光学 第一章光的干涉 PPT讲稿.ppt

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1、光学课件 第一章光的干涉 第1页，共84页，编辑于2022年，星期五5.5.几何光学的基本原理几何光学的基本原理2.2.光的干涉光的干涉3.3.光的衍射光的衍射6.6.光学仪器的基本原理光学仪器的基本原理8.8.光的量子性光的量子性 1.1.绪绪 论论4.4.光的偏振光的偏振7.7.光的吸收、散射和色散光的吸收、散射和色散第2页，共84页，编辑于2022年，星期五绪绪 论论1.光学：是普通物理学的一个重要组成部分，是研究光学：是普通物理学的一个重要组成部分，是研究光的光的本性本性、光的传播光的传播和和光与物质相互作用光与物质相互作用的基础学科。的基础学科。2.光学光学 研究研究 内容：内容：光

2、的发射、传播和接收等规律光的发射、传播和接收等规律光和物质的相互作用（如：光的吸收、散光和物质的相互作用（如：光的吸收、散射和色散、光电效应等）射和色散、光电效应等）光的本性光的本性第3页，共84页，编辑于2022年，星期五4 4 基础光学内容的大致分类基础光学内容的大致分类11几何光学几何光学（光的直线传播原理、反射、折射、仪器）（光的直线传播原理、反射、折射、仪器）22波动光学波动光学（干涉、衍射、偏振）（干涉、衍射、偏振）33量子光学量子光学（黑体辐射、光电效应、康普顿效应）（黑体辐射、光电效应、康普顿效应）44现代光学现代光学（激光、非线性光学、全息、傅里叶光学）（激光、非线性光学、全

3、息、傅里叶光学）第4页，共84页，编辑于2022年，星期五光学的发展简史光学的发展大致可分为五个时期光学的发展大致可分为五个时期 1 1、萌芽时期萌芽时期：公元前：公元前500500年年15501550年前后年前后2 2、几何光学时期几何光学时期：15501550年前后年前后16601660年前后年前后3 3、波动光学时期波动光学时期：16501650年前后年前后18881888年前后年前后4 4、量子光学时期量子光学时期：18871887年年19251925年前后年前后5 5、现代光学时期现代光学时期：19351935年年5 5 第5页，共84页，编辑于2022年，星期五6第6页，共84页，

4、编辑于2022年，星期五 墨子对光学很有研究，对于光的直线传播、光的反射和若干物影成像，进行了精彩墨子对光学很有研究，对于光的直线传播、光的反射和若干物影成像，进行了精彩的描述。的描述。有一次，墨子进行光学实验，他在堂屋朝阳的地方，让一个人对着小孔站有一次，墨子进行光学实验，他在堂屋朝阳的地方，让一个人对着小孔站在屋外，在阳光的照射下，屋内相对的墙上出现倒立人像。墨子通过在屋外，在阳光的照射下，屋内相对的墙上出现倒立人像。墨子通过小孔成像小孔成像的光学实验，阐述了光的的光学实验，阐述了光的直线传播原理直线传播原理，成为后代摄影技术的先声。，成为后代摄影技术的先声。萌芽时期：二、光学发展历史回顾

5、二、光学发展历史回顾7第7页，共84页，编辑于2022年，星期五古希腊，数学家欧几里德（公元前古希腊，数学家欧几里德（公元前330330年年前前275275年）：年）：光学光学“平面镜成平面镜成像像反射定律反射定律”，“光是类似触须的投射光是类似触须的投射”。克莱门德克莱门德(Cleomedes)(Cleomedes)，托勒密，托勒密(C.Ptolemy,90168(C.Ptolemy,90168年）：年）：“折射现象折射现象入射角与折射角的测定入射角与折射角的测定”。埃及，阿尔哈曾埃及，阿尔哈曾(Alhazen,9651038(Alhazen,9651038）：）：“光线来自所观察的物体，光

6、以球光线来自所观察的物体，光以球面形式面形式从光源发出从光源发出，反射面与入射面共面且垂直于界面，反射面与入射面共面且垂直于界面”，“球面镜和抛物球面镜和抛物面面”，“人眼构造人眼构造”，“凸透镜的发明和实验凸透镜的发明和实验”。萌芽时期：公元前500年1550年前后光学光学 8 8 第8页，共84页，编辑于2022年，星期五9 9 中国宋代，沈括（中国宋代，沈括（1031109510311095年）：年）：梦溪笔谈梦溪笔谈有有“丰富的几何光学知丰富的几何光学知识，识，凹面镜和凸面镜的成像规律凹面镜和凸面镜的成像规律，测定凹面镜的焦点的原理，虹的成，测定凹面镜的焦点的原理，虹的成因因”。英国，

