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1、概述：人们对光的认识经历了一个否定的否定 过程,1）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年佛科（Foucauld）测定,微粒说开始瓦解,2）光的机械波动说（19世纪初-后半世纪）,英国人杨（T.uoung)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。,3）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,4）光的量子说（2
2、0世纪初-）,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。,1924年法国人德布罗意（De.Broglie)大胆地提 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。,光是一个复杂性的客体，它的本性只能通过 它所表现的性质来确定，它的某些方面象波而另 一方面象微粒（波粒二象性）。但它既不是波， 也不是微粒，也不是二者的混合体。,但从20 世纪50年代起光学的发展仍是“方兴未 艾，前途无限”-富里叶光学更新经典光
3、学。,出现了“相干光学”、“纤维光学”、“全息光学与 全息技术”.它是既年轻又古老的科学。也是现 代技术的基础,分类：,1）几何光学-研究光的直线传播及光学仪器的 制造；,2）波动光学-研究光的波动性；,3）量子光学-研究光与物质的相互作用。,1、实验装置及现象,单 缝,双 缝,屏,若为白色光入射,2、定量分析,(1)条纹分布情况：,求屏上任一点P的振动：,如图，设光源S到 的距离相等，则任一时刻光波 在 处振动周相相同，是一对相干光源。,P点距 的距离分别为 ，则到达P点的光程 差为：,若,若,根据干涉相长条件知，P点处是明条纹,P点处是暗条纹,显然中央O点是明纹,（2）条纹位置：,A、B分
4、别为缝 在屏上投影点，三角形 有如下关系：,（3）条纹间距：,相邻亮纹或暗纹中心的间距为：,同一干涉图样中，干 涉条纹等间距。,注： 在干涉实验中，不仅关心干涉条纹的静态分布，还 要关心条纹的移动和变化。导致条纹变动的因素有 （1）光源的移动 （2）装置结构的变动 （3）光路中介质的变化,菲涅尔双面镜,可以证明：,M1 M2为夹角为 平面反射镜,S,菲涅耳双棱镜,P,P,洛埃镜实验,平面反射镜,此处总为暗纹， 说明光也产生 半波损失！,（明纹）,（暗纹）,一、光源,冷光源：,A）普通 光源,电致发光-电场激发；,光致发光-由X射线、放射线、 、可见光激发；,热光源-由热能激发,B）激光光源,由
5、受激幅射产生的光,化学发光-由化学能激发（萤火虫）,二、普通光源发光的机理,1）光波是同时刻大量原子、分子发光的总和。每个原子发光是独立的，与其它原子发光无关，不同原子发光没有固定的相差。,2）每个原子发光是短暂的（10-9s）波列，两次发光之间没有固定的相位差。,3）两独立光源S1,S2发光不产生干涉现象（可以同频率，同振向）,设S1P=S2P,两波源在P点相差,由于相应波列1、1，2、2,3、3，,4、4的相差不能保持恒定，使得P点的光强瞬时万变，因而看不到干涉现象，只有平均光强，I=I1+I2,设S1P=S2P,两波源在P点相差,一、光波,光以波动形式传播，是电磁波,可见光波长-,1)人
6、眼对于颜色的感觉是由光波的频率决定的。,2）引起眼睛视觉效应和光化学效应的是光波场 中的电场。,二、光波传播的独立性和叠加性,独立性：光波相遇叠加后，仍按原来特性传播。 叠加性：相遇区域各点光振动是光振动的合成。,叠加性以独立性为前提,相干光：能够产生干涉现象的光。 满足相干条件：频率相同、振动方向相同、相位差 恒定,三、光的非相干叠加和相干叠加,设两个同频率单色光波传播到空间某点的光矢量为：,则合成振动光矢量：,其中：,在观察的时间空隔 （ 远大于光振动的周期）内 平均光强 I 正比于,1、非相干光的叠加,由于光振动时断时续，在所观察的时间 内，相位差 没有固定值，多次经历了 的一切可 能值
7、，因此,这种和光强等于分别照射时光强的总和，是非相干叠加,例如：两盏灯的照射。,2、相干光的叠加,两相干光相遇，振动的相位差为恒定值，与时间无关。,叠加后的光强为：,四、获得相干光的一般方法,1）分波阵面法 2）分振幅法：,一、光程,由波动方程，并设光在真空中传播，有：,c为真空中光速,设光在某种媒质中传播，有：,v为媒质中光速,若光在真空中传播的距离 所引起的周相改变与光在 媒质中传播距离r引起的周相改变相同，即,光程：光在某种媒质中传播的几何距离r乘以该媒质的 折射率n，称为光程（nr),意义：可以把光在媒质中传播的问题置换成光在真空 中的传播。,二、周相差与光程差的关系,设有两列同频率的
