光学第一章节光的干涉终稿幻灯片

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1、光 学,绪论,教材: 姚启均 教学时数:64学时 课程性质:学位课 考核方式:闭卷考试 辅导时间:第1318周的双周二下午14:00-16:00 辅导地点:教D楼293室 联系方式： 13891960209,讲述提纲,一、光学的科学体系 二、对光学现象的发现与认识 三、对光本性的认识，波动光学的发展史 四、本课程的任务与要求,一、光学的科学体系,光学：是研究光的本性,光的传播以及它和物质相互作用的学科。 1.几何光学：基于“光线”的概念讨论光的传播规律。 2.波动光学：研究光的波动性（干涉、衍射、偏振）的学科。 3.量子光学：研究光与物质的相互作用的问题。 4.现代光学：20世纪后半期发展起来

2、的很庞大的体系。,光学理论体系,几何光学 反射、折射、透镜 经典光学 波动光学 干涉、衍射、偏振 光学 量子光学 光的发射、吸收、相互作用 激光原理及应用 傅立叶光学、全息光学 现代光学 激光光谱学 非线性光学,1.几何光学,从理论上说，几何光学三个基本定律（直线传播，折射、反射定律）,是费马原理的必然结果,也是光波衍射规律的短波近似。 它们在方法上是几何的，在物理上不涉及光的本质。 几何光学主要是从直线传播，折射、反射定律等实验定律出发，讨论成像等特殊类型的 传播问题。,2.波动光学,研究光的波动性（干涉、衍射、偏振）以及用波动理论对光与物质相互作用进行描述的学科。 基本问题：在各种条件下的

3、传播问题。 基本原理：惠更斯-菲涅耳原理。 波前：原为等相面，现泛指波场中的 任一曲面，更多的是指一个平面。 主线：如何描述、识别、分解、改造、记录和再现波前，构成了波动光学的主线,3.量子光学,把光视为一个个分立的粒子,它主要用于分析辐射、光发射以及某些在物质的微观结构起重要作用时光与物质的相互作用现象。 在这领域内有时可用经典理论，有时需用量子理论。对于这类原不属于传统光学的内容，有人冠之以“分子光学”或“量子光学”等名称，也有人把它们仍归于物理光学之内。,4.近代光学,1948年全息术的提出，1955年光学传递函数的建立，1960年激光的诞生为其发展中的三件大事。 薄膜光学的建立，源于光

4、学薄膜的研究和薄膜技术的发展； 傅立叶光学的建立源于数学、通讯理论和光的衍射的结合；它利用系统概念和频谱语言来描述光学变换过程，形成了光学信息处理的内容 集成光学源于将集成电路的概念和方法引入光学领域；,非线性光学源于高强度激光的出现、它研究当介质已不满足线性叠加原理时所产生的一些新现象，如倍频,混频,自聚焦等; 对光导纤维的研究形成了纤维光学或导波光学; 导波光学,电子学和通讯理论的结合使得光通信得到迅速发展和应用,成为人类在20世纪最重要的科技成就; 非线性光学,信息光学及集成光学等理论与技术的结合可能会导致新一代计算机光计算机的诞生.据预测它将部分实现人脑的功能(如学习和联想),1.几何

5、光学规律的发现,公元前4世纪：“墨经”记述了光的直线传播、阴影形成、光的反射和凹凸面镜反射成像等规律。 公元前3世纪：古希腊欧几里德Euclid也发现了光的直线传播和镜面反射定律 公元17世纪前期：荷兰的斯涅耳（W.Snell）从实验上发现了折射定理,而法国的笛卡儿（R.Descartes）第一个把它表示为现代的正弦形式;1657年费马(P.deFermat)提出了著名的费马原理.,二、对光学现象的发现与认识,2.波动光学现象的发现,17世纪： 50年代，意大利的格里马第（F.M.Grimaldi）首次详细地描述了衍射现象； 英国的胡克（R.Hooke）和玻依耳(R.Boyle)各自独立地发现

