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1、rjzhang 张荣君 复旦大学信息学院 张荣君 复旦大学信息学院 021 - 65643559 ? ? 几何光学：几何光学：几何光学：几何光学： 以光的直线传播为基础，研究光在 透明介质中的传播问题。 以光的直线传播为基础，研究光在 透明介质中的传播问题。 ? ? 内容：内容：内容：内容： 光的直线传播定律光的直线传播定律 光的独立传播定律光的独立传播定律 光的折射和反射定律光的折射和反射定律 费马原理费马原理 ? ? 波动光学：波动光学：波动光学：波动光学： 以光的波动性为基础，研究光的传播 及其规律。 以光的波动性为基础，研究光的传播 及其规律。 ? ? 内容：内容：内容：内容： 干涉干
2、涉 衍射衍射 偏振偏振 ? ? 量子光学：量子光学：量子光学：量子光学： 以光和物质相互作用时所显示出的 粒子性为基础，来研究光的一系列规律 以光和物质相互作用时所显示出的 粒子性为基础，来研究光的一系列规律. ? ? 内容：内容：内容：内容： 光和物质的相互作用规律光和物质的相互作用规律 ? ? 现代光学：现代光学：现代光学：现代光学： 反映了光学进一步与各个科技领域 的紧密结合。 反映了光学进一步与各个科技领域 的紧密结合。 ? ? 内容：内容：内容：内容： 激光、全息摄影、光纤激光、全息摄影、光纤 光学计算机、傅里叶光学光学计算机、傅里叶光学 红外技术、遥感、遥测等红外技术、遥感、遥测等
3、 rjzhang 光的衍射与干涉光的衍射与干涉光的衍射与干涉光的衍射与干涉 主要内容主要内容 ?衍射：衍射： 1. 衍射现象、惠更斯菲涅耳原理、圆孔衍射现象、惠更斯菲涅耳原理、圆孔(盘盘) 衍射、光学仪器分辨本领；波带片衍射、光学仪器分辨本领；波带片 2. 单、双缝衍射：光栅单、双缝衍射：光栅(多缝干涉、光谱仪多缝干涉、光谱仪) 3. X光衍射（三维衍射）光衍射（三维衍射） ?干涉：干涉： 1. 薄膜干涉薄膜干涉(等厚、等倾干涉、牛顿环、增透膜等厚、等倾干涉、牛顿环、增透膜) 2. 麦克耳孙干涉仪与法布里珀罗干涉仪麦克耳孙干涉仪与法布里珀罗干涉仪 (多光 束干涉 多光 束干涉) ?全息照相全息
4、照相 衍射与干涉是波动的共性，二者紧密相连。衍射与干涉是波动的共性，二者紧密相连。 对光的衍射的定量解释的依据就是光的干涉对光的衍射的定量解释的依据就是光的干涉。 干涉就是相位差恒定的同向振动的叠加干涉就是相位差恒定的同向振动的叠加。 光的相干性光的相干性光的相干性光的相干性光的相干性光的相干性 一、光源一、光源一、光源一、光源 两大类光源： 普通光源 激光光源 两大类光源： 普通光源 激光光源 光源：光源：发光的物体发光的物体 普通光源按光的激发分为以下几种普通光源按光的激发分为以下几种： 普通光源按光的激发分为以下几种普通光源按光的激发分为以下几种普通光源按光的激发分为以下几种普通光源按光
5、的激发分为以下几种： 光致发光：光致发光：由光激发引起的发光现象由光激发引起的发光现象光致发光：光致发光：由光激发引起的发光现象由光激发引起的发光现象由光激发引起的发光现象由光激发引起的发光现象 热光源：热光源：利用热能激发的光源利用热能激发的光源热光源：热光源：利用热能激发的光源利用热能激发的光源利用热能激发的光源利用热能激发的光源 电致发光：电致发光：由电能直接转换为光能由电能直接转换为光能电致发光：电致发光：由电能直接转换为光能由电能直接转换为光能由电能直接转换为光能由电能直接转换为光能 化学发光：化学发光：由化学反应引起的发光现象由化学反应引起的发光现象化学发光：化学发光：由化学反应引