7、培根（英国，培根（R.Bacon,12141294R.Bacon,12141294年）：提出年）：提出用透镜校正视力用透镜校正视力，采用透镜组构成采用透镜组构成望远镜望远镜望远镜望远镜的可能性的可能性，透镜焦点的位置。，透镜焦点的位置。阿玛蒂阿玛蒂(Armati)(Armati)：发明：发明眼镜眼镜眼镜眼镜。波特波特（G.B.D.PortaG.B.D.Porta，（，（1535161515351615年）：暗箱成像年）：暗箱成像（相机雏形），（相机雏形），15891589年年自然魔法自然魔法复合面镜以及凸透镜和凸透镜的组合复合面镜以及凸透镜和凸透镜的组合复合面镜以及凸透镜和凸透镜的组合复合面镜

8、以及凸透镜和凸透镜的组合。萌芽时期：公元前500年1550年前后光学光学 第9页，共84页，编辑于2022年，星期五1010 光学萌芽时期的特点：光学萌芽时期的特点：从观察到的简单的光学现象中从观察到的简单的光学现象中概括概括出简单几何光学的规律，出简单几何光学的规律，一些简单的一些简单的光学仪器的设计和设想以及应用光学仪器的设计和设想以及应用。萌芽时期：公元前500年1550年前后光学光学 第10页，共84页，编辑于2022年，星期五1111“萌芽时期萌芽时期”也是也是“几何光学几何光学”发展的一部分。而这里的发展的一部分。而这里的几何光学时期是几何光学时期是指指“反射定律反射定律”和和“折

9、射定律折射定律”的建立的建立，还有，还有“光路可逆原光路可逆原理理”和和“费马原理费马原理”等。等。荷兰，李普塞（荷兰，李普塞（H.LippersheyH.Lippershey，1587161915871619年）：年）：16081608年发明了年发明了第一架望远镜第一架望远镜。延森（延森（Z.JanssenZ.Janssen，1588163215881632年）和冯特纳（年）和冯特纳（P.Fontana,15801656P.Fontana,15801656年）：年）：制造出复合制造出复合显微镜显微镜显微镜显微镜。几何光学时期：15501550年前后年前后16601660年前后年前后光学光学

10、第11页，共84页，编辑于2022年，星期五1212 伽利略（伽利略（GalileiGalilei，1564164215641642年）：年）：16101610年用自己制作的望远镜观察星体，发年用自己制作的望远镜观察星体，发现木星有卫星。现木星有卫星。开普勒（开普勒（J.KeplerJ.Kepler，1571163015711630年）：年）：16111611年发表年发表折光学折光学一著作。提一著作。提出距离的平方反比的出距离的平方反比的照度定律照度定律照度定律照度定律，设计出开普勒望远镜，设计出开普勒望远镜，小角度的入射角与折射小角度的入射角与折射角的正比关系角的正比关系。斯涅尔（斯涅尔（W

11、.SnellW.Snell，1591162615911626年）：年）：16211621年指出，入射角的余割和折射角年指出，入射角的余割和折射角的的余割余割余割余割之比是一常数。之比是一常数。笛卡尔（笛卡尔（R.DescartesR.Descartes，1596165015961650年）：约于年）：约于 16301630年给出光的折射定律年给出光的折射定律（折光学折光学16371637年出版），给出了年出版），给出了正弦函数表述的折射定律正弦函数表述的折射定律正弦函数表述的折射定律正弦函数表述的折射定律。几何光学时期：15501550年前后年前后16601660年前后年前后光学光学 第12页

12、，共84页，编辑于2022年，星期五1313 费马（费马（P.deFermatP.deFermat，1601166516011665年）：年）：16571657年指出光在介质中传播时所走的光程年指出光在介质中传播时所走的光程取取极值极值极值极值（稳定值）（稳定值）的原理。的原理。几何几何 光学时期的特点光学时期的特点：有明确的光的传播的理论阐述，在理论和经验的指导下有有明确的光的传播的理论阐述，在理论和经验的指导下有较为复较为复杂的光学仪器的设计和设想以及应用杂的光学仪器的设计和设想以及应用。基于几何光学原理的基于几何光学原理的光学仪器的设计和制造及应用（相机镜头）光学仪器的设计和制造及应用（

13、相机镜头）光学仪器的设计和制造及应用（相机镜头）光学仪器的设计和制造及应用（相机镜头）至今未停止过。至今未停止过。几何光学时期：15501550年前后年前后16601660年前后年前后光学光学 第13页，共84页，编辑于2022年，星期五费马原理示意图费马原理示意图第14页，共84页，编辑于2022年，星期五1515 意大利人格里马第（意大利人格里马第（F.M.GrimaldilF.M.Grimaldil，1618166316181663年）在年）在1717世纪初首先观察到世纪初首先观察到衍射衍射现象现象：点光源照明时，直竿的影子要比假设光沿直线传播时所应有的影：点光源照明时，直竿的影子要比假

