《大学光学光的干涉》PPT课件.ppt

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1、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！-费因曼费因曼绪论 二、光学的分二、光学的分类 物理光学物理光学 光学光学是研究是研究光的光的产生、生、发射、射、传播、接收、播、接收、光与物光与物质相相互作用互作用的学科，的学科，是物理学的一个重要分科。是物理学的一个重要分科。一、什么是光学一、什么是光学 光光是一种重要的自然是一种重要的自然现象，我象，我们之所以能看到客之所以能看到客观世界世

2、界中的景象，是因中的景象，是因为眼睛接受物体眼睛接受物体发射、反射或散射的光。射、反射或散射的光。1 1几何光学（几何光学（GeometricalOpticsGeometricalOptics）以光的直以光的直线传播等播等实验定律定律为基基础，用几何学方法研究，用几何学方法研究光学光学仪器成象的器成象的规律和消除像差的方法及特殊光学律和消除像差的方法及特殊光学仪器的器的设计原理等。光学的原理等。光学的这一分支称一分支称为几何光学。几何光学。3.3.现代光学代光学激光光学：激光物理、激光技激光光学：激光物理、激光技术、激光、激光应用等。用等。全息光学：光学全息与信息全息光学：光学全息与信息处理等

3、。理等。晶体光学：光波在晶体中的晶体光学：光波在晶体中的传播及晶体的播及晶体的电光效光效应等。等。集成光学：集成光路理集成光学：集成光路理论及制造等。及制造等。2 2物理光学（物理光学（PhyciccalOpticsPhyciccalOptics）以光的波以光的波动性和粒子性性和粒子性为基基础，研究光，研究光现象的基本象的基本规律。律。波波动光学光学研究光的波研究光的波动性即干涉、衍射、偏振的学科。性即干涉、衍射、偏振的学科。量子光学量子光学用光的量子理用光的量子理论研究光与物研究光与物质相互作用的微相互作用的微观机制、遵从的机制、遵从的规律及其律及其应用的学科。用的学科。傅立叶光学：光学傅立

4、叶分析、傅立叶傅立叶光学：光学傅立叶分析、傅立叶变换等。等。激光光激光光谱学：物学：物质微微观结构及分子运构及分子运动规律的分析等。律的分析等。非非线性光学：光学介性光学：光学介质与与强光的相互作用。光的相互作用。瞬瞬态光学、光光学、光纤通信、光信息存通信、光信息存储、受激拉曼散射、受激拉曼散射、受激布里渊散射、受激布里渊散射、飞秒激光秒激光三、三、对光本性的光本性的认识1 1、萌芽、萌芽时期（期（远古古-15-15世世纪末、末、1616世世纪初）初）光学的起源可追溯到古代，我国春秋光学的起源可追溯到古代，我国春秋战国国时期，墨翟（期，墨翟（前前468468 前前376376）及其弟子所著的）

5、及其弟子所著的墨墨经中，就中，就记载着着光的直光的直线传播（影的形成和播（影的形成和针孔成像等）和光在孔成像等）和光在镜面（凹面和凸面）上的面（凹面和凸面）上的反射反射等等现象，并提出了一系列象，并提出了一系列经验规律，律，把物和像的位置及其把物和像的位置及其大小与所用大小与所用镜面的曲率面的曲率联系起来。克莱系起来。克莱门德德(Cleomedes)(Cleomedes)和和托勒托勒密密(，公元公元90-16890-168年年)研究了研究了光的折射光的折射现象，最先象，最先测定了光通定了光通过两种介两种介质分界面分界面时的入射角和折射角的入射角和折射角。培根培根(，公元公元1214-12941

6、214-1294年年)提出提出用透用透镜校正校正视力和采用透力和采用透镜组构成望构成望远镜的可能性，并的可能性，并描述描述过透透镜焦点的位置焦点的位置。无。无论就就时间还是就科学性来是就科学性来讲，墨墨经称得上是有关光学知称得上是有关光学知识的最早的最早记录。比希腊数学家欧几里德所著的光学早。比希腊数学家欧几里德所著的光学早100100多年多年。到。到1515世世纪末和末和1616世世纪初，凹面初，凹面镜、凸面、凸面镜、眼、眼镜、透、透镜以及暗箱以及暗箱和幻灯等光学元件和幻灯等光学元件的相的相继出出现，预示几何光学示几何光学时期即将到来。期即将到来。2 2、几何光学、几何光学时期期（1616世

