fang第十五章波动光学基础.ppt

Xi’an Jiaotong UniversityAiping Fang11 / 7 / 2012 11 / 7 / 2012 University physics AP Fang波源和观察者相向运动时符号为波源和观察者相向运动时符号为(+)(+)，，背离运动时背离运动时符号符号为为(-)讨论讨论:(3)(1) 当波源或观察者在二者联线当波源或观察者在二者联线垂直方向上垂直方向上运动时，运动时，无无多普勒频移多普勒频移 时，多普勒效应失去意义，时，多普勒效应失去意义，马赫角马赫角为光源和接收器的相对速度为光源和接收器的相对速度此时，形成冲击波此时，形成冲击波2) 应用应用:监测车辆行驶速度、测量血液流速、跟踪卫星等监测车辆行驶速度、测量血液流速、跟踪卫星等University physics AP Fang超音速飞机突破音障的瞬间超音速飞机突破音障的瞬间University physics AP Fang一警笛发射频率为一警笛发射频率为1500Hz的的声波，并以声波，并以22m/s22m/s的速度向某一的速度向某一方向运动，一人以方向运动，一人以6m/s的速度的速度跟踪其后。

跟踪其后观察者接收到的频率观察者接收到的频率( ( 波源和观察者同时运动波源和观察者同时运动 ) ) ：：警笛后方空气中声波的频率警笛后方空气中声波的频率( ( 观察者静止，波源运动观察者静止，波源运动 ): ):警笛后方空气中声波的波长警笛后方空气中声波的波长: :例例1：：解：解：该人听到的警笛发出的声音的频率以该人听到的警笛发出的声音的频率以及在警笛后方空气中声波的波长？及在警笛后方空气中声波的波长？求：求：University physics AP Fang一固定的超声波波源发出频率为一固定的超声波波源发出频率为v0=100 kHz 的超声波当一的超声波当一汽车迎面驶来时，在超声波所在处收到了从汽车反射回来的汽车迎面驶来时，在超声波所在处收到了从汽车反射回来的超声波其频率为超声波其频率为v=110 kHz设声波的速度为设声波的速度为 u=330m/s汽车作为汽车作为观察者接收到的频率观察者接收到的频率例例2：：解：解：汽车的行驶速度汽车的行驶速度求：求：汽车反射波汽车反射波(作为作为波源发出波源发出)在空气中的频率在空气中的频率所以，汽车的行驶速度为所以，汽车的行驶速度为University physics AP Fang(4) 电磁波的电磁波的多普勒效应多普勒效应经典多普勒效应：经典多普勒效应： 经典多普勒效应经典多普勒效应对光是不正确的。

对光是不正确的对于光波，有对于光波，有与空间有关与空间有关与时间有关与时间有关在相对论中，不同的惯性系中波长和在相对论中，不同的惯性系中波长和频率将不同，但两者的乘积恒为频率将不同，但两者的乘积恒为  多普勒效应的相对论方程多普勒效应的相对论方程假定光源以速度假定光源以速度向着观察者向着观察者运动，在观察者参照系中计算运动，在观察者参照系中计算设光源发出设光源发出个波，个波，在在S S 中测中测得在得在时间里，有时间里，有University physics AP FangS S 系观察者观测到的频率为系观察者观测到的频率为若光源频率为若光源频率为系中测得的系中测得的光源发出光波个数为光源发出光波个数为时间膨胀时间膨胀时间里，时间里，多普勒频移公式多普勒频移公式 当两者相互靠近时，观察者所收到当两者相互靠近时，观察者所收到的光源频率增加的光源频率增加 —— —— 蓝移蓝移，在光源，在光源 当两者相互分离时，观察者所收到当两者相互分离时，观察者所收到的光源频率降低的光源频率降低 —— —— 红移红移University physics AP Fang第第15章章 波动光学基础波动光学基础1 光是电磁波光是电磁波2 光的干涉光的干涉3 光的衍射光的衍射4 光的偏振光的偏振应用电磁场理论说明光的基本现象和性质应用电磁场理论说明光的基本现象和性质光波叠加和光强度呈现稳定的分布规律光波叠加和光强度呈现稳定的分布规律在光的衍射中，应用叠加原理说明光强分布在光的衍射中，应用叠加原理说明光强分布光矢量和光的各种偏振态及其变化光矢量和光的各种偏振态及其变化• 几何光学几何光学 ( Geometrical optics )• 波动光学波动光学 ( Wave optics )• 量子光学量子光学 ( Quantum optics )2012年诺贝尔物理学奖获得者：法国科学家沙吉年诺贝尔物理学奖获得者：法国科学家沙吉•哈罗什（哈罗什（Serge Haroche）与美国科学家大卫）与美国科学家大卫•维兰德（维兰德（David J. Wineland），获奖），获奖理由：突破性的试验方法使得测量和操纵单个量子系统成为可能。

