大学物理资料-光学笔记+课件-第一章光的干涉.doc

第一章 绪论 1、光的本性据统计，人类感官收到外部世界的总信息中，至少有90%以上是通过眼睛。与天文、几何、力学一样，是一门古老的科学。十七世纪开始，探讨光的本性（光是什么）（1）光线模型；（2）微粒模型（牛顿）：光按惯性定律沿直线飞行的微粒流。折射：水中速度比空气中大，科技落后，无法用实验鉴别。（3）波动模型惠更斯：光是纵波一种特殊弹性媒质中传稀的机械波可解释反射、折射。十九世纪初，托马斯杨的双缝实验，菲涅耳在惠更斯基础上的理论，推动波动理论的发展。A、解释干、衍B、初步确定波长C、由光的偏振光是横波D、由波理，光在水中速度小于空气中，1862年付科证实，十九世纪中叶，波战胜微。惠菲旧波动理论与微粒理论：弱点：它们都带有机械论色彩，光现象为某种机械运动过程，光为弹性波，传播借助某种理想的特殊的弹性媒质（以太）充满空间因光速大，所以认为以太（一种极其矛盾的属性）密度极小，弹性模量极大。实验上无法证实，理论上显得荒唐。（4）量子模型麦克斯韦：磁理论主要是光的传播，很少涉及发射、吸收、光与物质相互作用尚未研究。两朵乌云（5）光的波粒二象性“粒子”与“波动”都是经典理论的概念。近代科学实践证明，光是十分复杂的客体。对它的本性问题，只能用它所表现的性质和规律来回答，光的某些方面的行为象经典的“波动”，另一方面的行为却象经典“粒子”，这就是所谓“光的波粒二象性”，任何经典概念都不能完全概括光的本性。2、光这的研究对象、分支（1）光学：研究光的传播以及它与物质相互作用的问题，不涉及光的发射、吸收与物质相互作用的微观机制。在传统上分为两部分：A、几何光学：波长可视为极短，波动效应不明显，把光的能量看成是沿着一根根光线传播的遵循反、折、直进等定律。B、波动光学：研究光的干、衍、偏。光与物质相互作用的问题，通常是在分子或原子的尺度上研究的。有时可用经典理论，有时又需要量子理论，这不属传统光学的内容，冠以“分子光学”、“量子光学”等。3、现代光学的发展（1）激光技术。特点：强度大、单色性发好，方向性强。（2）全息摄影（3）光学纤维：新型光学元件，用于光通讯、抗干扰力强，便于保密。（4）信息光学（5）非线性光学4、光源和光谱光源：任何发光物实验中特殊光源：电弧、气体辉光放电管。光发射的分类：（1）热辐射。在一定温度下处于热平衡状态下物体的辐射，叫热（温度）辐射。太阳、白炽灯（2）光的非热发射A、电致发光、日光灯、水银灯；气体放电管的发光靠电场补给能量。B、荧光：示波管、电视显象管的荧光屏。某些物体在放射线、射线、红外线、可见光或电子束的照射轰击下，可发出可见光（荧光）C、磷光：有的物质在上述各种射线的辐射后，可以在一段时间内持续发光。如：夜光表D、化学发光。腐物中的磷在空中缓慢氧化发生的光，“鬼火”。E、生物体的发光叫生物发光。荧火虫：特殊类型的化学发光过程。5、光的电磁理论光的强度指单位面积上的平均光功率，光的平均能流密度。坡印廷矢量的瞬时值在光频阶段，所有磁化机制对人眼（或感光你器）都不起作用，即 对简谐振动，平均值 E0为振幅 人眼比较光的相对强度 在比较不同媒质里的光强时，比例系数有与媒质有关的量6、光谱单色光：单一波长的光复合光：许多波长的光混合在一起用棱镜或其他分光器对各种普遍光源的光分析，发现大多不是单色光。