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1、1第一章第一章 绪论绪论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
2、。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
3、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：2A、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
4、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x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
5、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。HErHEHESro0坡印廷矢量的瞬时值2EHESroro 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1r3ncvCEcnnESnooorrrrr122对简谐振动，平均值2 02 21EE E0为振幅2 02 02EEcnSIo人眼比较光的相对强度 2 0EI 在比较不同媒质里的光强时，比例系数有与媒质有关的量n 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CVAA 76004000s
6、in12drr0sin rytgdrojrydd0sin相干最大：drjy0相干最小：drjy2) 12(0dryyyjj0 1由图： 的张角）021 0( pssrd对62. 1,45. 131nmnn求： （1）条纹间隔；) 1(2 nl（2）? ,52. 12ln（3）说明条纹变化解： （1） 222nhmmhl158. 02 （2）mmnln104. 052. 1158. 0252. 122（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21 , iihjhjinn2)23(2)21(sin21 122 12 2或 L3212
7、2)2() 1(2cos2jjjihn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，a 求：h。解：暗纹 )21(222jhnjnh 2在 b 处，应为暗，h=0,j=017共 15 条暗纹，a 处对应 j=14142nhnnh72147 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
8、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n程一定不一样，难以找到等光程点。1、M1与形成空气薄膜2M，在的焦面上出现同心圆环干21MM 2L涉条纹 相消相长2) 12(22 cos21221jj ihnn2、，则出现近乎直线的等厚干涉条纹。21MM 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2G2 ,22nmmtA&6328少亮纹移过？解：与水平成 450时，板内的光程2211sinsininn0 1 21 230)21arcsin()sinarcsin(inni则 030costt 这两种情况下，光程差的改变：)(22t
9、tn又：)(22NjhjhNjjNNh218Nttn)(22条138422atnN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
10、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。v设“静以”中光速 C，则在地面上观测光速为：C 与的矢量和。Vr先调至两臂相等为 ，出现等源干涉条纹。l21MM 平行于的一臂Vr)1 (211222222cv clccvcl vcl vclt 垂直于的一臂Vr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，11GMG1t1M1MG 相于“静止以态”的位置为 G。21221)2()2(vtlct)21 (211222221cv clcvclt 由于地球运动引起的时间差221
11、2cv cltt附加光程差：22121)(cvlttc（2）如把仪器转相对地面，两臂光速相等。, ,45210tt 1902（3）再转 900，2221cv cltt2 2123)(vclttc光程差改变量22132cvlN222 clvN设 （公转轨道速度）smv443nmmlcv550 ,11 ,1044 . 0105 . 51011278 N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
12、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
13、为 A0。则 2cos422 0AI20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0020)1 ( )(AAAAAA 1、00)(1)(1 1AA2、00)(1(2) 1AA3、 10A4、01A5、02 02)1 ()3( 1AA每相邻两束光：202cos2idn21202cos42idn若第一束初位相为 0，则各光束位相为：振幅为等比级数（等比L,3 ,2 , , 01)（A 为透射光的合振幅）为精细度 )1 (42sin)1 (4122 22 02 FAA即条纹细锐程度的量度 光强分
14、布及特点（1）当最大。24 2 0A。L（2）最小。2 02)11( ,3 ,AL（3）几乎不变。2, 0 A（4）2 02,2 , 1AAIk&0 , 02sin ,222Ak（5）干涉花样仍为同心圆环，特点与迈克尔的花样一样，但要纹更清晰明锐。 二、等振幅的多光束干涉，则透出的光接近等振幅，均为。1 &0A例：N 束等振幅的光束相干迭加，振幅为 A0。相邻两光束：或sind2cos2202idn第一个到第 N 个的位相相差：，利用矢量迭加法：N由矢图，2sin2 2sin20RANRAp有 )21(sin21sin(22 02N AAp对光强分布进行分析：（1）极大点：时，取极根（分子分母同时为零）j Q22 022ANA 22即 id2sin2), 1 , 0(Lj得 jdsin（2）极小值，02A当分子为零分母不为零时即 Nj 2LLLLNNjNNNNj2, 0) 12(),12(),1(),1( , 2 , 1可见，在两个相邻极大点之间分布着（个极小点，又因两极小之间，必有一极大，故) 1N在两相邻的主最大之间分布着（）个较弱的最大光强，称为次极大。2N（3） （个极小之间，有（）个次极大，N 很大时，分布曲线图。) 1N2
