第25.1讲 相干光.ppt

1、第五篇,波动光学,波动光学研究光的波动性。,包括光的干涉、光的衍射和光的偏振。,序,光的波动性,一.光本质的认识过程,1.微粒说与波动说之争,1850年5月6日，Foucault的实验证明,惠更斯,牛 顿,光是按照惯性定律沿直线飞行的微粒流,光是在一种特殊弹性介质中传播的机械波,傅科：陀螺仪的发明者,二、光学分类,几何光学,物理光学 波动光学 量子光学,现代光学 激光、全息光学、非线性光学、 付里叶光学、光信息、光通讯,2. 光学理论发展过程,麦克斯韦的电磁理论指出，人们眼睛通常所能感知的光其实是一种电磁波。电磁波是横波，由两个相互垂直的振动矢量即电场矢量 和磁场矢量 来表示。对于沿 z 轴正

2、向传播的平面电磁波，其波动方程为,在光波中，对人的眼睛和感光仪器产生作用的是电场矢量 ，因此我们常常将 称为光矢量， 的振动又常称为光振动。在下面的讨论中，我们将主要讨论 振动。,三、电磁波理论的一般结果,可见光频率范围,可见光波长范围,单色光只含单一波长的光,复色光含多种波长的光,准单色光光波中包含波长范围很窄的的光,400 450 500 550 600 650 760nm 紫 蓝 青 绿 黄 橙 红,1.光谱,太阳光中的可见光就是波长连续分布的白光,白光通过三棱镜时发生色散形成一个连续光谱,有些物质的光谱是分立的线光谱,下图是氦（He）的光谱,严格的单色光是不存在的，任何光源发出的光都有

3、一定的频率范围，且每种频率的光所对应的强度是不同的。,以波长（频率）为横坐标，光强度为纵坐标画出的如右图所示的曲线称为光谱曲线（谱线）。谱线所对应的波长范围越窄，谱线就越尖锐，光的单色性就越好。,设最大强度I0 对应的波长为0 ,用强度下降到I0 一半的两点之间的波长范围 作为谱线宽度。,钠光灯、汞灯等普通光源谱线宽度的数量级为10-1 103 ；激光谱线宽度的数量级为109（m）。,人眼对可见光的响应,在波动光学中，主要讨论的是相对光强，因此在同一介质中直接把光强定义为,光波的平均能流密度称为光强，用 I 表示。,2.光强：,3.光速,光波的传播速度（相速度）决定于介质的性质,在真空中光速为

4、,定义该介质的折射率为,则介质中光速又可表为,由于一般有,因此通常情况下光在介质中的传播速度要小于在真空中的传播速度。,在介质中光速为,4. 波长,当光源和观察者相对于介质静止时，光波的频率仅仅取决于光源，与介质无关；而光的波长不仅决定于发光物体，还决定于介质的折射率，因此同一光源发出的光在不同介质中传播时，具有相同的频率，但是具有不同的波长。,在真空中,在介质中,因此光在介质的波长为,光在介质中的波长是它在真空中波长的 n 分之一,光的干涉,第十二章,12.1 光源 、光的相干性,一、光源,利用化学能、电能或光能激发的称为冷光源，例如磷光、辉光等,光源,普通光源,热光源,冷光源,利用热能激发

5、的光源称为热光源例如火、太阳、白炽灯等；,激光光源,1.光源的发光机理,不同光源的激发方式不同，其发光机理也不相同。,热光源,大量的低能级原子、分子（或离子）在热能的激发下跃迁至高能级激发态。,向高能级跃迁,激发态是不稳定的，原子在激发态上的平均寿命只有大约 10-10 s ，因此原子会自发地向低能级或者是基态能级跃迁。,在跃迁过程中，每个原子将多余的能量以电磁波形式向外辐射，如果辐射频率处在可见光波段，就称之为“发光”。,向低能级跃迁,自发辐射,原子发光的时间极短。仅仅只有 10-8 s ，在空间上形成有限长度的波列。,由于各单元发光是彼此独立的，互不相关的，因此在同一时刻不同单元所发出的电

6、磁波列具有不同的振动方向，不同的频率和不同的相位。另外原子发光具有间歇性，因此即使是同一原子在不同时刻所发的电磁波列的频率，振动方向和相位也不尽相同。,光源的最基本发光单元是分子、原子或离子,普通光源的自发辐射,独立(不同原子发的光),独立(同一原子先后发的光),发光具有随机性,发光具有间隙性,频率不同,我们通常所见到的光波，就是大量的电磁波列彼此迭加之后的结果。由此可见，普通光源所发出的光一般是复合光，具有不同的频率成份。另外，光矢量没有确定的振动方向和确定的相位关系。,激光光源,完全一样 (频率、相位、振动方向) （以及传播方向),受激辐射,由热激发或场激发至高能级的原子通过自发辐射进入亚

7、稳态，形成粒子数分布反转。,二、光的相干性,频率相同 光矢量方向相同,考察：两束光,在 p 点相遇,对于机械波，两列振动方向相同的同频率的简谐波一定相干，但是用两个独立的同频率的单光源却不一定能获得光的干涉图样。,考虑这两个同频率单色光在空间 p 点的光矢量大小分别为,原子（或分子、离子）发光时间极短，人眼和感光仪器所感觉到的光强应该是瞬时光强在一个较长时间内的平均值，即：,则合成后,合成后的光强分布,1. 非相干叠加,独立的两只普通光源发出的光束 或同一光源的不同部位所发出的光束,叠加后光强等与两光束单独照射时的光强之和 无干涉现象,所以,初相差 “瞬息万变”,可以是0到2间的任意值,2. 相干叠加,满足相干条件的两束光, 由于初相差恒定,有干涉现象,若,干涉相长,干涉相消,则对于空间指定点,第三项成为干涉项,对于相干光源，若,干涉结果可以直接用波程差讨论,干涉相长,干涉相消,其中,满足相干条件的光称为相干光。 产生相干光的光源称为相干光源。,光的相干条件,光矢量的振动方向相同，,频率相同，,初相差恒定。,分割波振面,分割振幅,3.获得相干光的方法,利用普通光源获得相干光的方法的基本原理是把由光源上同一点发出的光设法分成两部分，然后