6、了现称为“牛顿环”的在白光下薄膜的彩色干涉图样; 牛顿（I.Newton）进行了棱镜分光实验,并分析了“牛顿环” 的生成及色序问题。 60年代，丹麦的巴塞林那斯（E.Bartholinus）发现了双折射现象。 70年代荷兰的惠更斯（C.Huygens）进一步发现了光的偏振现象。,1. 17世纪中叶至19世纪的认识,人类对光本性的认真探讨始于17世纪，主要有两个对立的学说光的波动说和微粒说 微粒说的内容、贡献、存在的主要问题。 微粒说认为光是按照惯性定律沿直线飞行的微粒流; 直接说明了光的直线传播定律,并能对光的反射,折射作一定的解释; 用微粒说研究光的折射定律时,得出了光在水中的速度比空气中大

7、的结论.,三、对光本性的认识，波动光学的发展史,2. 17世纪中叶至19世纪的认识,波动说的内容、贡献、存在的主要问题。 胡克明确主张光由振动组成,每一振动产生一个球面并以高速向外传播,此为波动说的发端; 1690年惠更斯在其著作中提出光是在一种特殊弹性媒质中传播的机械纵波. 19世纪初,托马斯.扬和菲涅耳等人的工作将波动说大大推向前进,解释了光的干涉和衍射现象,根据光的偏振现象确认光为横波; 用波动说研究光的折射定律时,得出了光在水中的速度比空气中小的结论,并于1862年被傅科的实验所证实. 特殊弹性媒质始终未能找到.,3. 17世纪中叶至19世纪的认识,光的电磁理论的提出、主要贡献和问题。

8、 19世纪60 年代,麦克斯韦建立电磁理论,预言了电磁波的存在,并根据电磁波的速度与光速相等的事实,麦克斯韦确信光是一种电磁现象, 1888年赫兹实验发现了无线电波,证明了麦克斯韦电磁理论的正确性. 特殊弹性媒质“以太”始终未能找到,4. 20世纪的认识,经典物理的困难 1887年迈克而逊和莫雷实验,否定了“以太”假说,以“静止以太”为背景的绝对时空观遇到了根本困难; 瑞利和金斯根据经典统计力学和电磁理论,导出黑体辐射公式,它要求辐射能量随频率的增大而趋于无穷. 上述经典物理的困难预示着近代物理学两个革命性的重大理论相对论和量子论的诞生.,波粒二象性: 光的某些方面的行为象经典的“波动”,另一

9、某些方面的行为象经典的 “粒子”. 实际上“波动”和 “粒子”都是经典物理的概念.近代科学实践证明,光是一个十分复杂的客体,对于它的本性问题,只能用它所表现的性质和规律来回答,任何经典的概念都不能完全概括光的本性.,四、本课程的任务与要求,1.本课程研究的内容：阐述光的电磁性质，光在各向同性介质界面上的传播规律和光波的叠加与分析，光波的干涉和典型的干涉装置与应用、光波的衍射的基本原理、光的偏振及其在晶体中的传播等经典光学和现代光学的基本知识。 通过本课程的学习，培养学生运用理论分析和解决光学工程和光电信息工程中的工程光学问题的能力，使具有进一步学习和处理现代光学理论和技术的能力,成绩评定： 一

10、、成绩评定包括三个部分 1 、平时作业占 20% ； 2 、课堂几率 10% ，将在教学过程中不定期抽查； 3 、课程结束后的闭卷考试占 70% 。 二、平时作业三分之一及以上未交、或三分之一及以上时间缺课者，按学校规定，不得参加考试。,主要参考书: 光学， 张登玉 ，南京大学出版社 光学，宣桂鑫 ，华东师范大学出版设 赵凯华，钟锡华，新概念物理教程 光学，高教出版社 石顺祥等,物理光学与应用光学,西安电子科技大学出版社,第一章光的干涉,1.1 光的电磁理论,旧波动理论和微粒学说一样，都是建立在机械论的基础之上，把光现象看作是一种机械运动过程，认为光是在某种特殊弹性介质一“以太”中传播的弹性波

11、。这就产生一系列矛盾。,1865年，麦克斯韦建立起经典电磁理论体系，预言了电磁波的存在，指出电磁波的速度与光速相同，认为光是一种电磁现象，即光是看得见的电磁波，把光现象与电磁现象做了完美的统一。爱因斯坦在1905年创立狭义相对论，根本上否定了“以太”的存在，光波可以在自由空间传播。,根据麦克斯韦电磁波理论，电场强度矢量与磁感应强度矢量周期性变化在空间的传播形成电磁波。电磁波中能引起视觉和使感光材料感光的原因主要是振动着的电场强度，并把电场的振动称为光振动，电场强度称为光矢量。,结论 光波某一波段的电磁波,真空中的光速为：,介质中的电磁速为：,1.1.1 电磁波的传播速度和折射率,介质的折射率为

