绪论01第1章光的干涉.ppt

1,绪论Introduction,主讲人：卓士创 徐州师范大学物理与电子工程学院,2,主 要 内 容：,一、什么是光学二、光学的研究内容三、光学的发展简史四、光学的特点五、怎样才能学好光学,绪论,3,一、什么是光学,光学是研究光现象的本质、规律及其应用的一门科学。它是物理学的重要组成部分。,4,二、光学的研究内容,几何光学,包括：光的本性，光的发射、传播、接收，光和物质的相互作用以及光的应用等。,光学的学科分支,波动光学,经典光学,现代光学,物理光学,量子光学,主要分支,5,三、光学的发展简史,萌芽时期几何光学时期波动光学时期量子光学时期现代光学时期,6,四、光学的特点,年轻而古老：光缆、光盘等远古基础加应用：力、热、电、光工业、农 业、军事、天文学、医学、电 子学、材料科学、化学、生物、通信等理论与实验：张量、卷积、相关、函数、傅氏变换普通光学实验、近代光学实验、现代光学实验等,7,五、怎样才能学好光学,师生配合,认真备课 认真上课 答疑辅导 讲练结合 强化考核 要求严格,提前预习 认真听讲 及时复习 做好作业 应用巩固 理解配合,8,2010物11光学教学进度安排,9,2010物51光学教学进度安排,10,主要参考书,教材：光学教程第四版.姚启钧.北京：高等教育出版社，2009.其它参考书：赵凯华 钟锡华著.光学.北京：北京大学出版社，1984.母国光 战元龄著.光学.北京：人民教育出版社，1979.郭永康 鲍培谛编著.光学教程(第二版).成都：四川大学出版社，1992.吴强 郭光灿著.光学.北京：中国科技大学出版社.1997宣桂鑫编.光学教程学习指导.北京：高等教育出版社，2004.,11,第1章 光的干涉Chap.1 Interference of Light,主讲人：卓士创 徐州师范大学物理与电子工程学院,12,主要内容,1.1 光波的独立性，叠加性和相干性1.2 由单色波叠加所形成的干涉图样1.3 分波面双光束干涉1.4 干涉条纹的可见度 光波的时空相干性1.5 菲涅耳公式*1.6 分振幅薄膜干涉（一）等倾干涉1.7 分振幅薄膜干涉（二）等厚干涉1.8 迈克耳逊干涉仪1.9 多光束的干涉法布里珀罗干涉仪1.10 干涉现象的一些应用,13,一.光波的电磁理论,1.1 光波的独立性 叠加性和相干性,二.光的强度,三.单色光波的数学描述,四.波的独立传播和线性叠加原理,五.光波的相干叠加和不相干叠加,14,一.光波的电磁理论,1.光波是某一波段的电磁波,光波:,可见光:,不同波长的光引起不同的颜色感觉,1.1 光波的独立性 叠加性和相干性,15,.光速,在真空中：,在介质中：,一般而言：,同一光波穿过不同介质，频率不变，波长改变,（1),（2),（3),（4),16,二光的强度,1.光矢量,对人的眼睛或感光仪器起作用的是电场强度。,17,坡印廷矢量的瞬时值,相对光强：,同一介质中：只关心光强的相对分布,任何波动过程都必定伴随能量的传递.,又,（7),（5),（6),（8),（9),18,三单色光波的数学描述,三角函数描述,波数,复振幅描述,复振幅：,（11),（10),（12),19,四.波的独立性和叠加性,二列（或多列）波，相遇后可保持各自的特性（频率、振幅、振动方向等）不变而按照各自原来的传播方向继续前进，彼此不受影响。这称为波的独立传播特性。,在叠加区内，每点光矢量是各列光波单独在该点产生光矢量的矢量和，即：。这称为光波的线性叠加原理。,1.波的独立传播特性,2.波的叠加性,注：当光波能量不是很强时，这种叠加是线性的；但当光波能量极强时，将会产生非线性效应。