14、设光沿直线传播时所应有的影子要稍大一些子要稍大一些“光绕到直线影子后面去了光绕到直线影子后面去了”。胡克（胡克（R.HookeR.Hooke，1635170316351703年）：于年）：于1672167516721675年也观察到几何阴影区年也观察到几何阴影区内有光的存在内有光的存在光的衍射现象。还研究了薄膜所产生的彩色干涉条纹光的衍射现象。还研究了薄膜所产生的彩色干涉条纹牛顿环。（波意尔（牛顿环。（波意尔（R.BoyleR.Boyle，1627169116271691年）也研究了此现象。年）也研究了此现象。牛顿（牛顿（I.NewtonI.Newton，1642172716421727年）：

15、年）：16661666年发现白光通过三棱镜后分解成年发现白光通过三棱镜后分解成各种颜色，每一种颜色可用折射率来标志。各种颜色，每一种颜色可用折射率来标志。波动光学时期：16501650年前后年前后18881888年前后年前后光学光学 第15页，共84页，编辑于2022年，星期五英国英国 牛顿牛顿,1704,1704年，年，光学光学一书出版。随着天文学、力一书出版。随着天文学、力学和光学的出现，物理学在十八世纪开始成为科学学和光学的出现，物理学在十八世纪开始成为科学.牛顿则持光的微粒说，他牛顿则持光的微粒说，他认为波动说的最大障碍是不能解释光认为波动说的最大障碍是不能解释光的直线进行的直线进行。

16、他提出发光物体发射出以直线运动的微粒子、。他提出发光物体发射出以直线运动的微粒子、微粒子流冲击视网膜就引起视觉。它也能解释光的折射微粒子流冲击视网膜就引起视觉。它也能解释光的折射与反射，甚至经过修改也能解释与反射，甚至经过修改也能解释F.M.F.M.格里马尔迪发现的格里马尔迪发现的“衍射衍射”现象。现象。16第16页，共84页，编辑于2022年，星期五惠更斯惠更斯在在16901690年出版的年出版的光论光论一书中正式提出了光的波动说，建立了著一书中正式提出了光的波动说，建立了著名的惠更斯原理。在此原理基础上，他推倒出了光的反射和折射定律，圆满名的惠更斯原理。在此原理基础上，他推倒出了光的反射和

17、折射定律，圆满的解释了光速在光密介质中减小的原因，同时还解释了光进入冰洲石所产生的解释了光速在光密介质中减小的原因，同时还解释了光进入冰洲石所产生的双折射现象，认为这是由于冰洲石分子微粒为椭圆形所致。的双折射现象，认为这是由于冰洲石分子微粒为椭圆形所致。胡克胡克是光的波动说支持者。是光的波动说支持者。16651665年，胡克提出了光的波动说，他认为年，胡克提出了光的波动说，他认为光光的传播与水波的传播相似的传播与水波的传播相似。16721672年胡克进一步提出光波是横波的概念。年胡克进一步提出光波是横波的概念。波动光学波动光学杨氏杨氏（T.Young 1773-1829)T.Young 177

18、3-1829)杨氏干涉实验为波动光学的复兴作出了开创性的杨氏干涉实验为波动光学的复兴作出了开创性的工作。用干涉原理解释牛顿环的成因和薄膜的彩色，并第一个近似地测定了七工作。用干涉原理解释牛顿环的成因和薄膜的彩色，并第一个近似地测定了七种颜色的光的波长，从而完全确认了光的周期性，为光的波动理论找到了又一种颜色的光的波长，从而完全确认了光的周期性，为光的波动理论找到了又一个强有力的证据。个强有力的证据。菲涅耳菲涅耳(1788(17881827)1827)菲涅耳以惠更斯原理和干涉原理为基础，用新的菲涅耳以惠更斯原理和干涉原理为基础，用新的定量形式定量形式建立了以他们的姓氏命名的惠更斯菲涅耳原理。解释

19、了衍射建立了以他们的姓氏命名的惠更斯菲涅耳原理。解释了衍射现象，完成了光的波动说的全部理论现象，完成了光的波动说的全部理论 17第17页，共84页，编辑于2022年，星期五法拉第法拉第(1817-1867)法拉第法拉第1845年发现了光的振动面在强磁声中的旋转，从而揭示了光学现象和电磁现象的内在联系。揭示了光学现象和电磁现象的内在联系。麦克斯韦麦克斯韦是继法拉第之后，集电磁学大成的伟大科学家，建立了第一个完整的电磁是继法拉第之后，集电磁学大成的伟大科学家，建立了第一个完整的电磁理论体系，不仅科学地理论体系，不仅科学地预言预言了电磁波的存在，而且揭示了了电磁波的存在，而且揭示了光、电、磁现象的本