12、：,光波的频率只与光源有关，与介质无关，但介质中的波长将缩短为：,光波是看得见的电磁波，其波长在3900nm760nm之间，频率在7.51014 4.11014Hz之间。这个范围之间的光波就是可见光。人眼感知的颜色由频率决定。,1.1.2 光的强度,由于 为常数，E0为振幅，所以 ，,物理仪器检测到的光强I是由能流密度大小,决定的，即玻印亭矢量S的平均值：,1.2 波动的独立性、叠加性和相干性,1.2.1 机械波动的独立性和叠加性,1、波动的独立性,从几个振源发出的波动相遇于同一区域，只要满足振动不十分强烈，则它们将各自保持自己的原有特性（频率、振幅和振动方向），按原前进方向继续传播，彼此不受

13、影响。,如水波。从照像时物和像的相似，也可推知光波也具有独立性。,2、波动的叠加性,叠加原理：从几个振源发出的波动如果在同一区域相遇，则在该相遇区域内介质质点的合位移是各波动分别单独传播时在该点 所引起的位移的矢量和。,说明：1、叠加性是以独立性为条件的；,2、叠加的数学意义：一般情况下，波动方程是线性微分方程，简谐波表达式是它的一个解；如果有两个独立的函数都能满足同一个给定的微分方程，则这两个函数的和也必然是这个微分方程的解。,1.2.2 波动的相干性（即波动的干涉）,1、定义：,两列独立传播的波动，若在相遇区域内叠加的结果是合振动在一 些地方加强、一些地方减弱，则这一强度按空间周期性变化的

14、现象称 为波的干涉。 这种强度的空间分布图像称为干涉图（花）样。,2、干涉的充要条件：, 频率相等 相位差恒定 振动在一条直线上。,3、说明：, 干涉的结果：产生振动强度的非均匀分布，即出现干涉花样。, 干涉是波动的一大特征：凡出现干涉花样的物理过程，一定是波动。, 波动能量的传递：以振动形式在物质中传播，物质本身并不随波移动。, 光具有干涉现象，说明光是一种波动。,1.2.3、相干叠加与非相干叠加,一、相干光源与非相干光源,若两光源所发出的两束光波叠加能产生干涉，则这两个光源 称为相干光源；否则，称为非相干光源。,能产生干涉花样的叠加称为相干叠加；否则，称为非相干叠加。,二、相干叠加与非相干

15、叠加,设有两列频率相等、沿同一直线振动、相位不同的简谐波：,由叠加原理，设合振动为E，合振幅为A，合成后初相位为则：,可以证明（见教材P75，附录1.1）：,讨论：,1、由于振动强度 IA2，所以，合振动强度并不简单地等于两分振动 强度和；,2、如同照相一样，观察和记录的并非某一时刻的强度瞬时值，而是在 一定时间间隔内的时间平均值：, 若两振动不中断，即,合振动平均强度达最大值干涉相长,合振动平均强度达最小值干涉相消, 若振动时断时续，两初位相独立地变化，即：,故：此时，合振动的平均强度为两分振动强度之和,综上所述：,（1）：只要两振动的位相差（2-1）在某点始终保持不变，则合振动的平均强度可

16、 大于、小于分振动强度之和。因此，在较长的观察时间内就 可观察到整个空间 稳定的干涉花样（强度的非均匀分布）。,通常称频率相同、振动在一条直线上、位相差恒定的两个振动是相干的。,（2）： 若（2-1）在观察时间内无规则变化，则合振动的平均强度仅简单地等于两分振动强度之和而无干涉项，空间各点强度相同（均匀）， 不出现干涉花 样。通常称这样的两个振动是非相干的。,3、设有n个振动，振幅均为A1,4、上述结论对光波同样适用。,相干叠加的三个条件是：,相位差恒定。,现象通常也是取决于相位差是否恒定。,频率相同、振动方向几乎相同并在观察时间内,重点是第三条，是否出现干涉,1.3 单色光波叠加形成的干涉条纹,频率单一且恒定的光波称为单色光。本节及以后的几节将运用叠加原理和干涉的充要条件，研究几种特殊情况下的双光束干