,（13),20,补充：介绍振动叠加的三种计算方法,（二光波的光矢量振动方向、频率均相同，考查P点的振动）,21,复振幅法：,（20),22,矢量图解法：,23,矢量图解法：,多边形法则,24,五光波的相干叠加和不相干叠加,1、相干叠加：条件：二波频率、振动方向相同，且在空间各点相差恒定。,设有频率、振动方向相同的二光振动,25,，是空间点的函数，故光强I也是空间点的函数,（22),26,2、不相干叠加,在某一时间内（,（21),27,小 结,28,小 结,复振幅描述,四.波的独立性和叠加性,1.波的独立传播特性,2.波的叠加性,29,1、相干叠加：,2、不相干叠加,二光振动频率不同、位相差 随时变化，,强度直接相加,1.位相差相同的点必有相同的光强；2.等相差面就是等光强面.,小 结,五.光波的相干叠加和不相干叠加,30,1.2 由单色波叠加所形成的干涉图样,（仅讨论简谐波）,一、位相差、光程差,两频率相同的光波源,在某t时间到达p点,（4),31,2、光程及光程差,光在介质中的光程等于相同时间内光在真空中通过的路程。,（10),32,二干涉图样的形成,干涉图样形状,条纹非定域,33,二干涉图样的形成,干涉图样形状,双曲面簇与光屏相交，在屏上形成条纹：条纹为双曲线，近轴区域的条纹近似视为直线。,34,干涉强度分布,（11),35,j 干涉级次,（12),（13),讨论：,36,3明暗纹在屏上的位置,已知,（14),相干最小：,（15),37,由图：,4.条纹间距,y与j无关，条纹均匀分布。,波长反映了光波场中光矢量空间分布的周期性；纹间距反映干涉场中干涉光强空间分布的周期性。,38,（4）白光入射，级仍是白光，其余各级亮纹带彩色。,（6）干涉花样实质上体现了参与相干叠加的光波间 位相差的空间分布。,结论：,（1）各级亮条纹强度都相等，相邻条纹（亮或暗）等间距，且与j无关；,（2）当以一定波长的单色光入射时，间距y的大小与 r0成正比，而与d成反比；,（5）条纹的漂移,39,本节小结,二干涉图样的形成,、干涉强度分布,40,3条纹的位置,4.条纹间距,本节小结,41,书面作业：P66 1-1，1-2，1-3复 习：1-1、1-2;阅 读：附录1-1、1-2；预 习：1-3、4、5,42,复习回顾,43,复振幅描述,复习回顾,44,两列光波的相干条件：,频率相同；振动方向相同；在空间各点相差恒定。,五、光波的相干叠加和不相干叠加,1、相干叠加：,相干叠加光强分布：,2、不相干叠加,二光振动频率不同、位相差 随时变化，,强度直接相加,1.位相差相同的点必有相同的光强；2.等相差面就是等光强面.,复习回顾,45,复习回顾,二干涉图样的形成,、干涉强度分布,46,复习回顾,3条纹的位置,4.条纹间距,47,1.3 分波面双光束干涉,一光源和机械波源的区别,机械波源中独立振源的振动在观察时间内通常是持续进行的，位相差保持不变，一般都相干。,光辐射起源于原子。光源的最基本发光单元是分子、原子。,波列长,1.机械波源：,2.光波源：,发光机制：,48,原因：原子发光是随机的，间歇性的，两列光波的振动 方向不可能一致，周相差不可能恒定。,发光特点：,49,1.分波前的方法 杨氏干涉,2.分振幅的方法 等倾干涉、等厚干涉,二、普通光源获得相干光的途径（方法）,.分振动面的方法 偏振光的干涉,50,三几种典型的分波面干涉实验,、杨氏双缝干涉实验,51,菲涅耳双面镜实验：,（1),两独立激光光源相干时，由于,(1)光路构成,(2)分波面相干原理,(3)条纹间距,52,.劳埃德镜实验,(1)光路构成,波面及条纹形成示意图,(2)分波面相干原理,53,当屏幕 E 移至E处时，使p0与M重合,从 S和 S到 M 点的光程差为零，M点应为明纹，但观察到是暗条纹。