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1、波 动 光 学,光 学 概 述,一.光的机械微粒学说(17世纪-18世纪末),代表：牛顿,对立面：惠更斯-波动说,分歧的焦点：光在水中的速度,1850年傅科（Foucauld）测定,微粒说开始瓦解,二.光的机械波动说（19世纪初-后半世纪）,英国人托马斯.杨(T.Young)和法国人菲涅尔(A.T.Fresnel)通过干涉、衍射、偏振等实验证明了光的波动性及光的横波性。,性质：弹性机械波，在机械以太中传播。,2,三.光的电磁说（19世纪的后半期-）,19世纪后半期Maxwell建立电磁理论，提出了光的电磁性，1887年赫兹用实验证实。,性质：电磁波在电磁以太中传播。,四.光的量子说（20世纪初
2、-）,电磁波动说在解释“热幅射实验”及“光电效应”等实验遇到困难。,1900年普朗克提出了“热幅射量子理论”，爱因斯坦提出了光子理论，将光看成一束粒子流与电磁波动说相抗衡。 二者各自统治着自已的领域。,3,1924年法国人德布罗意（De.Broglie)大胆提出了“物质波”的概念，尔后薛定谔、海森伯等人创建了量子力学，又将二者统一起来。,光是一个复杂的客体，它的本性只能通过它的表现来确定。它的某些方面象波而另一方面象微粒（波粒二象性）。但它既不是经典的波，也不是经典的微粒，也不是二者的混合体。,4,量子光学：以光的量子理论为基础， 研究光与物质相互作用的规律。,光学通常分为以下三部分：,几何光
3、学：以光的直线传播规律为基础， 主要研究各种成象光学仪器的理论。,波动光学：以光的电磁性质为基础, 研究光的传播规律，主要是干涉、衍射、偏振。,波动光学对光的描述,光是电磁波,可见光波长,与物质相互作用（感光、生理作用）的主要是 矢量-光矢量。 矢量的振动称为光振动。,振动方程：,波动方程：,1. 光源（light source）,光源的最基本发光单元是分子、原子。, = (E2-E1)/h,E1,E2,能级跃迁辐射,波列长 L = c,3.1 光源的相干性,(2). 激光光源：受激辐射, = (E2-E1) / h,完全一样,(1). 普通光源：自发辐射,独立（同一原子先后发的光）,独立（不
4、同原子发的光）,（传播方向，,频率，,相位，,振动方向）,2. 光的单色性,例:普通单色光 : 10-2 10 0 激光 ：10-8 10-5 可见光 103,3. 光的相干性,相干光：满足相干条件的几束光,相干条件：振动方向相同，频率相同,有恒定的相位差,相干光相遇时合成光的振动：,P点:,振幅：,P点光强：,相位差：,非相干光源：,I = I 1 + I 2 非相干叠加,4. 光程、光程差,媒质中, n媒质中波长,光程 :,光程差 ：,光程：,A. 如果同频率两束光，在不同媒质中经过相等的光程。,几何路程等否？,不等,经过时间等否？,相位变化等否？,等,等,B. 透镜的等光程性（透镜不产生
5、附加光程差）,讨论：,问：,说明：从与光线垂直的面到焦点，各光线等光程。,5.相位差和光程差的关系：,6.干涉的条件,相长干涉（明条纹）,(同一束光),相消干涉（暗条纹）,光程：,光程差：,干涉结果：,19,衬比度差 (V 1),衬比度好 (V = 1),振幅比，, 决定衬比度的因素：,光源的宽度,光源的单色性，,干涉条纹可反映光的全部信息（强度，相位）。,7. 条纹衬比度（对比度，反衬度）（contrast）,当光从光疏媒质（折射率较小）入射到光密媒质（折射率较大）再反射回光疏媒质时，在反射点，反射光损失半个波长。,（作光程差计算时，在原有光程差的基础上加或减半波长）,（作位相差计算时，在原