20、质的统光、电、磁现象的本质的统一性一性，完成了物理学的一次大综合。，完成了物理学的一次大综合。麦克斯韦麦克斯韦(1831-1879)对于光波的进一步认识对于光波的进一步认识电磁波电磁波：赫兹赫兹用实验证实了电磁波的存在，赫兹先求出振荡器的频率，又以检用实验证实了电磁波的存在，赫兹先求出振荡器的频率，又以检波器量得驻波的波长，二者乘积即电磁波的传播速度。正如麦克斯韦预波器量得驻波的波长，二者乘积即电磁波的传播速度。正如麦克斯韦预测的一样，电磁波传播的速度等于光速。测的一样，电磁波传播的速度等于光速。18891889年在一次著名的演说年在一次著名的演说中，赫兹明确的指出，光是一种电磁现象。光电效应

21、中，赫兹明确的指出，光是一种电磁现象。光电效应赫兹赫兹(1857-1894)第18页，共84页，编辑于2022年，星期五1919 波动光学发展的特点波动光学发展的特点：经历的时间比较长，过程较经历的时间比较长，过程较艰难曲折艰难曲折，仍然是理论，仍然是理论与实践实验相结合相互验证和解释中发展。只有与实践实验相结合相互验证和解释中发展。只有在在18671867年麦克斯韦电磁理论建立和电磁波预言之后，年麦克斯韦电磁理论建立和电磁波预言之后，波动理论才完善和普遍被人们接受。波动理论才完善和普遍被人们接受。波动光学时期：16501650年前后年前后18881888年前后年前后光学光学 第19页，共84

22、页，编辑于2022年，星期五第20页，共84页，编辑于2022年，星期五1717世纪明确形成世纪明确形成了两大对立学说了两大对立学说牛顿牛顿惠更斯惠更斯微粒说微粒说波动说波动说由于波动说没有由于波动说没有数学基础以及牛数学基础以及牛顿的威望使得微顿的威望使得微粒说一直占上风粒说一直占上风1919世纪初证明了世纪初证明了波动说的正确性波动说的正确性这里的光子完全不同于牛顿所说的这里的光子完全不同于牛顿所说的“微粒微粒”1919世纪末光电效应现象使得世纪末光电效应现象使得爱因斯坦在爱因斯坦在2020世纪初提出了世纪初提出了光子说：光具有粒子性光子说：光具有粒子性光的本性（量子力学史话 上帝掷骰子吗

23、？）第21页，共84页，编辑于2022年，星期五光的微粒说光的微粒说：光是沿直线高速传播的粒子流光是沿直线高速传播的粒子流 。牛顿支持微粒说牛顿支持微粒说。人们都认为牛顿是微粒说的代。人们都认为牛顿是微粒说的代表。牛顿于表。牛顿于16751675年曾提出：年曾提出：“光是一群难以想象的细微而迅光是一群难以想象的细微而迅速运动的大小不同的粒子速运动的大小不同的粒子”，这些粒子被发光体，这些粒子被发光体“一个接一一个接一个地发射出来个地发射出来”。易解释易解释：光的直进性、影的形成、光的反射和折射等：光的直进性、影的形成、光的反射和折射等现象。现象。难解释难解释：（：（1 1）一束光入射到两种介质

24、界面时，既有一束光入射到两种介质界面时，既有反射，又有折射。何种情况发生反射，何种情况下又发反射，又有折射。何种情况发生反射，何种情况下又发生折射呢生折射呢?微粒说在解释这一点时遇到了很大的困难。微粒说在解释这一点时遇到了很大的困难。（2 2）两束光相遇后，为何仍能沿原方向传播这一常见的现象，两束光相遇后，为何仍能沿原方向传播这一常见的现象，微粒说则完全无能为力了。微粒说则完全无能为力了。第22页，共84页，编辑于2022年，星期五光的波动说光的波动说：某种振动，以波的形式向四周围传播。：某种振动，以波的形式向四周围传播。代表人物：是荷兰的物理学家惠更斯。代表人物：是荷兰的物理学家惠更斯。易解

25、释易解释：（：（1 1）光的反射、折射、光的反射和折射可以）光的反射、折射、光的反射和折射可以同时发生。同时发生。（2 2）两束光相遇后，为何仍能沿原方向传播这一）两束光相遇后，为何仍能沿原方向传播这一 常见的常见的现象。现象。难解释难解释：光的直进性和影的形成。：光的直进性和影的形成。第23页，共84页，编辑于2022年，星期五量子光学量子光学薛定谔ErwinSchrdinger1887-1961海森伯WernerKarlHeisenberg1901-1976 尼尔斯玻尔NielsBohr1885-1962普朗克MaxKarlErnstLudwigPlanck1858-1947爱因斯坦爱因斯