,(3)条纹重要特征,(4)条纹间距,.劳埃德镜实验,54,.维纳驻波实验：,驻波：振幅相同而传播方向相反的两列简谐相干波叠加得到的振动。,入射波和反射波相遇在一起，也会发生相干叠加而形成驻波。,在G与M接触的地方无感光，即波节处，反射光产生了半波损失。,55,三几种典型的分波面干涉实验,.菲涅耳双面镜实验,.维纳驻波实验,.杨氏双缝干涉实验,本节小结,56,例:在杨氏双缝实验中，双缝之间的距离为0.5mm，光屏到小孔的距离为50cm。当用折射率n=1.60的透明薄膜盖在缝S2上时，发现屏上条纹移动了1cm，试求薄膜厚度。,盖膜前后P点光程差的变化量为：,由此得,注意条纹移动的方向！,解：无薄膜时P点光程差为：,盖上薄膜时P0移到P点，则此时P点光程差为：,57,练习:在杨氏双缝实验中，用折射率n=1.58的透明薄膜盖在上缝上，并用=6.328107m的光照射，发现中央明纹向上移动了5条，求薄膜厚度。,解：设中央明纹向上移动到了P点则P点应有,又因P点是未放薄膜时第5级的位置,代入上式可即：,由此得：,58,.4 干涉条纹的可见度 光波的时空相干性,一、干涉条纹的可见度,1、定义：描述干涉条纹清晰程度的物理量。,2、单色光相干条纹的可见度V,（1),59,练习：有一双缝干涉装置，通过其中一缝的能量是另一缝能量的4倍。求可见度。,解：,60,以上是在理想单色光、理想线光源的条件下讨论的，而实际并非如此！,二、光源的非单色性对干涉条纹的影响 光波的时间相干性,、光源的非单色性对干涉条纹的影响,通常的单色光源，并不是单一波长，有一定范围，从而影响可见度。,以杨氏干涉为例,61,光源的单色性决定了能产生干涉条纹的最大光程差。,（1）j增大，谱线变宽，可见度降低；,j级谱线的宽度：,（3),（2）如果（）的j级与的(j+1)级重合，V=0,62,时间相干性（光场的）纵向相干性,（1）波列长度（L）,当光程差大于波列长度时，二子波不能相遇，因而不能产生干涉。波列长度限定了干涉装置的最大光程差，即,例：白光（用眼睛观察），波列长度与波长同一数量级。钠光：；低气压镉灯：0cm；激光：几百公里。,（7）,63,（2）相干时间,对于某观察点，若前后两时刻传来的光波隶属同一波列，则称它们是相干光波，称该光波场具有时间相干性（与单色性紧密相联）。,因为波列是沿光的传播方向通过空间固定点，所以时间相干性是光场的纵向相干性。,三.光源的线度对干涉条纹的影响,1.两个线光源的情况,衡量光波场时间相干性好坏的量是,越大，相干性越好。,说明：,讲到此处！#,64,此时V=0,65,2.扩展面光源的情况,说明：,66,3、空间相干性,之间距小于，光场空间相干；,光场的空间相干性是描述光场中光的传播路径上空间横向两点在同一时间光振动的关联程度，又称横向相干性。,注意：光的空间相干性和时间相干性是不能严格分开的。,光的空间相干性与光源的线度有关；,说明：,（1）两列光波频率相同、振动方向相同；（2）两列光波在相遇点位相差恒定；（3）两列光波在相遇点光程差不太大；（4）两列光波在相遇点的振幅相差不能太大。,四、光波相干条件,67,本节小结,一、干涉条纹的可见度,、光源的非单色性对干涉条纹的影响,二、光源的非单色性对干涉条纹的影响 光波的时间相干性,68,本节小结,时间相干性（光场的）纵向相干性,三.光源的线度对干涉条纹的影响,69,（1）两列光波频率相同、振动方向相同；（2）两列光波在相遇点位相差恒定；（3）两列光波在相遇点光程差不太大；（4）两列光波在相遇点的振幅相差不能太大。,四、光波相干条件,本节小结,70,1.5 菲涅耳公式,一、公式：,S：与入射面垂直，沿y轴的正方向为正；,P：与入射面平行，沿图中所示方向为正。