最新大学光学光的干涉教学课件.ppt

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1、大学光学光的干涉大学光学光的干涉我想知道我想知道这是为什么，这是为什么，我想知道我想知道这为什么。这为什么。我想知道我想知道为什么我想知道这是为什么。为什么我想知道这是为什么。我想知道我想知道究竟为什么我非要知道究竟为什么我非要知道我为什么想知道我为什么想知道这是为什么！这是为什么！ -费因曼费因曼5 5、现代光学时期（、现代光学时期（ 2020世纪中世纪中 2020世纪末）世纪末）4 4、量子光学时期（、量子光学时期（2020世纪初世纪初 2020世纪中）世纪中） 1919世纪末到世纪末到2020世纪初，光学的研究深入到光的发生、光和世纪初，光学的研究深入到光的发生、光和物质相互作用的微观机

2、制中，开始了量子光学时期。物质相互作用的微观机制中，开始了量子光学时期。19051905年爱年爱因斯坦发展了普朗克的能量子假设因斯坦发展了普朗克的能量子假设，把量子论贯穿到整个辐射，把量子论贯穿到整个辐射和吸收过程中，提出了杰出的和吸收过程中，提出了杰出的光量子（光子）理论光量子（光子）理论，圆满地解，圆满地解释了释了光电效应光电效应，并被后来的许多实验（例如康普顿效应）证实。，并被后来的许多实验（例如康普顿效应）证实。至此，至此，人们一方面通过光的干涉、衍射和偏振等光学现象证实人们一方面通过光的干涉、衍射和偏振等光学现象证实了光的波动性；另一方面通过黑体辐射、光电效应和康普顿效了光的波动性；

3、另一方面通过黑体辐射、光电效应和康普顿效应等又证实了光的量子性应等又证实了光的量子性粒子性粒子性。 激光的发明，为人类提供了定向性、单色性、相干性很好的激光的发明，为人类提供了定向性、单色性、相干性很好的高亮度光源，使高亮度光源，使光学在理论上和技术上有了新的突破光学在理论上和技术上有了新的突破，从此，光，从此，光学进入了现代光学时期。光学与许多科学技术领域紧密结合，相学进入了现代光学时期。光学与许多科学技术领域紧密结合，相互渗透，派生出许多崭新的分支学科。如互渗透，派生出许多崭新的分支学科。如激光光学、全息光学、激光光学、全息光学、晶体光学、集成光学、傅立叶光学、激光光谱学、非线性光学、晶体

4、光学、集成光学、傅立叶光学、激光光谱学、非线性光学、瞬态光学、光纤通信、光信息存储、受激拉曼散射、受激布里渊瞬态光学、光纤通信、光信息存储、受激拉曼散射、受激布里渊散射散射等。等。6 6、光子时代（、光子时代（ 2121世纪）世纪） 光子学作为一门新兴科学，它研究光子的产生、放大、光子学作为一门新兴科学，它研究光子的产生、放大、传输、控制和探测，以及将这些技术应用于能量产生、通信、传输、控制和探测，以及将这些技术应用于能量产生、通信、信息处理等学科。信息处理等学科。 2121世纪光子学的发展由量变到质变，其世纪光子学的发展由量变到质变，其发展趋势有两个：发展趋势有两个：一是光子技术将从光电混合

5、技术向全光化一是光子技术将从光电混合技术向全光化的方向发展，为实现全光通讯系统、全光计算机、全光网络的方向发展，为实现全光通讯系统、全光计算机、全光网络而奋斗。而奋斗。光计算机，由于采取了光信息存储，并充分吸收了光计算机，由于采取了光信息存储，并充分吸收了光并行处理的特点，它的运算速度将会成千倍地增加，信息光并行处理的特点，它的运算速度将会成千倍地增加，信息存储能力可望获得极大的提高，甚至可能代替人脑的部分功存储能力可望获得极大的提高，甚至可能代替人脑的部分功能。没有能。没有2020世纪光学的巨大进步，就没有今天信息社会的到世纪光学的巨大进步，就没有今天信息社会的到来。来。二是微米尺度的光子学