26、坦(1879-1955)24第24页，共84页，编辑于2022年，星期五2525 德布罗意（德布罗意（L.V.deBroglieL.V.deBroglie，1892198718921987年）：年）：19241924年提出年提出物质波物质波的学说。的学说。为为19271927年戴维孙（年戴维孙（C.J.DavissonC.J.Davisson，1881195818811958年）和革末（年）和革末（L.H.GermerL.H.Germer，1896197118961971年）所做的年）所做的电子束衍射实验电子束衍射实验所证实。博士论文所证实。博士论文玻恩（玻恩（M.BornM.Born，188

27、2197018821970年）：年）：19251925年提出的波粒二象性的概率解释年提出的波粒二象性的概率解释建立了波动性和微粒性之间的联系建立了波动性和微粒性之间的联系光和一切粒子都具有波粒地象性。光和一切粒子都具有波粒地象性。量子光学时期量子光学时期：18871887年年19251925年前后年前后光学光学 第25页，共84页，编辑于2022年，星期五2 2认识认识3 3认识认识 光既有波动性也有粒子性，即具有光既有波动性也有粒子性，即具有波粒二象性波粒二象性。普朗克常数非常小，普朗克常数非常小，一个光子的能量也非常小一个光子的能量也非常小。一般情况下我们遇到一般情况下我们遇到极大数量极大

28、数量的光子，明显的光子，明显表现波动性表现波动性。在。在光极其弱光极其弱的的情况下，以及光和物质相互作用的某些特殊情况下，其情况下，以及光和物质相互作用的某些特殊情况下，其量子特性量子特性才会明显地才会明显地表现出来。表现出来。从从量量子子观观点点看看，光光场场是是由由一一个个个个光光子子组组成成。光光子子是是光光的的最最小小单单位位，每个光子的能量每个光子的能量 和它的频率和它的频率 之间的关系为之间的关系为式中式中 是普朗克常数，其数值为是普朗克常数，其数值为光光子子也也具具有有动动量量，它它的的方方向向为为光光子子的的运运动动方方向向（即即光光传传播播方方向向）其值为其值为式式中中c为为

29、真真空空中中的的光光速速，1983年年第第十十七七届届国国际际计计量量大大会会通通过过其其值值为为c=299792458m/s基于所采用的物理模型不同基于所采用的物理模型不同,光学可分为几何光学光学可分为几何光学和和物理光学物理光学（波动（波动光学，量子光学）光学，量子光学）波动光学是波动光学是主体主体26第26页，共84页，编辑于2022年，星期五现代光学时期现代光学时期世纪中，光学本身发生了极为深刻的演变，世纪中，光学本身发生了极为深刻的演变，光学领域中发生了三件大事：光学领域中发生了三件大事：年出现了全息术。年出现了全息术。年第一次提出用年第一次提出用光学光学传递函数传递函数来评价光学系

30、统成象质量的概念。来评价光学系统成象质量的概念。这些概念后来又发展成为信息光学。这些概念后来又发展成为信息光学。年诞生了新光源年诞生了新光源激光器。激光器。这三件大事成为这三件大事成为经典光学向现代光学过度经典光学向现代光学过度的标志。的标志。第27页，共84页，编辑于2022年，星期五4.光学分类光学分类：光光学学几何光学：利用几何原理，研究光线方向的变几何光学：利用几何原理，研究光线方向的变化化物物理理光光学学波动光学：研究光的波动性，包括对波动光学：研究光的波动性，包括对光的干涉、衍射和偏振现象的研究。光的干涉、衍射和偏振现象的研究。量子光学：研究光的粒子性，包括对量子光学：研究光的粒子

31、性，包括对黑体幅射、光电效应、康普顿效应的黑体幅射、光电效应、康普顿效应的研究。研究。第28页，共84页，编辑于2022年，星期五第一章第一章 光的干涉光的干涉第29页，共84页，编辑于2022年，星期五1.1光的电磁理论光的电磁理论一、一、光波是电磁波的一种（光波是电磁波的一种（某一特定波段的电磁波某一特定波段的电磁波）1、电磁波的性质：、电磁波的性质：（1）电磁波的电场和磁场都垂直于波的传播方向，）电磁波的电场和磁场都垂直于波的传播方向，三者相互垂直，所以电磁波是三者相互垂直，所以电磁波是横波横波。ZXY第30页，共84页，编辑于2022年，星期五（2）沿给定方向传播的电磁波，）沿给定方向

32、传播的电磁波，E和和H分别在各分别在各自平面内振动，这种特性称为自平面内振动，这种特性称为偏振偏振。（3）E和和H都在作周期性的变化，而且位相相同，都在作周期性的变化，而且位相相同，即同时同地达到最大，同时同地减到最小。即同时同地达到最大，同时同地减到最小。（4）任一时刻，在空间任一点，）任一时刻，在空间任一点，E和和H在量值上在量值上的关系为的关系为。ZXY第31页，共84页，编辑于2022年，星期五由于由于r和和r与电磁波的频率有关与电磁波的频率有关，因此在，因此在介质中介质中不同频率的电磁波有不同的传播速度不同频率的电磁波有不同的传播速度，这就是电磁波在介质中的这就是电磁波在介质中的色散