理由：突破性的试验方法使得测量和操纵单个量子系统成为可能 University physics AP Fang15-1 光是电磁波光是电磁波 引引言言 （（1）微粒学说）微粒学说 ( Corpuscular theory )（（2）波动学说）波动学说 ( Undulatory theory )（（3）光波）光波 —— 具有波粒二象性的物质具有波粒二象性的物质一、电磁波的产生和传播一、电磁波的产生和传播由麦克斯韦电磁场理论可知：由麦克斯韦电磁场理论可知：电磁波电磁波 ＝＝ 交变电磁状态的传播交变电磁状态的传播凡做加速运动的电荷都是电磁波的波源凡做加速运动的电荷都是电磁波的波源例如：天线中的振荡电流例如：天线中的振荡电流分子或原子中电荷的振动分子或原子中电荷的振动University physics AP Fang二、电磁波谱二、电磁波谱 电磁波具有各种频率：无线电，微波，红外线，可见光，电磁波具有各种频率：无线电，微波，红外线，可见光，紫外线，紫外线，射线和射线和射线等2. 光是电磁波光是电磁波u诸多的现象和理论研究表明：光是电磁波诸多的现象和理论研究表明：光是电磁波。

1)光与电磁波的传播速度相等；都有反射、折射、干涉、光与电磁波的传播速度相等；都有反射、折射、干涉、 衍射、偏振性质衍射、偏振性质2)用电磁波理论研究光学现象的结果都说明光是电磁波用电磁波理论研究光学现象的结果都说明光是电磁波1. 电磁波谱电磁波谱University physics AP Fang• 可见光可见光 (visible light) —— 能够引起人的视觉的电磁波能够引起人的视觉的电磁波光色光色光色光色 波波波波长长(nm)(nm) 频频率率率率(Hz) (Hz) 中心波中心波中心波中心波长长 (nm) (nm) 红红 760~622 760~622 660 660 橙橙橙橙 622~597 622~597 610 610 黄黄黄黄 597~577 597~577 570 570 绿绿 577~492 577~492 540 540 青青青青 492~470 492~470 480 480 兰兰 470~455 470~455 460 460 紫紫紫紫 455~400 455~400 430 430 可见光颜色的波长和频率可见光颜色的波长和频率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。

附近University physics AP Fang由麦克斯韦电磁场理论可知：由麦克斯韦电磁场理论可知：三、平面简谐电磁波的波动微分方程三、平面简谐电磁波的波动微分方程设一平面简谐电磁波设一平面简谐电磁波当电场振动沿当电场振动沿轴正向传播时，有反映该振动的平面简谐波轴正向传播时，有反映该振动的平面简谐波用麦氏电磁场方程组可推出用麦氏电磁场方程组可推出University physics AP Fang  真空中：真空中：  介质中：介质中：折射率折射率 (Refractive index)四、平面简谐电磁波的性质四、平面简谐电磁波的性质(1) 电磁波是横波电磁波是横波 振动量振动量与波速与波速构成相互构成相互垂直的右手螺旋关系垂直的右手螺旋关系2) 电磁波的偏振性电磁波的偏振性分别在各自的振动面上振动分别在各自的振动面上振动——偏振偏振(3) 电场与磁场同相变化电场与磁场同相变化 振幅之间满足：振幅之间满足：University physics AP Fang(4) 电磁波的能量电磁波的能量 • 电磁波的能流密度电磁波的能流密度 • 坡印廷矢量坡印廷矢量 • 电磁波的强度电磁波的强度结论结论：：I 正比于正比于 E02 或或 H02, 通常用其相对强度通常用其相对强度表示表示University physics AP Fang五、光源和发光机理五、光源和发光机理1. 光源光源u光源：光源：u光源的分类光源的分类任何发光的物体都可以称为光源。