7、世纪初初 1919世世纪初）初）这一一时期可以称期可以称为光学光学发展史上的展史上的转折点。在折点。在这个个时期，期，建立了建立了光的反射定律和折射定律，光的反射定律和折射定律，奠定了几何光学的基奠定了几何光学的基础。同。同时为了提高人眼的了提高人眼的观察能力，人察能力，人们发明了光学明了光学仪器器，第一架望，第一架望远镜的的诞生促生促进了天文学和航海事了天文学和航海事业的的发展，展，显微微镜的的发明明给生物学的研究提供了生物学的研究提供了强有力的工具。有力的工具。到到1717世世纪中叶，基本上已中叶，基本上已经奠定了几何光学的基奠定了几何光学的基础。1717世世纪下半叶下半叶，牛，牛顿根据光

8、的直根据光的直线传播性播性质，提出了，提出了光是微粒流的理光是微粒流的理论。惠更斯惠更斯反反对光的微粒光的微粒说，从声和光的某些从声和光的某些现象的相似性出象的相似性出发，认为光是在光是在“以太以太”中中传播的波播的波。这一一时期中，在以牛期中，在以牛顿为代表的微粒代表的微粒说占占统治地位的治地位的同同时，以惠更斯，以惠更斯为代表的波代表的波动说也初步提出来了。也初步提出来了。3 3、波、波动光学光学时期（期（1919世世纪初初 2020世世纪初）初）1919世世纪初初，初步，初步发展起来的展起来的波波动光学光学的体系已的体系已经形成。形成。18011801年年杨氏氏最先用干涉原理令人最先用干

9、涉原理令人满意的解意的解释了白光照射下薄了白光照射下薄膜膜颜色的由来并做了著名的色的由来并做了著名的“杨氏双氏双缝干涉干涉实验”，还第一第一次成功的次成功的测定了光的波定了光的波长。18151815年年菲涅耳用菲涅耳用杨氏干涉原理氏干涉原理补充了惠更斯原理，形成了人充了惠更斯原理，形成了人们所熟知的所熟知的惠更斯惠更斯 菲涅耳原理菲涅耳原理。18081808年年马吕斯偶然斯偶然发现光在两种介光在两种介质界面上反射界面上反射时的偏的偏振振现象。随后象。随后菲涅耳和阿拉果菲涅耳和阿拉果对光的偏振光的偏振现象和偏振光的干象和偏振光的干涉涉进行了研究。行了研究。18451845年法拉第揭示了光学年法拉

10、第揭示了光学现象和象和电磁磁现象的内在象的内在联系。系。麦克斯麦克斯韦在在18651865年的理年的理论研究研究说明光是一种明光是一种电磁磁现象象。这个个理理论在在18881888年被赫年被赫兹的的实验所所证实。至此，确立了。至此，确立了光的光的电磁磁理理论。电磁波的波磁波的波谱为：宇宙射线宇宙射线 10-1010-8m射线射线 10-810-4mX射线射线 10-510-1m光波光波 10-3101m软软X射线射线 真空真空X射线射线 紫外线紫外线 可见光可见光 紫紫 390450nm靛靛蓝蓝 450492nm绿绿 492577nm 黄黄 577597nm橙橙 597622nm红红 6207

11、70nm近红外线近红外线 中红外线中红外线 1.515m远红外线远红外线 151000m微波微波 10103mm短波短波 103105mm中波中波 105106mm长波长波 107mm 光的光的电磁理磁理论在整在整个物理学的个物理学的发展中起着展中起着很重要的作用，它指出很重要的作用，它指出光和光和电磁磁现象的一致性，象的一致性，使人使人们在在认识光的本性光的本性方面向前方面向前迈出了一大步。出了一大步。5 5、现代光学代光学时期（期（2020世世纪中中2020世世纪末）末）4 4、量子光学、量子光学时期（期（2020世世纪初初 2020世世纪中）中）1919世世纪末到末到2020世世纪初，光

12、学的研究深入到光的初，光学的研究深入到光的发生、光和生、光和物物质相互作用的微相互作用的微观机制中，开始了量子光学机制中，开始了量子光学时期。期。19051905年年爱因斯坦因斯坦发展了普朗克的能量子假展了普朗克的能量子假设，把量子，把量子论贯穿到整个穿到整个辐射射和吸收和吸收过程中，提出了杰出的程中，提出了杰出的光量子（光子）理光量子（光子）理论，圆满地解地解释了了光光电效效应，并被后来的，并被后来的许多多实验（例如康普（例如康普顿效效应）证实。至此，至此，人人们一方面通一方面通过光的干涉、衍射和偏振等光学光的干涉、衍射和偏振等光学现象象证实了光的波了光的波动性；另一方面通性；另一方面通过黑