33、色散现象。现象。(5)电磁波的传播速度电磁波的传播速度第32页，共84页，编辑于2022年，星期五比较（比较（3）和（）和（4）式，有）式，有2、光与电磁波的联系：、光与电磁波的联系：.(1)又知透明介质中光的传播速度又知透明介质中光的传播速度u=c/n.(4)公式公式将光波与电磁波联系起来将光波与电磁波联系起来了！了！介质中电磁波的波速介质中电磁波的波速由（由（1）、（）、（2）式可看出）式可看出(3)真空中的波速真空中的波速(2)第33页，共84页，编辑于2022年，星期五玻印廷矢量玻印廷矢量:二电磁波的能量与光强二电磁波的能量与光强（1）定义：波动的传播总是伴随着能量的传递，该过程）定义

34、：波动的传播总是伴随着能量的传递，该过程一般用一般用平均能流密度平均能流密度表示。表示。（2）能流密度：指单位时间内通过与波的传播方向）能流密度：指单位时间内通过与波的传播方向垂直的单位面积的能量或表示为单位面积的功率。垂直的单位面积的能量或表示为单位面积的功率。电磁波中电磁波中EH，第34页，共84页，编辑于2022年，星期五因此因此能流密度能流密度的的瞬时值瞬时值为为因为因为故故第35页，共84页，编辑于2022年，星期五我我们们检检测测光光波波的的存存在在和和强强弱弱，是是通通过过光光和和物物质质的的相相互互作作用用但但是是，任任何何检检测测器器件件都都有有一一定定的的响响应应时时间间，

35、都都不不能能检检测测电电磁磁波波能能流流密密度度的的瞬瞬时时值，只能检测其在响应时间内的平均值值，只能检测其在响应时间内的平均值可见光振动周期可见光振动周期T10-14秒，人眼响应时间秒，人眼响应时间10-1秒，灵敏的光检测器响应时间秒，灵敏的光检测器响应时间10-9秒秒第36页，共84页，编辑于2022年，星期五因此我们定义因此我们定义光的强度光的强度（简称（简称光强光强）为）为平均平均能流密度能流密度代入上式得代入上式得第37页，共84页，编辑于2022年，星期五不同介质中两光波相不同介质中两光波相比较比较，由于许多场合下，我们只讨论光强的相对分布，由于许多场合下，我们只讨论光强的相对分布

36、，因此令光强等于振幅的平方，即因此令光强等于振幅的平方，即上式定义的光强称为上式定义的光强称为相对光强相对光强同一种介质中两光波强度相比较，同一种介质中两光波强度相比较，结论：结论：波的强度与振幅的平方成正比波的强度与振幅的平方成正比。第38页，共84页，编辑于2022年，星期五三、验证光是电磁波的实验三、验证光是电磁波的实验：干涉、衍射干涉、衍射波波偏振偏振横波。横波。测光速测光速第39页，共84页，编辑于2022年，星期五电磁波谱电磁波谱:宇宙射线宇宙射线 射线射线x射线射线微波微波短短波波中中波波长波长波对数坐标对数坐标对数坐标对数坐标软软x射线射线真空紫真空紫外线外线紫紫外外光光可可见

37、见光光近红近红外光外光中红中红外光外光远红外光远红外光线性坐标系线性坐标系紫紫靛靛蓝蓝绿绿黄黄橙橙红红光光波波第40页，共84页，编辑于2022年，星期五(400700)nm的窄小范围的窄小范围各种波长的电磁波中，能为人所感受的是各种波长的电磁波中，能为人所感受的是这波段内电磁波叫这波段内电磁波叫可见光可见光，在可见光范围内，在可见光范围内，不同频率的光波引起人眼不同的颜色感觉不同频率的光波引起人眼不同的颜色感觉对应的频率范围是对应的频率范围是=（7.6 4.0）1014HZ760630600570500450430400(nm)红红橙橙黄黄绿绿青青蓝蓝紫紫第41页，共84页，编辑于2022年

38、，星期五任何频率的光在任何频率的光在真空中真空中的传播速度都相同的传播速度都相同。具有一定频率的光叫具有一定频率的光叫单色光单色光，不同频率，不同频率合成的光叫合成的光叫复色光复色光。第42页，共84页，编辑于2022年，星期五1.2 光的干涉原理光的干涉原理1.定定义义:满满足足一一定定条条件件的的两两束束光光发发生生重重叠叠,在在重重叠叠区区形形成成稳稳定定的的明明暗暗相相间间的的或或彩彩色色的的条条纹纹,这这种种现现象象叫光的干涉叫光的干涉.2.标志标志:稳定的干涉花样的存在。稳定的干涉花样的存在。第43页，共84页，编辑于2022年，星期五r1r2S1S2Sp第44页，共84页，编辑于