例：太阳光（复合光），连续光谱 令代表波长在之间的光强 代表单位波长区间的光强，非单色光的按波长分布，叫光谱。：谱密度 连续谱 线光谱太阳光 原子发光 ：谱线宽度越小，单色性越好。第一章 光的干涉1 波动特性一、波场描述波动：振动在空间的传播形成波动波线：能量传播的路径波面：等相面（位相相等各点的转迹）球面波：点光源发射平面波：平行光束二、独立性、迭加性例：机械波（简谐振动的合成） 同一直线振动 在某一时间内（ 三、相干性1、相干迭加：位相差始终保持不变（1）当 （2）当 （3）当为任意值，且 光强弱按一定规律分布，即相干（4）如有N个相干光，相干迭加相长：相消：2、不相干迭加位相差随时变化，可看出实际上是两波的频率不一致， 强度直接相加，不相干如有个光源（或灯盏），则 四、光源和机械波源的区别机械波源中独立振源的振动在观察时间内通常是持续进行的，位相差保持不变，一般都相干。光辐射越起源于原子。2 单色波的干涉花样（仅讨论简谐波）一、位相差、光程差振源的振动 两频率相同的光波源 在某t时间到达p点则 1、位相差 2、光程及光程差均匀介质中光程即为相同时间内光在真空中通过的路程 空气中 二、干涉花样（1）干涉级数当 当 j称为干涉级次（2）条纹间距由图 相干最大：相干最小： 由图： 的张角） （3）分析A、各相等，等间距，与无关B、白光入射，级仍是白光，其余各级亮纹带色。C、干涉花样实质上体现了参与相干迭加的光波间位相差的空间分析。3 波面双光束干涉一、产生干涉的四件可分为三种1、分波面干涉2、分振幅3、分振动面二、几种典型的分波面干涉实验a、杨氏实验（双缝干涉）足够小为相干光源b、菲涅耳双面镜 特例：两独立激光光源（或两平行光相干） C、洛埃镜（为干涉区）实验结果分析：当屏与镜接触，接触点出现暗纹。说明反射光的光程在介质表面反射时损失了半个波长，这现象称为半波损失。D、维纳驻波实验片涂一落层感光乳胶入射波和反射波相遇在一起，也会发生相干迭加而形成驻波。在Ga（与接触的地方）无感光，即波切，即光产生了丰波损失。例：杨氏实验已知放的透明片遮住一孔，使条纹移动距离。求：薄片厚度l。解： 例：复合光入射，含（）求：第二级明纹的宽度解： 4 干涉条纹的可见度(光波的空时相干法)一、干涉条纹的可见度1、定义： 当 最大当 模糊2、单色波的V 当 当 若 例：有一双缝干涉装置，通过其中一缝的能量是另一缝能量的4倍。求可见度。解： 二、光源非单色性的影响1、相干长度通常的单色光源，并不是单一波长，有范围，从而影响可见度V。下以杨氏干涉为例 （1）j大，大，可见度降低（2）如果（）的j级与的(j+1)级重合，可见度为零时即 与该干涉级对应的光程差为实现相干的最大光程度，相干长度： 上式表明：光源的单色性决定产生干涉条纹的最大光程差。2、时间相干性（1）波列长度 光源向外发射的是有限长的波列，其长度由原子发光的持续时间和传播速度所确定。杨氏装置若两路光程差太大，大于光波列的长度，则刚到点，波到已过去，无法相遇，无固定位相关系，不相干。由此可见，波列长度至少应等于 例：白光（用眼睛观察），波列长度与波长同一数量级。钠光：低气压镉灯：激光：几百公里（2）相干时间波列通过考察点所需时间. 即光通过相干长度所需的时间，显然衡量光波场时间相干性的好坏是，大，相干性好。如对于观察点，若前后两时刻传来的光波隶属同一波列，则称它们是干光波，称该光波场具有时间相干性（与单色性紧密相联）。