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1、Review of history,The period of Ancient optics,The period of geometric optics,The period of wave optics,The period of quantum optics,The period of modern optics,The task of this chapter,The characteristics of wave about light will be discussed deeply,Introduction,9-1 光学的基本概念,牛顿的微粒说：,光的直线传播微粒以力学定律运动，
2、解释了反射、折射,惠更斯创立波动说：,波动说由杨、菲涅耳的实验验证,19世纪，法拉第、麦克斯韦、赫兹光是电磁波，媒质是以太,1900年，普朗克提出量子论光子，解释了热辐射、光电效应、光压现象微粒性,光的干涉、衍射、偏振证实光是波波动性,一、人类对光的认识过程,20世纪，,德布罗意提出物质波概念才得以统一,光和物质一样都具有波粒二象性,20世纪50年代以来，光学开始了一个新的发展时期,激光、纤维光学（光纤）、红外技术,光学分类,几何光学光的直线传播规律,物理光学,波动光学,量子光学,干涉、衍射、偏振,光和物质的相互作用,现代光学,1960年 第一台红宝石激光器,非线性光学、激光光谱、信息光学、全
3、息、光纤通讯、集成光学、统计光学等,两种理论无法解释对方的现象无法统一,数学表达：,电磁波是横波,二、光的电磁特征,真空中的光速,1. 发光,三、光源,普通光源发光属于自发辐射，其特点是：,间歇性：原子发光是断续的，每次发光形成一个长度有限的波列。,独立性：各原子各次发光相互独立，各波列互不相干.,光波的相位、频率、振动方向以及传播方向都和原来的入射光相同，即它们具有相干性。,激光属于受激辐射,2.激光,14-1 光源 单色光 相干光,实际原子的发光:是一个有限长的波列,所以 不是严格的余弦函数,只能说是准单色光:在某个中心频率（波长）附近有一定频率（波长）范围的光。,衡量单色性好坏的 物理量
4、是谱线宽度,理想的单色光：具有恒定单一波长的简谐波， 它是无限伸展的。,例:普通单色光: 10-2 10 0A 激光 ：10-8 10-5 A,3. 光的单色性,14-1 光源 单色光 相干光,“当两列(或几列)满足一定条件的光波在某区域同时传播时,空间某些点的光振动 始终加强； 某些点的光振动 始终减弱，在空间形成一幅稳定的光强分布图样”，称为光的干涉现象。, 相干条件：,(2)频率相同,(3)有恒定的位相差,(1)振动方向相同,四、相干光,在光源发出的同一波阵面上取两个点光源，该两个点光源发出的光为相干光（杨氏实验）,分波阵面法：,相干光的获得,利用反射或折射把一束光的振幅分成两部分，这两
5、部分光为相干光（薄膜干涉）,分振幅法：,干涉条纹强度分布,若 I1 = I2 = I0 ,则,光强曲线,14-1 光源 单色光 相干光,(k = 0,1,2,3),相消干涉（暗）,(k = 0,1,2,3),极值条件,相长干涉（明）,明纹,暗纹,五、 光程与光程差1,相位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位差，引入光程概念。,1、 光程,光通过媒质时不变，但要变，设为 。, 真空中, 真空中波长, 媒质中, n媒质中波长,nx 折射率为n的媒质中，光在距离x上的等效真空路程，称为光程,因为,所以,物理意义：光程就是光在媒质中通过的几何路程 , 按波数相等折合到真空中的路
6、程.,14-3 光程与光程差,2光程差,波程差,相位差,介质中的波长,14-3 光程与光程差,2）光程差 (两光程之差),光程差,相位差,光程差,相位差与光程差:,例,例：求光程差。,空气,分析条纹的移动情况：,分析条纹的移动情况：,真空中波长为 的单色光，在折射率 n 的透明介质中从 A 传播到 B ，两处相位差为 3 ，则沿此路径 AB 间的光程差为,相位差为 3 的两点几何距离为1.5 介，光程差为1.5 介n = 1.5, 介,A,B,n,分析：,例题,（A）1.5 （B） 1.5n （C）3 （D） 1.5/n,（A）1.5,在光学中常用到透镜。,实验告诉我们：物点到象点各光线之间的
7、光程差为零(不证)。,3. 透镜不产生附加光程差,9-2 分波前法干涉 （Interference of Light）,Thomas Yong (1773 1829),因此，杨是光的波动说的奠基人之一。杨的主要成就有：,(1) 1793年发现了眼睛晶状体的聚焦作用,(2) 1801年的杨氏双缝干涉实验，首次引入 “干涉”概念论证了光的波动说，并解释了牛顿环的成因及薄膜的彩色。,(4) 第一个测定了7种颜色光的波长；从生理角度说明了人眼的色盲现象，提出了三原色理论。,(3) 1817年提出光是横波,(5) 对声学、弹性力学、考古学都颇有研究,光干涉现象的发现首推英国人Thomas Yong，,一
8、、光干涉现象的发现,（1）相干光的获得分波前法,1.杨氏双缝实验,(T.Young),动画：杨氏干涉,2.菲涅尔双平面镜实验,Flash:菲涅尔双平面镜实验,Flash:菲涅尔双棱镜实验,3. 劳埃镜实验,In mathematics, two beams form light sources s1 and s2 can be generally expressed as follows:,二、光干涉的定量分析,动画：波长与介质的关系,动画：光程,nr称光程（optical path)， 为光程差。,1. Device and phenomenon,三、杨氏双缝干涉的解释（Double-sli
