大学光学光的干涉

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。 我想知道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 我为什么想知道这是为什么！ - 费因曼 绪论 二、光学的分类 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 光 子 学 现 代 光 学 量 子 光 学 波 动 光 学 几 何 光 学 ? ? ? 物理光学 光学是研究光的产生、发射、传播、接收、光与物质相 互作用的学科，是物理学的一个重要分科。 一、什么是光学 光是一种重要的自然现象，我们之所以能看到客观世界 中的景象，是因为眼睛接受物体发射、反射或散射的光。 1几何光学（Geometrical Optics） 以

2、光的直线传播等实验定律为基础，用几何学方法研究光 学仪器成象的规律和消除像差的方法及特殊光学仪器的设计 原理等。光学的这一分支称为几何光学。 3.现代光学 激光光学：激光物理、激光技术、激光应用等。 全息光学：光学全息与信息处理等。 晶体光学：光波在晶体中的传播及晶体的电光效应等。 集成光学：集成光路理论及制造等。 2物理光学（Phyciccal Optics） 以光的波动性和粒子性为基础，研究光现象的基本规律。 波动光学研究光的波动性即干涉、衍射、偏振的学科。 量子光学用光的量子理论研究光与物质相互作用的微 观机制、遵从的规律及其应用的学科。 傅立叶光学：光学傅立叶分析、傅立叶变换等。 激光

3、光谱学：物质微观结构及分子运动规律的分析等。 非线性光学：光学介质与强光的相互作用。 瞬态光学、光纤通信、光信息存储、受激拉曼散射、受 激布里渊散射、飞秒激光 三、对光本性的认识 1、萌芽时期（远古-15世纪末、16世纪初） 光学的起源可追溯到古代，我国春秋战国时期，墨翟（前 468 前376）及其弟子所著的墨经中，就记载着光的直线 传播（影的形成和针孔成像等）和光在镜面（凹面和凸面）上 的反射等现象，并提出了一系列经验规律，把物和像的位置及 其大小与所用镜面的曲率联系起来。克莱门德(Cleomedes)和 托勒密(C.Ptolemy，公元90-168年)研究了光的折射现象，最 先测定了光通过

4、两种介质分界面时的入射角和折射角。培根 (R.Bacon，公元1214-1294 年)提出用透镜校正视力和采用透 镜组构成望远镜的可能性，并描述过透镜焦点的位置。无论就 时 间还是就科学性来讲，墨经称得上是有关光学知识的最早 记录。比希腊数学家欧几里德所著的光学早100多年。到 15世纪末和16世纪初，凹面镜、凸面镜、眼镜、透镜以及暗 箱和幻灯等光学元件的相继出现，预示几何光学时期即将到来。 2、几何光学时期（16世纪初19世纪初） 这一时期可以称为光学发展史上的转折点。在这个时期， 建立了光的反射定律和折射定律，奠定了几何光学的基础。同 时为了提高人眼的观察能力，人们发明了光学仪器，第一架望

5、 远镜的诞生促进了天文学和航海事业的发展，显微镜的发明给 生物学的研究提供了强有力的工具。到17世纪中叶，基本上已 经奠定了几何光学的基础。17世纪下半叶，牛顿根据光的直线 传播性质，提出了光是微粒流的理论。惠更斯反对光的微粒说， 从声和光的某些现象的相似性出发，认为光是在“以太”中传 播的波。这一时期中，在以牛顿为代表的微粒说占统治地位的 同时，以惠更斯为代表的波动说也初步提出来了。 3、波动光学时期（19世纪初20世纪初） 19世纪初，初步发展起来的波动光学的体系已经形成。 1801年杨氏最先用干涉原理令人满意的解释了白光照射下薄 膜颜色的由来并做了著名的“杨氏双缝干涉实验”，还第一 次成

6、功的测定了光的波长。1815年菲涅耳用杨氏干涉原理补 充了惠更斯原理，形成了人们所熟知的惠更斯菲涅耳原理。 1808年马吕斯偶然发现光在两种介质界面上反射时的偏 振现象。随后菲涅耳和阿拉果对光的偏振现象和偏振光的干 涉进行了研究。 1845年法拉第揭示了光学现象和电磁现象的内在联系。 麦克斯韦在1865年的理论研究说明光是一种电磁现象。这个 理论在1888年被赫兹的实验所证实。至此，确立了光的电磁 理论。 电磁波的波谱为： 宇宙射线 10-1010- 8m 射线10-810- 4m X射线10-510- 1m 光波 10-3101m 软X射线 10-31.5X10-1m 真空X射线 1.5X1