因为波列是沿光的传播方向通过空间固定点，所以时间相干性是光场的纵向相干性。三、光源线度的影响，空间相干性1、 光源线度的影响的光程差）如 则可见度为零实验中为扩展光源，其宽为，且，则可分为许多相距为的线光源对称为临界宽度，且，光源线度等于临界宽度时，可见度为零。2、空间相干性由 得 说明：之间距小于，光场空间相干。光场的空间相干性是描述光场中光的传播路径上空间横向两点在同一时间光振动的关联程度，又称横向相干性。四、相干条件（1）两列光波在相遇点位相差恒定（2）两列光波在相遇点振动方向同。（3）两列光波在相遇点光程差不太大（4）两列光波在相遇点所产生的振动振幅相差，不能太悬殊。5 菲涅耳公式一、公式电磁波（光波）通过不同介质的介面时发生反射和折射。上节剃刀的在反射过程中发生的半坡损损，如何解释。S：垂直P：平行S、P传播方向三者构成右手螺旋、反折射波的电矢量分成两个分量，S、P即垂直（S），平行（P）入射面两种。 各量的方向都是指紧靠两介质分量面0处而言的。传播中，电矢量方向不断变化。二、半波损失的解释1、掠入射（洛埃镜）在时，入射光和反射光的传播方向几乎相同。反射光中两分量的合矢量几乎与这里入射光中的合矢量方向相反。 即在o点，由于反射过程，振动方向变成相反的，即在同一地点，有半波损失。2、 垂直入射（非纳驻波）同样，在同一地点，反射光的合矢量几乎与入射光合矢量方向相反。 同一地点，由于反射，有半波损失。 由菲涅耳公式，得出结论： 入射光从光疏介质遇到光密质的界面时，在掠入射或正射两种情况下，反射光的振动方向对于入射光的振动方向都几乎相反，即反射产生半波损失。入射光从光密光疏，反射不产生半波损失，折射光的振动方向永不发生半波损失。三、额外程差总结：在落膜干涉中，介质的折射率6 分振幅薄膜干涉（一）等倾干涉一、点光源（单色）的等倾干涉 2、面光源的等倾干涉定域：无限远说明：（1）干涉花样为同心圆环，定域无限远（2）环的位置与光源上发光点的位置无关，只随光线的倾角度，所有发光点给出的干涉纹准确重迭。因而面光源的条纹强度大。（3）同一干涉圆环条纹上各点都具有同一倾角，即为等倾干涉条纹。（4）外圈干涉级小于内圈干涉级 即 （5）h大，条纹密，即 近似：很小 （6）一定大，则大），条纹向外移动 小，则小，条纹向中心缩。（7）中心处， ，在中心处出现（消失）一条纹在薄膜干涉中，只考虑了两束光的干涉，可解释如下：由菲涅耳公式，反射系数 折射系数为举个近似例子，很小（垂直入射）则如：光束1：光束2：光束3：因此，在薄膜干涉中可只做双光束干涉处理。例：薄膜，用来产生干涉来降低玻璃表面的反射，要使产生反射极小，覆盖层至少多厚？解： 二、等(厚)干涉1、单色点光源近似：一般采用正入射： 说明：（1）h同，j同，形成平行于尖劈的直线条纹，叫等厚干涉条纹，定域薄膜表面。（2）h大，j大。（3）h=0，零级暗纹（4）由 对于单色面光源：每一发光点入射角不同，形成各自的一组等原条纹，总花样取决于光强直接相加，较复杂。例：已知求： （1）条纹间隔；（2）（3）说明条纹变化 解： （1） （2）（3）条纹间距变密，向棱边靠拢，棱边由暗纹变明纹。作业：7、9、10、11二、薄膜色复合光入射，对一定入射角 或 条纹着色，某些波长相长（或消）迭加形成彩色条纹、混合色，称薄层色。