13、体黑体辐射、光射、光电效效应和康普和康普顿效效应等又等又证实了光的量子性了光的量子性粒子性粒子性。激光的激光的发明，明，为人人类提供了定向性、提供了定向性、单色性、相干性很好的色性、相干性很好的高亮度光源，使高亮度光源，使光学在理光学在理论上和技上和技术上有了新的突破上有了新的突破，从此，光，从此，光学学进入了入了现代光学代光学时期。光学与期。光学与许多科学技多科学技术领域域紧密密结合，相合，相互渗透，派生出互渗透，派生出许多多崭新的分支学科。如新的分支学科。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、激光光晶体光学、集成光学、傅立叶光学、激光光谱学、非学、非线性

14、光学、性光学、瞬瞬态光学、光光学、光纤通信、光信息存通信、光信息存储、受激拉曼散射、受激布里渊、受激拉曼散射、受激布里渊散射散射等。等。6 6、光子、光子时代（代（2121世世纪）光子学作光子学作为一一门新新兴科学，它研究光子的科学，它研究光子的产生、放大、生、放大、传输、控制和探、控制和探测，以及将，以及将这些技些技术应用于能量用于能量产生、通信、生、通信、信息信息处理等学科。理等学科。2121世世纪光子学的光子学的发展由量展由量变到到质变，其，其发展展趋势有两个：有两个：一是光子技一是光子技术将从光将从光电混合技混合技术向全光化向全光化的方向的方向发展，展，为实现全光通全光通讯系系统、全光

15、、全光计算机、全光网算机、全光网络而而奋斗。斗。光光计算机，由于采取了光信息存算机，由于采取了光信息存储，并充分吸收了，并充分吸收了光并行光并行处理的特点，它的运算速度将会成千倍地增加，信息理的特点，它的运算速度将会成千倍地增加，信息存存储能力可望能力可望获得极大的提高，甚至可能代替人得极大的提高，甚至可能代替人脑的部分功的部分功能。没有能。没有2020世世纪光学的巨大光学的巨大进步，就没有今天信息社会的到步，就没有今天信息社会的到来。来。二是微米尺度的光子学向二是微米尺度的光子学向纳米光子学米光子学发展，最展，最终实现光光子器件与子器件与电子器件的共集成。子器件的共集成。科学家科学家对光学的

16、光学的评价价“增加我增加我们对光和光子的光和光子的认识就意味者我就意味者我们对物物质世界的世界的认识和自由度和自由度”。“如果我如果我们能理解光能自由自在的控制光、能理解光能自由自在的控制光、利用光，我利用光，我们对物物质就能自由操作了，也就能自由操作了，也许我我们能在本能在本质上上认识物物质世界和宇宙了世界和宇宙了”。“我我们对光和光子光和光子认识和利用前和利用前进一小步，一小步，人人类社会就前社会就前进一大步一大步”。五、怎五、怎样才能学好光学才能学好光学师生配合生配合 认真真备课因材施教因材施教重点突出重点突出方法先方法先进为人人师表表要求要求严格格 课前前预习认真听真听讲做好笔做好笔记

17、课后复后复习完成作完成作业每章每章总结 平平时成成绩包含：考勤，包含：考勤，课堂笔堂笔记，课堂提堂提问，作，作业，每章，每章总结，期中期中测试，课程程论文。文。实验 提出提出 假假说 形成形成 理理论 反复反复 实验 四、光学研究的方法四、光学研究的方法 第一章第一章 光的干涉光的干涉(Optical interference)教学思路教学思路光的光的电磁理磁理论波波动的叠加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 1-11-1波波动的独立性、叠加性和相干性的独立性、叠加性和相干性复复习：一、自由空一、自由空间平面平面电磁波磁波(Electromagnetic wav

18、es)的性的性质1.1.横波横波 2.、同位相同位相3.（即在任何（即在任何时刻、任何地点刻、任何地点4.它它们都是同步都是同步变化）化）平面平面电磁波的波函数与平面磁波的波函数与平面简谐波形式相同：波形式相同：3.3.和和成比例成比例1-11-1波波动的独立性、叠加性和相干性的独立性、叠加性和相干性5.5.电磁波的磁波的能流密度矢量能流密度矢量能流密度的平均能流密度的平均值：4.4.波速波速:真空中真空中:c=2.997 924 58108 m/s所以所以光波光波:特定波段的特定波段的电磁波磁波 二、二、电磁波磁波谱The electromagnetic spectrum三、光波三、光波1