,S、P、传播方向三者构成右手螺旋,说明：,公式反映了反射和折射瞬时电矢量振幅和振动方向的变化；,振幅大小变化由比值大小表示；,振动方向的变化由比值的正负决定（相对于规定的自身的正方向而言）。,71,二、半波损失的解释,1、掠入射（洛埃镜）,入射光和反射光的传播方向几乎相同，而反射光中两分量的合矢量几乎与这里入射光中的合矢量方向相反。,有半波损失,72,垂直入射（维纳驻波）,在任何情况下，折射光电矢量无位相突变，无半波损失。,光从光疏介质射入射到光密介质的界面时，在掠射或正入射两种情况下，反射光的振动方向对于入射光的振动方向都几乎相反，即产生半波损失。,反射光中两分量的合矢量几乎与入射光中的合矢量方向相反。,结论：,73,三、额外光程差,界面反射的相位突变：密有疏无,奇有顺无,74,小 结,一、菲涅耳公式,二、半波损失的解释,1、掠入射,反、入射光合矢量反向,、垂直入射,反、入射光合矢量反向,三、额外光程差,界面反射相位突变：密有疏无,薄膜干涉额外程差：奇有顺无,75,书面作业：P66 1-4，1-5，1-6复 习：1-3、1-4、1-5;阅 读：附录1-3、1-4；预 习：1-6、7、10,76,菲涅耳双面镜实验：,77,几何光学：以光的直线传播为基础，研究光在透明介质中的传播问题。,光的直线传播定律 光的独立传播定律 光的折射和反射定律成像理论,内容：,返回,78,返回,波动光学：以光的波动性为基础，研究光的传播及其规律。,干涉衍射偏振,内容：,79,返回,量子光学：以光和物质相互作用时所显示出的粒子性为基础，来研究光的一系列规律。如光的吸收、散射、色散、光的本性等。,光和物质的相互作用规律,内容：,80,现代光学：反映了光学进一步与各个科技领域的紧密结合。,激光、全息摄影、光纤维光学计算机、傅里叶光学红外技术、遥感、遥测等,内容：,返回,81,现代光学 激光光学：激光物理、激光技术、激光应用等。全息光学：光学全息与信息处理等。晶体光学：光波在晶体中的传播及晶体的电光效应等。集成光学：集成光路理论及制造等。傅立叶光学：光学傅立叶分析、傅立叶变换等。激光光谱学：物质微观结构及分子运动规律的分析等。非线性光学：光学介质与强光的相互作用。,瞬态光学、光纤通信、光信息存储、受激拉曼散射、受激布里渊散射、飞秒激光,返回,82,萌芽时期：远古15世纪末、16世纪初,光学的起源可追溯到我国的春秋战国时期，墨翟（前468前376）及其弟子所著的墨经中，就记载着光的直线传播（影的形成和针孔成像等）和光在镜面（凹面和凸面）上的反射等现象，并提出了一系列经验规律，把物和像的位置及其大小与所用镜面的曲率联系起来。无论就时间还是就科学性来讲，墨经称得上是有关光学知识的最早记录。比希腊数学家欧几里德所著的光学早100多年。,83,墨翟 墨经八条关于光学的记载，包括：影的定义和生成，光的直线传播性和小孔成像，平面镜、凹球面镜和凸球面镜成像。,成就 发现和总结了平面镜成像、透镜成像、凹凸面镜成像、针孔成像等现象或实验的规律。造出了透镜、凹凸面镜、眼镜、暗箱等光学元件。,萌芽时期：远古15世纪末、16世纪初,从墨翟开始的两千多年的漫长岁月构成了光学发展的萌芽时期，此间光学发展比较缓慢。到15世纪末和16世纪初，凹、凸面镜、眼镜、透镜以及暗箱和幻灯等相继出现，预示着新的时期即将到来。,返回,84,几何光学时期：16世纪初19世纪初 这一时期是光学发展史上的转折点！在这个时期，建立了光的反射定律和折射定律；同时为了提高人眼的观察能力，人们发明了光学仪器，诞生了第一架望远镜，发明了显微镜。到17世纪中叶，基本上已经奠定了几何光学的基础。,17世纪下半叶，牛顿和惠更斯等人把光的研究引向进一步发展的道路。