6、向纳米光子学发展，最终实现光二是微米尺度的光子学向纳米光子学发展，最终实现光子器件与电子器件的共集成。子器件与电子器件的共集成。科学家对光学的评价科学家对光学的评价“增加我们对光和光子的认识就意味者我们增加我们对光和光子的认识就意味者我们对物质世界的认识和自由度对物质世界的认识和自由度”。 “ “如果我们能理解光能自由自在的控制光、如果我们能理解光能自由自在的控制光、利用光，我们对物质就能自由操作了，也许利用光，我们对物质就能自由操作了，也许我们能在本质上认识物质世界和宇宙了我们能在本质上认识物质世界和宇宙了”。“我们对光和光子认识和利用前进一小步，我们对光和光子认识和利用前进一小步，人类社会

7、就前进一大步人类社会就前进一大步”。五、怎样才能学好光学五、怎样才能学好光学师生配合师生配合 认真备课认真备课 因材施教因材施教 重点突出重点突出 方法先进方法先进 为人师表为人师表 要求严格要求严格 课前预习课前预习 认真听讲认真听讲 做好笔记做好笔记 课后复习课后复习 完成作业完成作业 每章总结每章总结 平时成绩包含：考勤，课堂笔记，课堂提问，作业，每章总结，平时成绩包含：考勤，课堂笔记，课堂提问，作业，每章总结，期中测试，课程论文。期中测试，课程论文。 实验实验 提出提出 假说假说 形成形成 理论理论 反复反复 实验实验 四、光学研究的方法四、光学研究的方法 第一章第一章 光的干涉光的干

8、涉( Optical interference )教学思路教学思路光的电磁理论光的电磁理论波动的叠加波动的叠加光波的叠加光波的叠加双光束干涉双光束干涉多光束干涉多光束干涉 1-1 1-1 波动的独立性、叠加性和相干性波动的独立性、叠加性和相干性复习：复习：电磁波：横波方向平行纵波：振动方向与传播方向垂直横波：振动方向与传播机械波波一、自由空间平面电磁波一、自由空间平面电磁波(Electromagnetic waves)的性质的性质1.1.横波横波 、 同位相同位相（即在任何时刻、任何地点（即在任何时刻、任何地点它们都是同步变化）它们都是同步变化）EH )cos()(cos00krtAvrtAE

9、)cos()(cos00krtHvrtHH平面电磁波的波函数与平面简谐波形式相同：平面电磁波的波函数与平面简谐波形式相同：3.3. 0000HArr 和和 成比例成比例0A0H1-1 1-1 波动的独立性、叠加性和相干性波动的独立性、叠加性和相干性5.5.电磁波的电磁波的能流密度矢量能流密度矢量HES能流密度的平均值能流密度的平均值：0021HAS 00200021)(cos1HAkrtHATST4.4. 001rrv波速波速: :真空中真空中: :001cc = 2.997 924 58108 m/srrcv所以所以光波光波: : 特定波段的电磁波特定波段的电磁波 二、电磁波谱二、电磁波谱T

10、he electromagnetic spectrum三、光波三、光波1 1. . 可见光范围可见光范围=4.510147.31014Hz光频波段：光频波段：rrn1 ，所以，vcn 2 2光的速度与折射率光的速度与折射率 OOAA 76003900）=0.39m0.76m之间之间（rrcv因为因为rrn所以所以 |S|I 3. 3. 光的强度（辐照度）光的强度（辐照度） 20AI 在同一介质中相对光强在同一介质中相对光强: :在光波的两个场量在光波的两个场量 和和 中，对人眼和感光仪器起主要作中，对人眼和感光仪器起主要作用的电矢量用的电矢量 ，因此将，因此将 称为称为光矢量光矢量。EEHE2

11、00200000212121AncAHAISrr四四. . 单色平面光波单色平面光波 球面波球面波波面与波线波面与波线 波面：某一时刻波场中振动波面：某一时刻波场中振动相位相同相位相同的点的集合。的点的集合。等相面等相面/ /波阵面波阵面波线：表示波动能量传播的几何径迹波线：表示波动能量传播的几何径迹单色平面光波单色平面光波波面为平面的波波面为平面的波单色单色: :该波只有单一该波只有单一频率频率 , , 即简谐波即简谐波. . 球面波球面波波面为球面的波波面为球面的波 Wave frontsrEkl lOPA perfect spherical wave独立性独立性 五、机械波的独立性和叠加