如：肥泡，薄膜油脂，金属表面的薄氧化层，昆虫翼，在阳光下，显出灿烂色。因厚度不均匀，条纹为不规则曲线。例：有一薄膜，前端尖劈，有的单色波垂直照射，观察到15条暗纹，处对应一暗纹，求：h。解： 在b处，应为暗，h=0,j=0共15条暗纹，a处对应j=14 7 迈克尔干涉仪一、基本原理结构：一束光分裂为两束光即双光束干涉G1：分光板，半透半反的平面玻璃，可把入射光分成强度几乎相等的反射光和透射光。G2：补偿板：以白光入射，如无补偿，则不同入（即不同）的光在两光路中走过的光程一定不一样，难以找到等光程点。1、M1与形成空气薄膜，在的焦面上出现同心圆环干涉条纹2、，则出现近乎直线的等厚干涉条纹。3、可利用白光调节M1的位置（找等光程点）例：厚，原与水平方向成450，现转至竖直位置，有多少亮纹移过？解：与水平成450时，板内的光程 则 这两种情况下，光程差的改变： 又： 条作业：历史上，迈克尔孙干涉仪的应用及地位（光源运动对光速的影响）1887年，迈克尔孙一莫雷实验“光以太”、“电磁以太”，充满于一切物质（真空）之中，光源运动就是对这“以太”的运动。在洛仑兹电子论中认为“以太”是静止不动的，绝对参考系统可固定在“绝对静止”的“以太”上，物体“在静止以太”中运动（匀速）时，相对于物体（匀速）来部，应伴随“以太风”，这应可由实验测出。例：在迈一莫实验中，先源在“静止以太”中作匀速运动时，“以太风”必对光源所在惯性系中所测光速发生影响。在此，光源的惯性系即为地球。测“以太风”的实验中用来确定这惯性系本身对“以太”的速度，即绝对速度。（1）见图：光源和干涉仪固定于地球上。从洛仑兹观点，均随地球一起相对“静以”以速度向右运动。设“静以”中光速C，则在地面上观测光速为：C与的矢量和。先调至两臂相等为，出现等源干涉条纹。平行于的一臂 垂直于的一臂光对于“静止以太”的实际路程，时间为，相于“静止以太”的位置为，G相于“静止以态”的位置为G。 由于地球运动引起的时间差 附加光程差： （2）如把仪器转相对地面，两臂光速相等。 （3）再转900， 光程差改变量 设 （公转轨道速度） 差不多有半个条纹移动，干涉仪的精确速度可记录出条纹宽度移动的百分之一。1958年，塞达罗姆等人做了“以太风”的实验，其精度比迈一莫实验提高50倍，仍不能发现“以风”的存在，所以近代不再使用“媒质一以太”的概念。据经典电磁理论，电磁场以电磁波形式传播，场本身即是物质的一种形式，不需另外的“媒介”。这种场（物质）不是由分子、原子组成的，与具有力学性质的媒质有所不同，电磁场不能作为参考系统。因为迈实验结果指出：真空光的速度和光源或观察者的运动无关，即在不同惯性系中测得真空中光速都相同，因而要区别不同惯性系相对光的速度是没有意义的。1905年，爱因斯坦提出狭义相对论，此理论的全部内容以两个假设为基础。第一个假设：相对性原理的推广。即它除了适用于力学现象外，还包括了电磁波和光现象。第二假设：真空中光速不变原理。即光速和光源运动或接收器的均无关，为C。迈克一莫雷实验证实这两假设的正确性。8 法布里珀罗干涉仪 多光束干涉对双光束系统，振幅均为A0。则 如果连续改变，用实验方法不易测定最大值或最小值的精确位置。而下面这种光强分布则易测法布里珀罗干涉仪可产生这样的光强分布一、基本原理镀银面的反射率为1、2、3、4、5、每相邻两束光： 若第一束初位相为0，则各光束位相