9、t interference of light）,（2）Calculation of bands,光强分布,相邻明条纹中心或相邻暗条纹中心间距,x 正比 , 用此可以测波长。,用白光入射，在零级白色中央条纹两边对称排列着由紫向红的彩色条纹,动画：相干长度对干涉的影响,Effect of wave length on,Question 1,Effect of distance between two slits on,Question 2,例. 钠光灯作光源，波长 ，屏与双缝的距离 D=500 mm ,(1) d = 1.2 mm 和 d = 10 mm , 相邻明条纹间距分别为多大？（2) 若
10、相邻明条纹的最小分辨距离为 0.065 mm ,能分辨干涉条纹的双缝间距是多少？,解,1d= 500 mm,d=10 mm,2,双缝间距 d 为,例1 用白光作双缝干涉实验时，能观察到几级清晰可辨的彩色光谱？,例1,四、洛埃镜实验（ Lloyd experiment）,动画：洛埃镜实验,实验观测到的是暗条纹！说明在此处叠加的两光束的光程差为,The significance of Lloyd experiment lies in showing the phenomenon of half-wave loss of light.,若三种介质的折射率分别为 并如图排列,（1）,两个界面上的反射光
11、的光程差？,思考,9-3 分振幅法干涉（Interference of Thin Film）,9-3 分振幅法干涉,薄膜干涉中相干光的形成（分振幅法）,干涉明纹、暗纹对应的光程差分别为,1.反射光与透射光的干涉,反射光线 2、3光的光程差,一、等厚干涉,反射光的干涉加强时，透射光的干涉减弱。,e,n,2,3,透射光线 2，3的光程差,明纹,暗纹,例,求,一油轮漏出的油(n1 =1.20 )污染了某海域，在海水(n2 =1.30 )表面形成一层薄薄的油污。油层厚度为 e =460nm，,(1)若一飞行员从上向下观察， 则油层呈什么颜色？,(2)若某潜水员从水下向上观察，则油层呈什么颜色？,(2)
12、透射光干涉加强（即反射光干涉减弱）的条件为,潜水员看到油膜呈紫红色,将n1 =1.20 ， e =460nm代入得,增透膜,能减少反射光强度而增加透射光强度的薄膜，称为增透膜。,增透条件：,增反膜,能增加反射光强度而减少透射光强度的薄膜，称为增反膜。,如：现代化大楼的窗户玻璃,(1)常常显蓝色；,(2)楼外的人看不清楼内部而楼内的人员却可以看清楼外的情况，这是因为玻璃外表面有一层膜（对于射向大楼的蓝光是增反膜）,(1) 现象,2. 劈尖干涉（Wedge interference）,(2)条纹计算,（设劈尖折射率为n）,相邻明纹（或暗纹）间距,棱边处为暗纹（ e = 0， ）,每一条纹对应劈尖内
13、的一个厚度，当此厚度位置改变时，对应的条纹随之移动.,(3)劈尖干涉的应用,利用干涉膨胀仪测量微小形变,测膜厚,测细丝的直径,检验光学元件表面的平整度,14-4 薄膜干涉等厚条纹,例子,解,9-4 光的衍射Diffraction of Light,一、光的衍射现象及分类,Diffraction refers to the deviation of light from straight-line propagation.Its usually corresponds to the bending or spread of wave around the edges of apertures a
14、nd Obstacles.,1.光的衍射现象（Phenomenon ）,日晕景观也称“佛光”景观，是阴沉天气，强烈阳光照射云雾表面后而形成的一种衍射现象，“佛光”奇观的出现要阳光、地形和云海等众多自然因素的结合，只有在极少数地方才可欣赏到,剃须刀边缘衍射,衍射现象是否明显取决于障碍物线度与波长的对比，波长越大，障碍物越小，衍射越明显。,(a)circular hole (b) narrow slit,Some diffraction patterns:,(c) Square hole,2.光衍射的分类,（1）菲涅耳衍射（Fresnel diffraction）,(A.J.Fresnel),Wh
15、en the hole is larger a bright disk is appeared. When the hole is smaller a diffraction pattern is appeared .,（2）夫琅禾费衍射（Fraunhofer diffraction）,(J.von Fraunhofer),在实验中实现夫琅禾费单缝衍射,动画：夫朗和费单缝衍射,惠更斯菲涅耳原理,3. 衍射现象的解释,设初相为零,面积为S的波面 上面元dS在P点引起的振动为,原理数学表达,F取决于波面上dS处的波强度,为倾斜因子.,动画：夫朗和费单缝衍射,二、Fraunhofer single-slit diffraction,菲涅耳半波带法, 中央明纹,一.(菲涅耳)半波带法,设考虑屏上的 P点 (它是 衍射角平行光会聚点)：,当 =0时, P 在 O 点,为中央亮纹的中心； 这些平行光到达 O点是没有相位差的。,当 时,相应P点上升，各条光线 之间产生了相位差，所以光强减小；,到什么时候光强减小为零呢? 或者说,第一暗纹的 是多大呢?,当 光程差 = a sin = 2/2 时,
