《GGS光学》PPT课件.ppt

波动光学（Wave Optics）,光学是研究光现象，光的本性和光与物质相互作用的学科。人类对光的研究已有3000余年的历史, 20世纪60年代激光问世后，光学有了飞速的发展，形成了现代光学。,几何光学：以光的直线传播规律为基础，研究各种光学仪器的理论。,波动光学：研究光的电磁性质和传播规律，特别是干涉、衍射、偏振的理论和应用。,量子光学：以光的量子理论为基础，研究光与物质相互作用的规律。,限于本课教学要求，将只讲授波动光学与量子光学。,光学通常分为以下三部分：,第三章 光的干涉（Interference of light）,3.1 光源的发光特性,3.2 双缝干涉 (double slit interference),3.4 空间相干性（spatial coherence）,3.3 时间相干性（temporal coherence）,3.5 光程（optical path）,3.6 薄膜干涉（一）等厚条纹,3.7 薄膜干涉（二）等倾条纹,3.8 迈克耳逊干涉仪,3.1 光源的发光特性,一、光源（light source）,a) 最基本发光单元是分子、原子、原子核等有内部结构的粒子团,1. 普通光源：自发辐射,能级跃迁辐射 发光时间t10-8s,独立指：前后发光间隔 频率 相位关系 振动方向 传播方向,2. 激光光源：受激辐射,b)带电粒子加（减）速、穿越介质的界面、在介质内以高于光在该介质内的速度运动、在电磁场中运动,二、光的相干性,同一个原子发出的同一个波列之间的干涉，所以缝间距或薄 膜厚度不能太大，以后再详细讨论。,3.2 双缝干涉 (double slit interference),一、杨氏双缝干涉实验,条纹特点： 1. 一系列平行明暗相间条纹 2. 视场不太大时条纹等间距 3. 中间级次低， 4. 白光入射时，0级亮纹为白色（可用来定0级位置），其余级亮纹构成彩带， 第2级开始出现重叠（为什么？）,可用来测l,二、其他分波面干涉实验,3.3 时间相干性（temporal coherence）,光源的非单色性对干涉条纹的影响是时间相干性问题。,理想的单色光：具有恒定单一频率的简谐波，它无限伸展。,准单色光：在某个中心频率（波长）附近有一定频率 （波长）范围的光。,造成谱线宽度的原因：,1. 自然增宽：由能级自然宽度形成,2. 多普勒增宽：分子、原子的热运动引起,3. 碰撞增宽：碰撞可增加原子能级宽度 气体：,4. 外界辐射作用引起的增宽：辐射对原子的作用也会增加能级宽度。该作用在微波范围较明显，对可见光的影响不大。,由于谱线宽度的存在，（准）单色光入射到双缝装置后，不同的干涉条纹，除0级外，其余级次都将错开，并出现不同级次的重叠。重叠处光强是非相干叠加的，如书P130图3.11所示。,在 范围内不同的干涉亮纹强度极大值 位置按级次排列的情况如下图示,双缝干涉亮纹条件 ，当对应的 kM级次与对应 的 kM+1级次重合时，此后条纹连成一片，于是有,考虑到 ，上式经整理得：,相干长度(coherent length),：中心波长,：普通单色光只有几mm几 cm 激光可达几十几百km,相干时间 (coherent time) t ：光通过相干长度所需时间,（时间相干性越好）,时间相干性是波列长度有限引起的。如书P132图3.12所示，若L为波列长度,：发生干涉的最大波程差。, 时间相干性的好坏，就用波列长度L（相干长度）或波列延续时间 t（相干时间）来衡量。,3.4 空间相干性（spatial coherence）,对普通单色光源，光源尺寸对干涉有重要影响。设光源宽度为b，把它视为许多平行双缝的线光源组成。,b,当N对应的0级亮纹和L对应的+1级亮纹重合时，条纹就亮成一片（条纹消失）。可以证明（书P136），在Bd，b的条件下，此时有：,光源的极限宽度,bb0就观察不到干涉条纹了(为观察到较清晰的干涉条纹通常取bb0/4)。,相干孔径角,从另一角度看，若b, B一定，d必须小于某个值d。,对激光光源，因光束输出截面上各点发的光都是相干的，所以光源宽度不受以上限制。,空间相干性虽然对光源线度提出了限制，但也可以利用空间相干性的干涉条纹消失进行某种测量。例如测遥远星体的角直径：,调节d使d=d0，条纹刚好消失，则：,考虑到光源是球形，且是双孔不是双缝，以及衍射效应，有,得,屏上条纹消失时，反射镜M1M2间的距离就是d0，1920.12测猎户座a星（参宿四）橙色 测得：,实际上，因为 很小 是较大的，可达数米至十几米。,3.6 光程（optical path）,相差在分析光的叠加时十分重要，为便于计算光通过不同媒质时的相差，引入光程概念。,例：如图示，在S2P间插入折射率为n、厚度为d的媒质。,求：光由S1、S2到P的相位差 。,解：光通过媒质时 n 不变，但要 l 变为 l。,l真空中的波长，l 媒质中的波长,从相位看：媒质中距离d包含的波长数与真空中距离nd包 含的波长数相同，即二者产生相同的相差。,从时间看：光在媒质中通过距离d的时间与在真空中通过 距离nd的时间相同。,nd折射率为n的媒质中光在距离d上的等效真空路程光程,光程是个折合量，在相位改变相同或传播时间相同的条件下，光在媒质中传播路程d等效于光在真空中传播的路程nd。,光通过多种媒质时,在光学中常用到透镜。需要指出的是透镜不产生附加光程差，如书P140图3.18所示。,*几何光学中费马原理：两点间光线沿光程最短路径,3.7 薄膜干涉（一）等厚条纹 (film interference) (equal thickness fringes),等厚条纹同一条纹反映膜的同一厚度。, 薄膜干涉是分振幅干涉。, 日常中见到的薄膜干涉：肥皂泡，雨天地上的油膜， 昆虫翅膀其上的彩色。, 膜为何要薄？光的相干长度所限。, 薄膜干涉有两种条纹：,本节介绍等厚条纹的干涉装置。,等倾条纹同一条纹反映入射光的同一倾角。,录象,干涉在膜表面附近形成明、暗相间的条纹。,明纹：,暗纹：,同一厚度e对应同一级条纹等厚条纹,如书P142图3.20所示。在棱边处 e =0，由于半波损失而形成暗纹。,动画,演示,肥皂膜劈尖的干涉,一格相差 半波长,二、牛顿环 ( Newton ring ),牛顿环装置简图,(1)代入(2)得，第k级暗环半径,实用的观测公式：,演示：牛顿环,动画,牛顿环的应用：,3.8 薄膜干涉（二）等倾条纹 (equal inclination fringes),薄膜厚度 e =const.,光束1、2的光程差,当k(或k)一定时，i也一定，即倾角i相同的光线对应同一条干涉条纹等倾条纹。,为什么等倾干涉条纹是同心圆？,以入射角 i 入射光线 可形成一圆锥面， 反射光也在此圆锥面,光源上每一点发出的光束产生一组相应的干涉环。不管从光源哪点发的光，只要入射角i相同，都将汇聚在同一个干涉环上（非相干叠加），因而明、暗对比更鲜明。这就是观察等倾条纹，使用面光源的道理。,观察等倾条纹的实验装置和等倾条纹照相如P148图3.27(a)和(b)所示。,为什么等倾干涉可用扩展光源？,分析干涉环级次的分布,明纹,即膜厚变大的过程中，不断有条纹从中间“冒”出来。,