6、起的发光现象由化学反应引起的发光现象由化学反应引起的发光现象由化学反应引起的发光现象 冷光源：冷光源：萤火虫等生物发光时，它的温度并不比环境 温度高，这种发光叫冷发光，这类光源叫冷光源 萤火虫等生物发光时，它的温度并不比环境 温度高，这种发光叫冷发光，这类光源叫冷光源 冷光源：冷光源：萤火虫等生物发光时，它的温度并不比环境 温度高，这种发光叫冷发光，这类光源叫冷光源 萤火虫等生物发光时，它的温度并不比环境 温度高，这种发光叫冷发光，这类光源叫冷光源 普通光源发光的两个特点：普通光源发光的两个特点：普通光源发光的两个特点：普通光源发光的两个特点： 各原子发光是断断续续的，平均发光 时间t约为10
7、 各原子发光是断断续续的，平均发光 时间t约为10-8 -8秒，所发出的是一段长为 L=ct的光波列。 秒，所发出的是一段长为 L=ct的光波列。 间歇性：间歇性：间歇性：间歇性： 每次发光是随机的，所发出各波列的振 动方向和振动初位相都不相同。 每次发光是随机的，所发出各波列的振 动方向和振动初位相都不相同。 随机性：随机性：随机性：随机性： 能产生干涉现象的光能产生干涉现象的光 二、光（波）的干涉二、光（波）的干涉二、光（波）的干涉二、光（波）的干涉 波的干涉干涉条件：波的干涉干涉条件： 频率相同，振动方向相同，有恒定的位相差。频率相同，振动方向相同，有恒定的位相差。频率相同，振动方向相同
8、，有恒定的位相差。频率相同，振动方向相同，有恒定的位相差。 相干光相干光相干光相干光 相干光的条件：同频率、同振动方向、相位差恒定相干光的条件：同频率、同振动方向、相位差恒定 两独立光源发出的光不可能产生干涉两独立光源发出的光不可能产生干涉 rjzhang 相干光的获得方法相干光的获得方法相干光的获得方法相干光的获得方法 原则是原则是“一分为二一分为二” :有分波振面法和分振幅法两种有分波振面法和分振幅法两种 分波振面法分波振面法分振幅法分振幅法 1 n 2 n 3 n 1 1 2 2 P rjzhang 三、光程三、光程三、光程三、光程三、光程三、光程 () = 1 1 2 2 12 2 v
9、 r v r rr 两束相干光的位相差一般可表示为：两束相干光的位相差一般可表示为：两束相干光的位相差一般可表示为：两束相干光的位相差一般可表示为： 如果两束光在两种不同媒质中传播：如果两束光在两种不同媒质中传播：如果两束光在两种不同媒质中传播：如果两束光在两种不同媒质中传播： 2 2 1 1 , v c n v c n= 则位相差为：则位相差为：则位相差为：则位相差为： ()() 11221122 1 1 2 2 2 rnrnrnrn cv r v r = = rjzhang 光程的物理意义：光程的物理意义：光程的物理意义：光程的物理意义： 光程是光在媒质中通过的路程折合到光程是光在媒质中通
10、过的路程折合到光程是光在媒质中通过的路程折合到光程是光在媒质中通过的路程折合到 同一时间内在真空中通过的相应路程。同一时间内在真空中通过的相应路程。同一时间内在真空中通过的相应路程。同一时间内在真空中通过的相应路程。 干涉条纹的一般条件：干涉条纹的一般条件：干涉条纹的一般条件：干涉条纹的一般条件： ()() ()()()暗纹 明纹 L L , 3 , 2 , 1 2 12 , 2 , 1 , 0 1122 1122 = = kkrnrn kkrnrn 对光干涉起决定作用的不是这两束光的对光干涉起决定作用的不是这两束光的对光干涉起决定作用的不是这两束光的对光干涉起决定作用的不是这两束光的 几何路
11、程之差，而是两者的光程差。几何路程之差，而是两者的光程差。几何路程之差，而是两者的光程差。几何路程之差，而是两者的光程差。 结论：结论：结论：结论： 光程：光程：光程：光程： nr rjzhang 光的衍射现象与 惠更斯-菲涅耳原理 光的衍射现象与 惠更斯-菲涅耳原理 光的衍射现象与 惠更斯-菲涅耳原理 光的衍射现象与 惠更斯-菲涅耳原理 一、光的衍射（一、光的衍射（diffraction）现象）现象一、光的衍射（一、光的衍射（diffraction）现象）现象 衍射：波动能绕过障碍物传播，并进入 直线传播的阴影区的现象。 衍射：波动能绕过障碍物传播，并进入 直线传播的阴影区的现象。 rjzh