12、性五、机械波的独立性和叠加性几列波在空间相遇时，只要几列波在空间相遇时，只要扰动不十分强烈扰动不十分强烈（强度较（强度较小），且所处介质为线性介质，则各波可以保持其原有小），且所处介质为线性介质，则各波可以保持其原有的传播特性，即的传播特性，即频率、振幅、振动方向等不变频率、振幅、振动方向等不变，并在离，并在离开相遇区后仍按原来的行进方向继续前进，彼此无影响。开相遇区后仍按原来的行进方向继续前进，彼此无影响。 叠加性叠加性 波在相遇的区域内，任一点处质点波在相遇的区域内，任一点处质点的振动为各列波单独在该点引起的振动的振动为各列波单独在该点引起的振动的合振动，即在任一时刻，该点处质点的合振动，

13、即在任一时刻，该点处质点的振动位移合位移为各波分别单独传播的振动位移合位移为各波分别单独传播时在该点引起的位移的矢量和。时在该点引起的位移的矢量和。 21EEE干涉干涉：振动强度按空间周期性变化。：振动强度按空间周期性变化。干涉图样干涉图样：在叠加区域内，各点处的振动强度有一定的非均匀：在叠加区域内，各点处的振动强度有一定的非均匀分布的整体图象。分布的整体图象。六、波的干涉六、波的干涉振动方向相同；振动方向相同；振动频率相同；振动频率相同；相位相同或相位保持恒定。相位相同或相位保持恒定。能产生干涉现象的波称为能产生干涉现象的波称为相干波相干波，相应的波源称为，相应的波源称为相干波源相干波源。与

14、机械波类似，光波也有的干涉现象。与机械波类似，光波也有的干涉现象。干涉现象是波动形式所独具的重要特征之一。干涉现象是波动形式所独具的重要特征之一。 例：水波的干涉例：水波的干涉相干？ 2211211coscossinsintanAAAA211A22A12A七、相干与不相干叠加七、相干与不相干叠加两个沿同一直线的简谐振动两个沿同一直线的简谐振动 )cos()cos(222111tAEtAE)cos(21tAEEE)cos(221212221AAAAA在观察的间隔在观察的间隔 内，内，合振动平均强度（合振动平均强度（平均光强平均光强I I）：）：1 1、相干叠加：（电磁振动不中断）、相干叠加：（电

15、磁振动不中断）)cos(2212121IIIII coscos10 dtdtAAAAdtAAAAdtAAI)cos(12)cos(211210212221212122210022干涉相长干涉相长: : 光强度光强度( (合振动平均强度）达到最大值。合振动平均强度）达到最大值。干涉相消干涉相消: : 光强度光强度( (合振动平均强度）达到最小值。合振动平均强度）达到最小值。cos22121IIIII干涉项干涉项cos2212221221221AAAAAAAAI任任意意122jj.3,2, 1,0.3,2, 1,0jj12I021III 2cos4)cos1(2200 III 特例：特例：04II

16、 相长干涉相长干涉0I 相消干涉相消干涉nIIII321若若2)(nAIM0mI则则cos22121IIIIIcos2212221AAAAI2 2、不相干叠加、不相干叠加: : 0cos10 dt 212221IIAAPI 叠加波强度等于各波强度之和，呈稳定的均匀分布叠加波强度等于各波强度之和，呈稳定的均匀分布 相干条件相干条件1 1、频率相同、频率相同2 2、振动方向相同、振动方向相同3 3、位相差恒定、位相差恒定作业：作业：1 1、复习电磁波、振动的合成；、复习电磁波、振动的合成；2 2、看书、看书P1- P14P1- P14； 3 3、整理笔记。、整理笔记。若两列波的相位在观察时间内各自独立地变化，以致于其相位若两列波的相位在观察时间内各自独立地变化，以致于其相位差呈现随机变化，即在观察时间内多次几率均等地取差呈现随机变化，即在观察时间内多次几率均等地取0 0到到2 2 之之间的一切可能值间的一切可能值 30 结束语结束语