7、0-10.25m 紫外线 0.25 0.4m 可见光 0.39 0.77m 紫 390 450nm 靛蓝 450 492nm 绿 492 577nm 黄 577 597nm 橙 597 622nm 红 620 770nm 近红外线 0.77 1.5m 中红外线 1.5 15m 远红外线 15 1000m 微波 10 103mm 短波 103 105mm 中波 105 106mm 长波 107 mm 光的电磁理论在整 个物理学的发展中起着 很重要的作用，它指出 光和电磁现象的一致性， 使人们在认识光的本性 方面向前迈出了一大步。 5、现代光学时期（ 20世纪中 20世纪末） 4、量子光学时期（2

8、0世纪初20世纪中） 19世纪末到20世纪初，光学的研究深入到光的发生、光和 物质相互作用的微观机制中，开始了量子光学时期。1905年爱 因斯坦发展了普朗克的能量子假设，把量子论贯穿到整个辐射 和吸收过程中，提出了杰出的光量子（光子）理论，圆满地解 释了光电效应，并被后来的许多实验（例如康普顿效应）证实。 至此，人们一方面通过光的干涉、衍射和偏振等光学现象证实 了光的波动性；另一方面通过黑体辐射、光电效应和康普顿效 应等又证实了光的量子性粒子性。 激光的发明，为人类提供了定向性、单色性、相干性很好的 高亮度光源，使光学在理论上和技术上有了新的突破，从此，光 学进入了现代光学时期。光学与许多科学

9、技术领域紧密结合，相 互渗透，派生出许多崭新的分支学科。如激光光学、全息光学、 晶体光学、集成光学、傅立叶光学、激光光谱学、非线性光学、 瞬态光学、光纤通信、光信息存储、受激拉曼散射、受激布里渊 散射等。 6、光子时代（ 21世纪） 光子学作为一门新兴科学，它研究光子的产生、放大、 传输、控制和探测，以及将这些技术应用于能量产生、通信、 信息处理等学科。 21世纪光子学的发展由量变到质变，其 发展趋势有两个：一是光子技术将从光电混合技术向全光化 的方向发展，为实现全光通讯系统、全光计算机、全光网络 而奋斗。光计算机，由于采取了光信息存储，并充分吸收了 光并行处理的特点，它的运算速度将会成千倍地

10、增加，信息 存储能力可望获得极大的提高，甚至可能代替人脑的部分功 能。没有20世纪光学的巨大进步，就没有今天信息社会的到 来。二是微米尺度的光子学向纳米光子学发展，最终实现光 子器件与电子器件的共集成。 科学家对光学的评价 “ 增加我们对光和光子的认识就意味者我们对 物质世界的认识和自由度”。 “如果我们能理解光能自由自在的控制光、 利用光，我们对物质就能自由操作了，也许 我们能在本质上认识物质世界和宇宙了”。 “我们对光和光子认识和利用前进一小步， 人类社会就前进一大步”。 五、怎样才能学好光学 师生配合 认真备课 因材施教 重点突出 方法先进 为人师表 要求严格 课前预习 认真听讲 做好笔

11、记 课后复习 完成作业 每章总结 平时成绩包含：考勤，课堂笔记，课堂提问，作业，每章总结， 期中测试，课程论文。 实验 提出 假说 形成 理论 反复 实验 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 光的电磁理论 波动的叠加 光波的叠加 双光束干涉 多光束干涉 1-1 波动的独立性、叠加性和相干性 复习： ? ? ? ? ? ? ? ? 电磁波：横波 方向平行纵波：振动方向与传播 方向垂直横波：振动方向与传播 机械波 波 一、自由空间平面电磁波 (Electromagnetic waves)的性质 1.横波 2. 、同位相 （