8、光波在不同媒质中传播，波动方程为,分别为该单色光在两种媒质中的波长,则周相差为：,其中，,所以周相差与光程差关系为：,例102如图所示，用的薄云母片覆盖杨氏双缝干涉装置的下面一 条缝，这时接收屏中心O被第五级亮条纹占据，（1）若光源波长 为550nm，求云母片的厚度t；（2）若双缝相距为0.60mm，屏与 狭缝的距离为2.5m，求零级亮纹中心所在的位置O 。,三、薄透镜近轴光线的等光程性,P,Q,一点光源P发出的光经薄透镜汇聚于Q点,这事实说明：,在薄透镜的光路中，由P点发出的光线经透 镜聚焦于Q点，则这些光线的光程是相等的。 （几何路径不相等）,当P点移至无限远,焦 点,焦 平 面,四、反射
9、光的周相突变和额外光程差,透射光1、2情况和反射光相反。,若 或 则1、2两反射 光之间有因反射而引起的额外光程差,反射光1和2,透射光1和2,无,无,有,有,有,有,无,无,一、薄膜干涉公式,物理模型： 表面平行的介质薄膜（厚度 为e），折射率为 ，薄膜 处于介质 中，另有单色 光源S，透镜。,讨论光线a,由于几何路程不同和介质不同引起的光程差,在两界面处反射光之间的额外光程差,因此光线 的光程差为：,由图知：,由折射定律有：,代入下式,得：,因此薄膜干涉的相干相长和相消条件为：,注意：,1）透射光也将产生干涉，且反射光加强时， 透射光减弱，反射光减弱时，透射光加强。,2)计算光程差时，是否
10、要计入附加光程差/2， 要依薄膜及周围介质而定。,，无附加光程差/2,，有附加光程差/2,3）如e一定，则对应不同的入射角有不同的干涉 级。（入射角 相同的光线产生同一级干涉条 纹）这种干涉叫等倾干涉。,4）如入射光的入射角 一定，则对应不同的厚 度有不同的干涉 级。（厚度相同的地方产生 同一级干涉条纹）这种干涉叫等厚干涉。,二、等厚干涉 尖劈薄膜的干涉,设每一干涉条纹对应的薄膜厚度分别为：,明纹,暗纹,1、条纹分布：,2、条纹对应的薄膜厚度：,明纹,暗纹,由上式可得：,k=0处，e=0，即在尖劈棱边处出现暗纹。,3、条纹间距：,相邻的亮纹（或暗纹）对应的空气厚度差为：,则相邻的亮纹（或暗纹）
11、的间距：,（对空气尖劈n=1）,即,A）劈尖的等厚干涉条纹是等间距的；,结论：,B）劈尖的棱角 越小，条纹间距越宽；,【例10-3】在白光正面照射下，从垂直方向观察置于空气中的折射 率n=1.5的透明介质薄膜，发现1=600nm的波长出现干涉极大， 2=450nm波长出现干涉极小，且在500700nm之间不出现干涉极 小。试求此薄膜的厚度。（设膜厚小于2m。）,解 设薄膜厚度为d，,由两式得,将1=600nm，2=450nm代入上式得,考虑到d2m的要求，得到可能满足条件的3组解:,将k2=2代入上面暗纹公式得,将k2=6代入得,将k2=10代入得,被检体,被检体,1）检查平面与直角：,尖劈干
12、涉的应用：,被检体,被检体,标 准 角 规,标 准 角 规,纸,n2=1,2）测量微小厚度和微小厚度变化,测量微小厚度变化：,薄膜厚度增加时，条纹下移，厚度减小时 条纹上移。,薄膜的 增加时，条纹下移， 减小时 条纹上移。,显然，从视场中移动了m个条纹，薄膜厚度改 变了：,条纹 从上 向棱 边移 动！,条纹 从棱 边向 上移 动！,厚度增加,厚度减小,应用举例：-干涉膨胀仪,装置,C：铟钢作成的，热 膨胀极小；,M：被检体。,原理：,温度增高t时，数出条 纹移动的条数m，则：,样本增高,热膨胀系数：,A-曲率半径很大的凸透镜,装置：,B-平面光学玻璃,A,B,干涉图样：,半反 射镜,显 微 镜
13、,r,随着r的增加而变密！,三、牛顿环及其应用,1、干涉条纹的分布：,设n=1，由垂直入射时的 干涉条件得：,代入,得：,k=0时是暗纹 随着级数的增大，干涉条纹变密。,对于暗纹：,所以测得透镜的曲率半径为：,2、求透镜的曲率半径（已知光波长 ）,3、已知透镜曲率半径，可求光波长,【例10-5】 在牛顿环实验装置中，可以通过调节边缘的螺钉来 改变A、B之间的空气层的厚度。现用单色光照射时在反射光中 观察到牛顿环由中心向外冒出，问：（1）空气层厚度是增加还 是减小？ （2）若观察到有10个环从中心冒出，问膜厚变化了 多少？,解 （1）由牛顿环反射光干涉亮纹的条件,干涉级次k随膜厚度而增加，设第k
14、级干涉条 纹对应于固定的膜厚dk。当膜层厚度减小时， 原来的第k级条纹只得向外移动到对应的厚度 处，于是可观察到牛顿环从中心向外长出； 反之，当膜层厚度增加时，干涉环将从外向 中心收缩。由此可见，题意表明空气层厚度 在减小。,所以冒出10个环时膜厚的减小量为,L-透镜,G1-半涂银镜,G2-补偿透镜,M1、 M2反射镜,迈克尔逊干涉仪,1）构造及光路图：,E-眼及望远镜,M1,M2,G1,G2,L,E,M1,E,M1,M2,G1,G2,L,当M2移动半个波长时,光程差改变一个波长,视场中将看到 一条条纹移过。,注意：,迈克尔逊干涉仪的应用：,测量微小长度的变化；,测量光波长。,历史上迈克尔逊曾用此干 涉仪测定红隔线的波长：,150C.1atm的干燥空气中,1927年国际会议规定：,1983年国际17届计量 会议规定：,C为光速,1960年国际会议规定：,【例10-7】 在迈克耳逊干涉仪中，因M1与M2不严格垂直而产生 等厚干涉条纹。设视场宽度为L=3cm，以=600nm的单色光照射 时，视场中共呈现24条明条纹，问M1与M2两平面与严格垂直的 偏离程度。,这也就是M1和M2之间与严格垂直位置所偏离的角度。,