19、1.可可见光范光范围=4.510147.31014Hz光光频波段：波段：2 2光的速度与折射率光的速度与折射率）=0.39m0.76m之间之间（因因为所以所以物理物理物理物理仪仪器器器器检测检测到的光到的光到的光到的光强强IIII是由能流密度大小决决定的，即玻是由能流密度大小决决定的，即玻是由能流密度大小决决定的，即玻是由能流密度大小决决定的，即玻印亭矢量印亭矢量印亭矢量印亭矢量SSSS的平均的平均的平均的平均值值：3.3.光的光的强度（度（辐照度）照度）在同一介在同一介质中相中相对光光强:在光波的两个在光波的两个场量量 和和 中，中，对人眼和感光人眼和感光仪器起主要作器起主要作用的用的电矢量

20、矢量 ，因此将，因此将 称称为光矢量光矢量。四四.单色平面光波色平面光波球面波球面波波面与波波面与波线 波面：某一波面：某一时刻波刻波场中振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/波波阵面面波波线：表示波：表示波动能量能量传播的几何径迹播的几何径迹单色平面光波色平面光波波面波面为平面的波平面的波单色色:该波只有波只有单一一频率率,即即简谐波波.球面波球面波波面波面为球面的波球面的波 Wave frontsrEkl lOPA perfect spherical wave独立性独立性 五、机械波的独立性和叠加性五、机械波的独立性和叠加性几几列列波波在在空空间相相遇遇时，只只要要

21、扰动不不十十分分强烈烈（强度度较小小），且且所所处介介质为线性性介介质，则各各波波可可以以保保持持其其原原有有的的传播播特特性性，即即频率率、振振幅幅、振振动方方向向等等不不变，并并在在离离开开相相遇区后仍按原来的行遇区后仍按原来的行进方向方向继续前前进，彼此无影响。，彼此无影响。叠加性叠加性 波在相遇的区域内，任一点波在相遇的区域内，任一点处质点点的振的振动为各列波各列波单独在独在该点引起的振点引起的振动的的合振合振动，即在任一，即在任一时刻，刻，该点点处质点的振点的振动位移合位移位移合位移为各波分各波分别单独独传播播时在在该点引起的位移的矢量和。点引起的位移的矢量和。干涉干涉：振：振动强度

22、按空度按空间周期性周期性变化。化。干涉干涉图样：在叠加区域内，各点：在叠加区域内，各点处的振的振动强度有一定的非均匀度有一定的非均匀分布的整体分布的整体图象。象。六、波的干涉六、波的干涉振振动方向相同；方向相同；振振动频率相同；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。能能产生干涉生干涉现象的波称象的波称为相干波相干波，相，相应的波源称的波源称为相干波源相干波源。与机械波与机械波类似，光波也有的干涉似，光波也有的干涉现象。象。干涉干涉现象是波象是波动形式所独具的重要特征之一。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？为为什么通常的独立光源无干涉什么通常的独立光源

23、无干涉什么通常的独立光源无干涉什么通常的独立光源无干涉现现象（称不相干）象（称不相干）象（称不相干）象（称不相干）只有光源只有光源只有光源只有光源经过诸经过诸如如如如杨杨氏干涉等特殊装置才有干涉氏干涉等特殊装置才有干涉氏干涉等特殊装置才有干涉氏干涉等特殊装置才有干涉现现象。象。象。象。下面下面下面下面围绕围绕振振振振动动和波的和波的和波的和波的联联系来分析，即波系来分析，即波系来分析，即波系来分析，即波的叠加的叠加的叠加的叠加归结归结为为振振振振动动的叠加。的叠加。的叠加。的叠加。问题七、相干与不相干叠加七、相干与不相干叠加两个沿同一直两个沿同一直线的的简谐振振动 在在观察的察的间隔隔内，内，

24、合振合振动平均平均强度（度（平均光平均光强I I）：）：1 1、相干叠加：（、相干叠加：（电磁振磁振动不中断）不中断）干涉相干涉相长:光光强度度(合振合振动平均平均强度）达到最大度）达到最大值。干涉相消干涉相消:光光强度度(合振合振动平均平均强度）达到最小度）达到最小值。干涉项干涉项特例：特例：相相长干涉干涉 相消干涉相消干涉若若则2 2、不相干叠加、不相干叠加:叠加波叠加波强度等于各波度等于各波强度之和，呈度之和，呈稳定的均匀分布定的均匀分布 相干条件相干条件1 1、频率相同率相同2 2、振、振动方向相同方向相同3 3、位相差恒定、位相差恒定作作业：1 1、复、复习电磁波、振磁波、振动的合成；的合成；2 2、看、看书P1-P14P1-P14；33、整理笔、整理笔记。重点是第三条重点是第三条重点是第三条重点是第三条若两列波的相位在若两列波的相位在观察察时间内各自独立地内各自独立地变化，以致于其相位化，以致于其相位差呈差呈现随机随机变化，即在化，即在观察察时间内多次几率均等地取内多次几率均等地取0 0到到22之之间的一切可能的一切可能值