12、即在任何时刻、任何地点 它们都是同步变化） E ? H ? )cos()(cos 00 krtA v r tAE? )cos()(cos 00 krtH v r tHH? 平面电磁波的波函数与平面简谐波形式相同： 3. 0000 HA rr ? 和成比例 0 A 0 H 1-1 波动的独立性、叠加性和相干性 5.电磁波的能流密度矢量 HES ? ? 能流密度的平均值： 00 2 1 HAS ? 00 2 0 00 2 1 )(cos 1 HAkrtHA T S T ? ? 4. 00 1 ? rr ?v 波速: 真空中: 00 1 ? ?c c = 2.997 924 58 10 8 m/s

13、rr c v ? ?所以 光波: 特定波段的电磁波二、电磁波谱 The electromagnetic spectrum 三、光波 1. 可见光范围 ?=4.5 10 14 7.310 14 Hz 光频波段： rr ?n1 ，所以， v c n? 2光的速度与折射率 OO AA 76003900?）=0.39m0.76m之间（ rr c v ? ?因为 rr n?所以 物理仪器检测到的光强I 是由能流密度大小决决定的，即玻 印亭矢量S 的平均值： |S|I ? 3. 光的强度（辐照度） 2 0 AI ? 在同一介质中相对光强: 在光波的两个场量和中，对人眼和感光仪器起主要作 用的电矢量，因此将

14、称为光矢量。 E ? E ? H ? E ? 2 00 2 0 0 0 00 2 1 2 1 2 1 AncAHAIS r r ? ? ? ? 四. 单色平面光波球面波 波面与波线 波面：某一时刻波场中振动相位相同 的点的集合。等相面/波阵面 波线：表示波动能量传播的几何径迹 单色平面光波 波面为平面的波 单色:该波只有单一 频率?, 即简谐波. 球面波 波面为球面的波 Wave fronts r E k l O P A perfect spherical wave 独立性 五、机械波的独立性和叠加性 几列波在空间相遇时，只要扰动不十分强烈 （强度较 小），且所处介质为线性介质，则各波可以保持

15、其原有 的传播特性，即 频率、振幅、振动方向等不变 ，并在离 开相遇区后仍按原来的行进方向继续前进，彼此无影响。 叠加性 波在相遇的区域内，任一点处质点 的振动为各列波单独在该点引起的振动的 合振动，即在任一时刻，该点处质点的振 动位移合位移为各波分别单独传播时在该 点引起的位移的矢量和。 21 EEE ? ? 干涉：振动强度按空间周期性变化。 干涉图样：在叠加区域内，各点处的振动强度有一定的非均匀 分布的整体图象。 六、波的干涉 振动方向相同； 振动频率相同； 相位相同或相位保持恒定。 能产生干涉现象的波称为相干波，相应的波源称为相干波源。 与机械波类似，光波也有的干涉现象。 干涉现象是波动

16、形式所独具的重要特征之一。 例：水波的干涉 相干？ 为什么通常的独立光源无干涉现象（称不相干） 只有光源经过诸如杨氏干涉等特殊装置才有干涉现象。 下面围绕振动和波的联系来分析，即波的叠加归结 为振动的叠加。 问题 2211 211 coscos sinsin tan ? ? ? AA AA 2 ? ? ? 1 ? 1 A 2 ? 2 A 12 ? A ? 七、相干与不相干叠加 两个沿同一直线的简谐振动 )cos( )cos( 222 111 ? ? tAE tAE )cos( 21 ?tAEEE )cos(2 2121 2 2 2 1 ?AAAAA 在观察的间隔 内，合振动平均强度（平均光强I

17、）： 1、相干叠加：（电磁振动不中断） )cos(2 212121 ?IIIII ? ? ? ?coscos 1 0 ? ? dt dtAAAA dtAAAA dtAAI )cos( 1 2 )cos(2 1 1 21 0 21 2 2 2 1 2121 2 2 2 1 0 0 22 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 干涉相长: 光强度(合振动平均强度）达到最大值。 干涉相消: 光强度(合振动平均强度）达到最小值。 ?cos2 2121 IIIII 干涉项干涉项 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? cos2 21 2 2 2 1 2 21 2 21 AAAA AA AA I ? 任意 ? ? ? 12 2 j j .3,2, 1,0 .3,2, 1,0 ? ? j j 12 ? I 021 III? 2 cos4)cos1(2 2 00 ? ? ? ?III? 特例： 0 4I I ? 相长干涉 0?I相消干涉 n IIII? 321 若 2 )