39、2022年，星期五1.2 光的干涉原理光的干涉原理1.2.1 光波的干涉和相干条件光波的干涉和相干条件第45页，共84页，编辑于2022年，星期五当两列波同时到达空间另一定点当两列波同时到达空间另一定点P时，时，P点的振点的振动表示为动表示为：振源的振动表达式：振源的振动表达式：(1.9)(1.10)第46页，共84页，编辑于2022年，星期五两波在两波在P点相遇后，在任意时刻的相位差为点相遇后，在任意时刻的相位差为:（1.11）光程光程：折射率和路程的乘积，：折射率和路程的乘积，用用 表示表示光程差：光程差：决定决定 的两个因素的两个因素:初始位相差和初始位相差和光程差光程差。K：波数第47

40、页，共84页，编辑于2022年，星期五合振幅合振幅光强光强干涉项干涉项即即若若而干涉项与位相差而干涉项与位相差有关。有关。合振幅合振幅振幅最大振幅最大,称相干相长称相干相长.第48页，共84页，编辑于2022年，星期五光强光强若若则则若若合振幅合振幅最小最小,称相干相消称相干相消.若若则则第49页，共84页，编辑于2022年，星期五若若等于其它值等于其它值在在之间变化之间变化.第50页，共84页，编辑于2022年，星期五合振动光强随位相差改合振动光强随位相差改变按余弦规律变化变按余弦规律变化,光强曲线如图：光强曲线如图：02相干迭加与非相干迭加相干迭加与非相干迭加相干迭加相干迭加:有干涉项效应

41、光强决定于有干涉项效应光强决定于按余弦规律变化按余弦规律变化.第51页，共84页，编辑于2022年，星期五非相干迭加非相干迭加:无干涉项效应无干涉项效应,合光强决定于合光强决定于,分光强直分光强直接相加接相加:非相干迭加的干涉相如何消失的呢非相干迭加的干涉相如何消失的呢?远大于振动周期远大于振动周期),我们实际观察到的光强总是在较长时间内的平均强度我们实际观察到的光强总是在较长时间内的平均强度(非瞬时值非瞬时值).在某一时间间隔内在某一时间间隔内(合振合振动平均强度动平均强度第52页，共84页，编辑于2022年，星期五若恒定,则有干涉项效应若不恒定,则干涉项效应消失第53页，共84页，编辑于2

42、022年，星期五三三相干条件相干条件条件条件:(1)相遇点位相差恒定相遇点位相差恒定(不随时间变化不随时间变化).或或(a)两波频率相同两波频率相同.(b)初位相差恒定初位相差恒定.(2)振动方向一致或有平行分量振动方向一致或有平行分量第54页，共84页，编辑于2022年，星期五1.3由单色波迭加形成的干涉花样由单色波迭加形成的干涉花样第55页，共84页，编辑于2022年，星期五一、一、位相差与光程差位相差与光程差:nS1S2若两相干光波在介质中传播若两相干光波在介质中传播p第56页，共84页，编辑于2022年，星期五S1S2传到传到P点的光振动的相位差：点的光振动的相位差：若若其中其中光程光

43、程:光程光程=折射率折射率 几何路程几何路程=nr第57页，共84页，编辑于2022年，星期五二二干涉花样的形状干涉花样的形状研究花样的形状研究花样的形状,归根到底是寻求归根到底是寻求亮暗点的集合亮暗点的集合(轨迹轨迹).1亮点条件亮点条件:位相差为位相差为的偶数倍的偶数倍j称为干涉级称为干涉级真空或空气中真空或空气中光程差为波长的整数倍或半波长的偶数倍光程差为波长的整数倍或半波长的偶数倍第58页，共84页，编辑于2022年，星期五2暗点条件暗点条件位相差为位相差为的奇数倍的奇数倍即即光程为半波长的奇数倍光程为半波长的奇数倍强度相同的点的轨迹强度相同的点的轨迹:常量常量满足上述方程的点的轨迹是

44、以满足上述方程的点的轨迹是以为轴的双为轴的双叶旋转双曲面叶旋转双曲面第59页，共84页，编辑于2022年，星期五第60页，共84页，编辑于2022年，星期五SS1S2X0L或或由几何关系，由几何关系，如图作辅助线如图作辅助线,两光波在两光波在P P点点的光程差：的光程差：相位差：相位差：3、明、明（暗）（暗）条纹条纹的距的距离离第61页，共84页，编辑于2022年，星期五（b b）当）当即即时，时，光强取得极小值：光强取得极小值：所以明条纹中心满足所以明条纹中心满足明条纹中心坐标：明条纹中心坐标：因因第62页，共84页，编辑于2022年，星期五暗条纹的中心坐标：暗条纹的中心坐标：屏幕上相邻两个

