振光（平面偏振光）（平面偏振光）3））自然光自然光特点特点（（1 1）在垂直光）在垂直光线线的平面內，光的平面內，光矢量沿各方向振矢量沿各方向振动动的的几几率均等率均等. .（（2 2）可以看成由）可以看成由两个两个振振动动方向方向相互垂直，振幅相等，互不相相互垂直，振幅相等，互不相干线干线偏振光的偏振光的叠叠加。

加X XY YZ Z能够起偏的光学器件叫起偏器，常用的是偏振片偏振片自然光经过媒质的吸收、反射、透射后使某一方向的光振动减弱甚至消失，这种取向作用称为起偏偏振片的用途透明玻璃片透明玻璃片涂有硫酸碘奎宁等材涂有硫酸碘奎宁等材料的透明簿膜料的透明簿膜偏振片: 只允许某一个方向的光振动透过的装置能够有选择地吸收某方向的光振动，而让与这个方向垂直的光振动通过物质的这种性质称为二向色性 ▲ ▲ 起偏器起偏器: : 偏振光I0I0/2▲ ▲ 检偏振器检偏振器偏振光偏振光光强为零光强为零 ( (消光消光) )光强不变I0I0I0/2I0偏振化方向部分偏振光照射时？部分偏振光照射时？I0/2偏振片的用途d晶片晶片C 偏振片偏振片P2偏振化方向偏振化方向 单色单色自然光自然光偏振片偏振片P1偏振化方向偏振化方向光轴方向光轴方向偏振光干涉装置偏振光干涉的分析振幅关系椭圆偏振光椭圆偏振光线偏振光线偏振光相干偏振光总的位相差为相位关系偏振光的应用•汽车车灯•偏振太阳镜•观看3D电影•LCD显示屏•椭偏仪椭偏仪用途：测量薄膜的厚度、折射率等原理：利用偏振光束在界面或薄膜上的 反射或透射时出现的偏振转换。

③ 光的电磁性Ø光波是一种横波Ø场矢量E和H彼此正交，且均与波的前进方向垂直，其振幅大小成正比，相位相同Ø光强与场矢量E和H的振幅平方成正比，沿波传播方向前进SEH光强：光强：可见光七彩颜色的波长和频率范围可见光七彩颜色的波长和频率范围人眼最为敏感的光是黄绿光，即人眼最为敏感的光是黄绿光，即附近④ 光的干涉和衍射Ø杨氏双缝干涉实验Ø油膜在光的照射下呈现五颜六色Ø衍射 几列波相遇之后， 仍然保持它们各自原有的特征（频率、波长、振幅、振动方向等）不变，并按照原来的方向继续前进，好象没有遇到过其他波一样.波的叠加原理•红绿光束空间交叉相遇 (红是红、绿是绿，…)•听乐队演奏 (仍可辨出不同乐器的音色、旋律)•空中无线电波很多 (仍能分别接收各个电台)实例 振动方向相同、频率相同、初相相同或有恒定相位差，为相干光相干光光的相干性一、光波叠加原理产生干涉的必要条件 两束光的频率相同，即为相干光相干光计算两列光的合成光强干涉项自然光合成光强：光矢量平行二、光的相干叠加（（1）不相干情况）不相干情况（（2）相干情况）相干情况ImaxIminI2p4p-2p-4p0 英国医生兼物理学家托马斯.杨（T.Young），在1801年首先成功地进行了光的干涉实验，这是最早从单一光源产生相干光的方法——分波阵面法。

一、杨氏双缝干涉实验SdD现象现象p·r1  r2 xx0xI xxDdo单色光入射单色光入射真空中：真空中：d d >>>>λλ，，D >> d D >> d 波程差：波程差：相位差：相位差：明纹明纹 暗纹暗纹 杨氏双缝干涉光强分布迈克森干涉SM1M2迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪1. 结构结构2. 原理原理若若M1平平移移 d时时，，干干涉涉条条移移过过m条条，则有：，则有：3. 应用应用由此可测量：微小位移、折射率由此可测量：微小位移、折射率 M1、、M2平行平行 等倾条纹等倾条纹 M1、、M2有小夹角有小夹角 等厚条纹等厚条纹单缝衍射杨氏双缝干涉中考虑缝有宽度杨氏双缝干涉中考虑缝有宽度 当圆孔的直径 d 与光波的波长λ相比拟时，形成明暗相间的条纹——衍射衍射P点的光强取决于狭缝上各子波源到点的光强取决于狭缝上各子波源到此的光程差此的光程差 光强分布如何表示？光强分布如何表示？对应沿不同方向传播的光，狭缝波阵面可分的半波带数不同，这个数目决定了该衍射方向的光强明纹明纹暗纹暗纹光强分布k=1,2,3,…光的分辨率瑞瑞利利分分辨辨率率 定义定义 分辨本领分辨本领恰好可分辨！恰好可分辨！人眼瞳孔：人眼瞳孔：D =2~6mm  =68 ~23  望远镜：望远镜： DM = 6m  = 0.023  电子显微镜电子显微镜      R 例题：例题：汽汽车二前灯相距车二前灯相距1.2m，，  =600nm 人眼瞳孔人眼瞳孔直径为直径为 5mm。

对迎面而对迎面而來來的的汽汽車車，离，离多多远能分辨出两盏远能分辨出两盏亮灯？亮灯？解：人眼的最小可分辨角解：人眼的最小可分辨角1.2m第一节 光的基本性质Ø历史回顾Ø光的性质Ø光的传输3. 光在传输过程中发生的现象 光的发射 光的反射 光的透射 光的吸收基本类型：电致发光、荧光、磷光、激光镜面反射、漫反射折射、双折射、色散散射 小结•专业术语•光的基本特性•光的物理本质光子 波粒二象性 偏振光 光的干涉与衍射波粒二象性 偏振性 电磁性 干涉与衍射波粒二象性 。