普通物理学§12-2 光的单色性、相干性

1、 第第12章章光学光学 光学光学-研究研究 光的现象光的现象; 光的本性光的本性; 光与物质相互作用光与物质相互作用.20世纪世纪60年代激光问世后，光学有了年代激光问世后，光学有了飞速的发展，形成了飞速的发展，形成了现代光学现代光学。几何光学：几何光学：以光的直线传播规律为基础，以光的直线传播规律为基础， 研究各种光学仪器的理论。研究各种光学仪器的理论。量子光学：量子光学：以光的量子理论为基础，研以光的量子理论为基础，研 究光与物质相互作用的规律。究光与物质相互作用的规律。波动光学：波动光学：以光的电磁波本性为基础，以光的电磁波本性为基础， 研究传播规律，特别是干涉、衍射、研究传播规律，特别

2、是干涉、衍射、 偏振的理论和应用偏振的理论和应用 2-5-1 光的单色性、相干性光的单色性、相干性 一、光矢量一、光矢量 2-5-1 光的单色性、相干性光的单色性、相干性 一、光矢量一、光矢量 12-2 光的单色性、相干性光的单色性、相干性 光是一种电磁波，因此光就是电磁场中光是一种电磁波，因此光就是电磁场中电场强度电场强度E E和磁场强度和磁场强度H H的周期性变化在空间的周期性变化在空间的传播，或者说，的传播，或者说，E E矢量和矢量和H H矢量的振动在空矢量的振动在空间的传播。间的传播。 一、光矢量一、光矢量12-2 光的单色性、相干性光的单色性、相干性 光是一种电磁波，因此光就是电磁场

3、中光是一种电磁波，因此光就是电磁场中电场强度电场强度E E和磁场强度和磁场强度H H的周期性变化在空间的周期性变化在空间的传播，或者说，的传播，或者说，E E矢量和矢量和H H矢量的振动在空矢量的振动在空间的传播。研究表明，在光波中引起光效应间的传播。研究表明，在光波中引起光效应的，即对人的眼睛或照相底片等感光器件起的，即对人的眼睛或照相底片等感光器件起作用的，主要是电场强度作用的，主要是电场强度E.E. 一、光矢量一、光矢量 光是一种电磁波，因此光就是电磁场中光是一种电磁波，因此光就是电磁场中电场强度电场强度E E和磁场强度和磁场强度H H的周期性变化在空间的周期性变化在空间的传播，或者说，

4、的传播，或者说，E E矢量和矢量和H H矢量的振动在空矢量的振动在空间的传播。研究表明，在光波中引起光效应间的传播。研究表明，在光波中引起光效应的，即对人的眼睛或照相底片等感光器件起的，即对人的眼睛或照相底片等感光器件起作用的，主要是电场强度作用的，主要是电场强度E.E. 把把E E矢量称为光矢量称为光矢量，把矢量，把E E矢量的振动称为光振动。矢量的振动称为光振动。 12-2 光的单色性、相干性光的单色性、相干性 一、光矢量一、光矢量 光是一种电磁波，因此光就是电磁场中光是一种电磁波，因此光就是电磁场中电场强度电场强度E E和磁场强度和磁场强度H H的周期性变化在空间的周期性变化在空间的传播

5、，或者说，的传播，或者说，E E矢量和矢量和H H矢量的振动在空矢量的振动在空间的传播。研究表明，在光波中引起光效应间的传播。研究表明，在光波中引起光效应的，即对人的眼睛或照相底片等感光器件起的，即对人的眼睛或照相底片等感光器件起作用的，主要是电场强度作用的，主要是电场强度E.E. 把把E E矢量称为光矢量称为光矢量，把矢量，把E E矢量的振动称为光振动。矢量的振动称为光振动。 通常意义上的光是指可见光，为人眼能通常意义上的光是指可见光，为人眼能感受到的电磁波，感受到的电磁波，波长范围波长范围 380-780 nm。 12-2 光的单色性、相干性光的单色性、相干性 一、光矢量一、光矢量 光是一

6、种电磁波，因此光就是电磁场中光是一种电磁波，因此光就是电磁场中电场强度电场强度E E和磁场强度和磁场强度H H的周期性变化在空间的周期性变化在空间的传播，或者说，的传播，或者说，E E矢量和矢量和H H矢量的振动在空矢量的振动在空间的传播。研究表明，在光波中引起光效应间的传播。研究表明，在光波中引起光效应的，即对人的眼睛或照相底片等感光器件起的，即对人的眼睛或照相底片等感光器件起作用的，主要是电场强度作用的，主要是电场强度E.E. 把把E E矢量称为光矢量称为光矢量，把矢量，把E E矢量的振动称为光振动。矢量的振动称为光振动。 通常意义上的光是指可见光，为人眼能通常意义上的光是指可见光，为人眼