任何发光的物体都可以称为光源光谱：光谱：使光波中不同频率的光分开，形成光谱使光波中不同频率的光分开，形成光谱按光谱分为按光谱分为线谱光源线谱光源连续谱光源连续谱光源(1) 线谱光源线谱光源氢原子的巴耳末线系照片氢原子的巴耳末线系照片(2) 连续谱光源连续谱光源按激发按激发方式分方式分热辐射热辐射 电致发光电致发光 光致发光光致发光 化学发光化学发光 例如：太阳，白炽灯例如：太阳，白炽灯例如：闪电，霓虹灯，发光二极管等例如：闪电，霓虹灯，发光二极管等例如：日光灯，磷光物质例如：日光灯，磷光物质例如：例如：燃烧，燃烧，磷自燃，磷自燃，萤火虫萤火虫University physics AP FangUniversity physics AP Fangu自发辐射自发辐射2. 光源发光机理光源发光机理波列波列E2E1(1) 光光波列长度波列长度(2) 光光波列长度与波列长度与其其 单色性关系单色性关系由傅立叶分析可知由傅立叶分析可知c光波单色性光波单色性激光的特点：高定向性；高单色性；高亮度；高相干性激光的特点：高定向性；高单色性；高亮度；高相干性u受激辐射受激辐射(1) 激光：激光：基于特定能级间粒子数反转体系的受激辐射。

基于特定能级间粒子数反转体系的受激辐射2) 同步辐射光：同步加速器产生的辐射光同步辐射光：同步加速器产生的辐射光强度高；方向性好；偏振性好；强度高；方向性好；偏振性好； 稳定性好；波谱宽等稳定性好；波谱宽等同步辐射光的特点：同步辐射光的特点：University physics AP FangE2E1u新型光源新型光源(3) 光源中各光光源中各光波列之间关系波列之间关系非相干非相干(不同原子发的光不同原子发的光)非相干非相干(同一原子先后发的光同一原子先后发的光)相干光源：相干光源：同一原子的同一次发光同一原子的同一次发光University physics AP Fang一、光波的叠加一、光波的叠加15-2 光波的叠加光波的叠加干涉项干涉项PS1S2r1r2··P点合光强为点合光强为University physics AP Fang讨论讨论1. 非相干叠加非相干叠加即即不恒定不恒定 非相干叠加时非相干叠加时(1)(2)(3)University physics AP Fang(1) 相长干涉（明）相长干涉（明）(2) 相消干涉（暗）相消干涉（暗）2. 相干叠加相干叠加如果如果如果如果University physics AP Fang(3) 可见度可见度二、二、 相干条件、相干光源相干条件、相干光源干涉相长干涉相长(4) 若若干涉相消干涉相消相干光源：相干光源：同一原子的同一次发光；同一波列上的两点同一原子的同一次发光；同一波列上的两点(1) 光波的频率相同；光波的频率相同； (2) 光矢量振动方向平行，且振幅相差不大；光矢量振动方向平行，且振幅相差不大；(3) 光波之间的相位差恒定光波之间的相位差恒定.光的相干的条件光的相干的条件同同时时满满足足University physics AP Fang三、相干光的获得三、相干光的获得  分波前法：分波前法：  分振幅法：分振幅法：相干光相干光相干光相干光University physics AP Fang加强条件加强条件两同相相干点光源两同相相干点光源S1、、S2相距相距d ，发射功率相等、波长为，发射功率相等、波长为λ (1) OX轴上光信号最强的位置；轴上光信号最强的位置；(1) 光程差光程差信号加强的位置信号加强的位置 (2) OX轴上光信号最弱的位置轴上光信号最弱的位置. 减弱条件减弱条件信号减弱的位置信号减弱的位置 的光信号，如图所示的光信号，如图所示.不考虑衰减不考虑衰减 解：解： 例：例：求：求：(2)。