6、有相位差的基础上加或减）,8. 半波损失：,9.普通光源获得相干光的途径,分波阵面法,分振幅法,实例：,22,中央明纹,一级暗纹,一级暗纹,一级明纹,一级明纹,二级暗纹,二级暗纹,（分波阵面干涉）,1 双缝干涉,平面波,球面波,2 双缝干涉,p,r1,r2,单色平行光入射,d ，D d (d 10 -4m, D m),白光入射的杨氏双缝干涉照片,红光入射的杨氏双缝干涉照片,2 . 光强公式,若 I1 = I2 = I0 ，,则,光强曲线,k级明纹位置：,k级暗纹位置:,杨氏双缝干涉（分波阵面法）,光程差：,28,（1）屏上相邻明条纹或相邻暗条纹间距为,一系列平行等间距的明暗相间的条纹,当,，条
7、纹不易被分辨。,若已知,，可测波长,（2）条纹的强度分布,29,当用白光作为光源时，在零级白色中央条纹两边对称地排列着几条彩色条纹,(3) 条纹间距,正比于光波波长,I,白光照射,彩色谱带,30,3. 干涉问题分析的要点：,（1）搞清发生干涉的光束；,（2）计算波程差（光程差）；,（4）求出光强公式、画出光强曲线。,（3）搞清条纹特点：,形状、,位置、,级次分布、,条纹移动等；,4. 其他分波面干涉实验,要求明确以下问题：,1.如何获得的相干光；,2.明、暗纹条件；,3.干涉条纹特点：,形状、,间距、,级次位置分布；,32,例1 用白光光源进行双缝实验，若用一个 纯红色的滤光片遮盖一条缝，用一
8、个 纯蓝色的滤光片遮盖另一条缝，则： （A）干涉条纹的宽度将发生改变 （B）产生红色和蓝色的两套彩色干涉 条纹 （C）干涉条纹的亮度将发生改变 （D）不产生干涉条纹,选（D）（波长不同的光不是相干光）,例2 在双缝干涉实验中，设缝是水平的，若 双缝所在的平板稍微向下平移，其它条 件不变，则屏上的干涉条纹 （A）向下平移，且间距不变 （B）向上平移，且间距不变 （C）不移动， 但间距改变 （D）向上平移，且间距改变,（S1与S2相对S不对称，上短下长； 零极明纹下移。但间距 与此无关）,选（A）,例3（ ）如图所示，用波长为 的单色光 照射双缝干涉实验装置，若将一折射率 为 ，劈角为的透明劈尖b
9、插入光线2中 则 当劈尖b缓慢地向上移动时（只遮住 S2）， 屏C上的干涉条纹 （A）间隔变大，向下移动 （B）间隔变小，向上移动 （C）间隔不变，向下移动 （D）间隔不变，向上移动,选（C）,例4（ ）如图所示， S1和 S2为两个同向 的相干点光源，从S1和 S2到观察点P的 距离相等，即： S1P = S2P，相干光束1 和2分别穿过折射率为n1和 n2，厚度皆 为 t 的透明薄片，它们的光程差等于多 少？,例5 用双缝干涉实验测某液体的折射率，光源为单色光，观察到在空气中的第三级明纹正好与液体中的第四级明纹重合。,求：折射率,解：,空气中双缝干涉条纹第三级明纹位置,液体中双缝干涉条纹第
10、四级明纹位置,该问题反映了杨氏双缝干涉实验的应用。,38,厚度均匀薄膜在无穷远处的等倾条纹。,3.6 薄膜干涉（film interference）, 等厚条纹（equal thickness fringes）, 薄膜干涉是分振幅干涉。, 日常中见到的薄膜干涉：,肥皂泡上的彩色、,雨天地上油膜的彩色、,昆虫翅膀的彩色。, 膜为何要薄？, 光的相干长度所限。,膜的薄、厚是相对的，,与光的单色性好坏有关。,普遍地讨论薄膜干涉是个极为复杂的问题。,实际,意义最大的是厚度不均匀薄膜表面的等厚条纹和,（分振幅干涉）,39,光程差,+ 可能有的半波损失,薄膜干涉,干涉结果,明纹：,注意：此处k等于几，代表第几级明纹，这 种情况也表示第几条明纹。,注意：k=0是零级明纹，也是第一条明纹， k代表该明纹是第k级明纹，这种情况 也表示第k+1条明纹。,暗纹：,取值范围要满足方程，要使 方程有意义。,光垂直入射到均匀厚度的膜上,特殊情况：,解：,上下表面反射均为光疏介质到光 密介质，故不计附加光程差。,则：,又：,对 干涉相消：,对 干涉相长：,由上两式可得：,作业：P157-159 3.6 3.8 3.16,47,