45、明条纹（或暗条纹）中心之间线距屏幕上相邻两个明条纹（或暗条纹）中心之间线距离，称为条纹间距离，称为条纹间距.对明条纹中心坐标微分：对明条纹中心坐标微分：条纹间距：条纹间距：暗条纹中心满足：暗条纹中心满足：第63页，共84页，编辑于2022年，星期五条纹间距公式：条纹间距公式：屏幕上的条纹间距与波长成正比，与屏幕上的条纹间距与波长成正比，与 L L 成正比，与双缝间距成正比，与双缝间距 d d 成反比成反比 、L L、d d 变化时，零级条纹中心的位置不变化时，零级条纹中心的位置不变变结论：结论：（a）（c）=常数常数（b）各级亮条纹的光强相等，相邻亮（暗）条纹都是等）各级亮条纹的光强相等，相邻

46、亮（暗）条纹都是等间隔的，与干涉级无关。间隔的，与干涉级无关。第64页，共84页，编辑于2022年，星期五-1级暗纹级暗纹2级暗纹级暗纹1级暗纹级暗纹-2级暗纹级暗纹1级明纹级明纹0级明纹级明纹-1级明纹级明纹2级明纹级明纹-2级明纹级明纹d）对应不同的）对应不同的j值，将有一对明或暗纹出现在中值，将有一对明或暗纹出现在中央明纹两侧。央明纹两侧。e）要清晰观察到条纹，波长一定，）要清晰观察到条纹，波长一定，d必须小到与波长必须小到与波长相比拟，且使相比拟，且使Ldf）干涉花样的强度记录了）干涉花样的强度记录了相位差相位差的信息。的信息。第65页，共84页，编辑于2022年，星期五1.4 获得相

47、干光源的方法获得相干光源的方法第66页，共84页，编辑于2022年，星期五普通光源与机械波源有本质区别普通光源与机械波源有本质区别:机械波源机械波源:独立振源的振动在观察时间内独立振源的振动在观察时间内.持续进行持续进行,不不发生中断现象发生中断现象,因而它们之间的因而它们之间的位相关系能保持不变位相关系能保持不变.独立独立振源一般都是相干的振源一般都是相干的,机械波干涉通常是比较容易实机械波干涉通常是比较容易实现的现的.普通光源普通光源(非激光光源非激光光源):观察不到相干现象观察不到相干现象.E2E1第67页，共84页，编辑于2022年，星期五一、普通光源发光的特点：一、普通光源发光的特点

48、：在同一时间有大批原子发光；在同一时间有大批原子发光；就单个原子而言，每个原子都是断断续续发就单个原子而言，每个原子都是断断续续发光，每次光，每次发光时间极短发光时间极短（10-8s）且一次只能）且一次只能发出一个有限长具有偏振性的的发出一个有限长具有偏振性的的波列波列。同一原子先后发出的光及同一瞬间不同原子同一原子先后发出的光及同一瞬间不同原子发出的光的频率、振动方向、初相位、发光发出的光的频率、振动方向、初相位、发光的时间均是的时间均是随机随机的。的。tt第68页，共84页，编辑于2022年，星期五结论：一般而言热光源及普通光源发出的光为非结论：一般而言热光源及普通光源发出的光为非相干光。

49、且同一光源上不同点发相干光。且同一光源上不同点发出的光也出的光也是非相干光。若要产生干涉须将非相干光是非相干光。若要产生干涉须将非相干光变为相干光。变为相干光。激光光源为相干光源激光光源为相干光源。将非相干光变为相干光的原则是：将非相干光变为相干光的原则是：“同出一源，分之为二同出一源，分之为二”第69页，共84页，编辑于2022年，星期五r1r2S1S2S纵截面图纵截面图屏屏双孔双孔单单缝缝二、相干光的获得二、相干光的获得原则：原则：同出一源，分之为二同出一源，分之为二杨氏干涉杨氏干涉1分波阵面法分波阵面法2分振幅分振幅第70页，共84页，编辑于2022年，星期五光强分布曲线光强分布曲线-4

50、-3-2-0 2 3 4 第71页，共84页，编辑于2022年，星期五上上面面讨讨论论的的是是一一个个原原子子发发光光的的情情况况实实际际上上，光光源源中中有有许许许许多多多多的的原原子子发发光光不不同同原原子子所所发发的的光光波波是是不相干的不相干的但但是是，若若用用单单色色点点光光源源，对对于于每每一一个个原原子子，L L,d d 都都相相同同，因因此此产产生生的的干干涉涉条条纹纹具具有有相相同同的的宽宽度度，相相同同级级次次在在相相同同的的位位置置不不同同原原子子的的干干涉涉条条纹纹不不相相干干的的重重叠叠在在一一起起它它们们明明纹纹和和明明纹纹相相重重，暗暗纹纹和和暗暗纹相重，使得条纹