12、ang 衍射是一切波动均具有的传播行为衍射是一切波动均具有的传播行为 声波的衍射 广播段无线电波的衍射 声波的衍射 广播段无线电波的衍射 水波衍射水波衍射 未见其人，先闻其声（王熙凤） 姑苏城外寒山寺，夜半钟声到客船。 未见其人，先闻其声（王熙凤） 姑苏城外寒山寺，夜半钟声到客船。 rjzhang 光的衍射？光的衍射？ 一是可见光的波长极短一是可见光的波长极短, 二是普通光源是非相干的面光源二是普通光源是非相干的面光源. rjzhang 1.光的衍射现象光的衍射现象: * S 衍射屏 观察屏 衍射屏 观察屏 a 10 - 3 a * S 衍射屏观察屏衍射屏观察屏 L L rjzhang 圆 孔
13、 衍 射圆 孔 衍 射 rjzhang 方孔衍射方孔衍射 十二边孔衍射十二边孔衍射 rjzhang 圆盘衍射圆盘衍射 缝衣针衍射缝衣针衍射 衍射效应使屏障以后的空间光强分布衍射效应使屏障以后的空间光强分布, 既区别于 几何光学给出的光强分布 既区别于 几何光学给出的光强分布, 又区别于光波在自由 传播时的光强分布 又区别于光波在自由 传播时的光强分布, 即衍射光强有重新分布即衍射光强有重新分布. 2.光的衍射定义:2.光的衍射定义: 光在传播过程中能绕过障碍物的边缘 而偏离直线传播的现象 光在传播过程中能绕过障碍物的边缘 而偏离直线传播的现象 衍射现象具有三个鲜明的特点衍射现象具有三个鲜明的特
14、点: 1 衍射中光波不仅绕过了障碍物使物体的几何 阴影失去清晰的轮廓，而且在边缘附近还出现了 一系列明暗相间的条纹。 衍射中光波不仅绕过了障碍物使物体的几何 阴影失去清晰的轮廓，而且在边缘附近还出现了 一系列明暗相间的条纹。 几何阴影区和几何照明区的光强在衍射时发生了 重新分布，衍射不仅是偏离了直线传播的问题， 它必然与某种复杂的干涉效应相联系。 几何阴影区和几何照明区的光强在衍射时发生了 重新分布，衍射不仅是偏离了直线传播的问题， 它必然与某种复杂的干涉效应相联系。 衍射现象具有三个鲜明的特点衍射现象具有三个鲜明的特点: 2 限制与扩展当光束在衍射屏上的某一方 位受到限制 限制与扩展当光束在
15、衍射屏上的某一方 位受到限制, 则远处屏幕上的衍射光强就沿该 方向扩展开来 则远处屏幕上的衍射光强就沿该 方向扩展开来; 限制越严，扩展越烈，衍射效应越明显限制越严，扩展越烈，衍射效应越明显 衍射现象具有三个鲜明的特点衍射现象具有三个鲜明的特点: 3 光孔或障碍物线度与光波长之比是一个 敏感因素 光孔或障碍物线度与光波长之比是一个 敏感因素, 它直接决定着衍射效应的强弱程度它直接决定着衍射效应的强弱程度. (1) 103 ,衍射效应很弱衍射效应很弱,衍射现象不明显衍射现象不明显. (2) 103 10 ,衍射现象显著衍射现象显著,出现了与光孔 形状对应的衍射图样 出现了与光孔 形状对应的衍射图样. (3) ,衍射现象过于明显衍射现象过于明显,向散射过渡向散射过渡. 衍射效应是否明显，除了障碍物大小外，还与 观察的距离和方式， 衍射效应是否明显，除了障碍物大小外，还与 观察的距离和方式，光源强度和相干性等多 方面因素有关 光源强度和相干性等多 方面因素有关 最令人感兴趣的是最令人感兴趣的是103 10的区域，这 不仅因为它展现了一幅幅多姿多彩的衍射 图样，这些图样与衍射屏结构一一对应 的区域，这 不仅因为它展现了一幅幅多姿多彩的衍射 图样，这些图样与衍射屏结构一一对应. 微结构微结构衍射图样衍射图样 X射线衍射揭示了射线衍射揭示了DN