牛顿提出了光是微粒流的理论。惠更斯则认为光是在“以太”中传播的波。,85,几何光学时期：16世纪初19世纪初,牛顿的微粒说 光是由发光物体发出的遵循力学规律的粒子流。,惠更斯的波动说光是机械波，在弹性介质“以太”中传播。,86,返回,成就 建立了光的反射和折射定律，奠定了几何光学的基础；发现了干涉、衍射、偏振等光的波动现象，以惠更斯为代表的波动说初步提出。造出望远镜（H.Lippershey，15871619年）、显微镜（Z.Janssen，15801656年），极大地推动了天文、航海、生物学的发展。,为几何光学向波动光学过渡时期，是人们对光的认识逐步深化的时期。,几何光学时期：16世纪初19世纪初,87,波动光学时期：19世纪初20世纪初,到了19世纪初，初步发展起来的波动光学的体系已经形成。1801年杨氏最先用干涉原理令人满意的解释了白光照射下薄膜颜色的由来并做了著名的“杨氏双缝干涉实验”，还第一次成功的测定了光的波长。1815年菲涅耳用杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，形成了人们所熟知的惠更斯菲涅耳原理。,1808年马吕斯偶然发现光在两种介质界面上反射时的偏振现象。随后菲涅耳和阿拉果对光的偏振现象和偏振光的干涉进行了研究,证实了光是横波。,88,1845年法拉第揭示了光和电磁现象的内在联系。1865年麦克斯韦的理论研究说明光是一种电磁现象。这个理论在1888年被赫兹的实验所证实。至此，确立了光的电磁理论。光的电磁理论在整个物理学的发展中起着很重要的作用，它指出光现象和电磁现象的一致性，使人们在认识光的本性方面向前迈出了一大步。,波动光学时期：19世纪初20世纪初,89,波动光学时期：19世纪初20世纪初,经典物理学大厦：力、热、电磁、光 两朵乌云：热辐射、迈克尔逊莫雷实验（以太）,返回,成就 惠更斯菲涅耳原理成功地解释了光的直线传播、干涉、衍射和偏振现象，奠定了波动光学的基础；法拉第和麦克斯韦等人揭示了光学现象和电磁现象的内在联系，赫兹测得电磁波的传播速度等于光速，确定了光的电磁理论基础。成功地测定了光的波长，用多种实验方法测定了光在各种介质中的传播速度。,90,量子光学时期：20世纪初20世纪中,19世纪末到20世纪初，光学的研究深入到光的发生、光和物质相互作用的微观机制中，开始了量子光学时期。1905年爱因斯坦发展了普朗克的能量子假设，把量子论贯穿到整个辐射和吸收过程中，提出了杰出的光量子（光子）理论，圆满地解释了光电效应，并被后来的许多实验（例如康普顿效应）证实。,91,光的本性物质（实物和场）的本性 波粒二象性,成就 爱因斯坦发展了普朗克的能量子假设，提出了光的量子说，圆满的解释了光电效应，并被康普顿效应等许多实验证实，使人们认识到光的波粒二象性。,至此，人们一方面通过光的干涉、衍射和偏振等光学现象证实了光的波动性；另一方面通过黑体辐射、光电效应和康普顿效应等又证实了光的量子性粒子性。,量子光学时期：20世纪初20世纪中,返回,92,三件大事：1948 伽柏提出光波全息术 1955 光学传递函数理论的创立 1960 梅曼红宝石激光器的诞生,20世纪60年代以来是光学发展最为迅速活跃的时期,现代光学时期：20世纪中,93,成就 激光问世（，1927），全息术、微波、光纤、红外技术的应用乃至光计算机的研制，使光学成为现代物理学和现代科学技术领域最重要的前沿之一；理论上出现了许多新的分支学科和边缘学科，如傅里叶光学、非线性光学、量子光学、激光光谱学、集成光学等。,现代光学时期：20世纪中,现代光学与其他科学技术的结合使人们对光本质的认识进一步向前发展，并在社会生活和生产活动中发挥极其重要的作用。,返回,