7、能感受到的电磁波，感受到的电磁波，波长范围波长范围 380-780 nm。光的颜色是光在人眼中产生的视觉效果。光的颜色是光在人眼中产生的视觉效果。 12-2 光的单色性、相干性光的单色性、相干性视觉对不同波长的相对灵敏度视觉对不同波长的相对灵敏度 单色光单色光：频率恒定的一列无限长正弦（或：频率恒定的一列无限长正弦（或余弦）光波。余弦）光波。二、光的单色性二、光的单色性 原子中一次量子跃迁的持续发光时间的数原子中一次量子跃迁的持续发光时间的数量级为量级为秒，是一个有限长的正弦波列，秒，是一个有限长的正弦波列，波列长度为波列长度为1080.03不是严格的单色光。不是严格的单色光。 单色光单色光：

8、频率恒定的一列无限长正弦（或：频率恒定的一列无限长正弦（或余弦）光波。余弦）光波。3m二、光的单色性二、光的单色性 原子中一次量子跃迁的持续发光时间的数原子中一次量子跃迁的持续发光时间的数量级为量级为秒，是一个有限长的正弦波列，秒，是一个有限长的正弦波列，波列长度为波列长度为1080.03不是严格的单色光。不是严格的单色光。 单色光单色光：频率恒定的一列无限长正弦（或：频率恒定的一列无限长正弦（或余弦）光波。余弦）光波。3m二、光的单色性二、光的单色性只能说是只能说是准单色光准单色光:在某个中心频率（波长）在某个中心频率（波长）附近有一定频率（波长）范围的光。附近有一定频率（波长）范围的光。衡

9、量单色性好坏的物理量是衡量单色性好坏的物理量是谱线宽度谱线宽度 谱线谱线宽度宽度衡量单色性好坏的物理量是衡量单色性好坏的物理量是谱线宽度谱线宽度例例:普通单色光普通单色光 : 10-2 10 0A 谱线谱线宽度宽度衡量单色性好坏的物理量是衡量单色性好坏的物理量是谱线宽度谱线宽度例例:普通单色光普通单色光 : 10-2 10 0A 激光激光 ：10-8 10-5 A 谱线谱线宽度宽度衡量单色性好坏的物理量是衡量单色性好坏的物理量是谱线宽度谱线宽度例例:普通单色光普通单色光 : 10-2 10 0A 激光激光 ：10-8 10-5 A 可见光可见光 103A 谱线谱线宽度宽度造成谱线宽度的主要原因

10、：造成谱线宽度的主要原因：1. 自然增宽自然增宽：由能级自然宽度形成。：由能级自然宽度形成。造成谱线宽度的主要原因：造成谱线宽度的主要原因：1. 自然增宽自然增宽：由能级自然宽度形成。：由能级自然宽度形成。原子处在激发态有一定的寿命原子处在激发态有一定的寿命 ， E -能级宽度能级宽度 Eh= E1+ E2h造成谱线宽度的主要原因：造成谱线宽度的主要原因：1. 自然增宽自然增宽：由能级自然宽度形成。：由能级自然宽度形成。2. 多普勒增宽多普勒增宽：分子、原子的热运动引起：分子、原子的热运动引起.原子处在激发态有一定的寿命原子处在激发态有一定的寿命 ， E -能级宽度能级宽度 Eh= E1+ E

11、2h造成谱线宽度的主要原因：造成谱线宽度的主要原因：1. 自然增宽自然增宽：由能级自然宽度形成。：由能级自然宽度形成。2. 多普勒增宽多普勒增宽：分子、原子的热运动引起：分子、原子的热运动引起.3. 碰撞增宽碰撞增宽：碰撞可增加原子能级宽度：碰撞可增加原子能级宽度.原子处在激发态有一定的寿命原子处在激发态有一定的寿命 ， E -能级宽度能级宽度 Eh= E1+ E2h三、光的相干性三、光的相干性三、光的相干性三、光的相干性光叠加时能产生干涉光叠加时能产生干涉现象现象,则光是相干的。则光是相干的。三、光的相干性三、光的相干性光叠加时能产生干涉光叠加时能产生干涉现象现象,则光是相干的。则光是相干的

12、。相相干干条条件件三、光的相干性三、光的相干性光叠加时能产生干涉光叠加时能产生干涉现象现象,则光是相干的。则光是相干的。频率相同频率相同振动方向一致振动方向一致相位差恒定相位差恒定相相干干条条件件 两个独立的光源不可能成为一对相干光源两个独立的光源不可能成为一对相干光源钠钠光光灯灯A钠钠光光灯灯B两束光两束光不相干！不相干！三、光的相干性三、光的相干性光叠加时能产生干涉光叠加时能产生干涉现象现象,则光是相干的。则光是相干的。频率相同频率相同振动方向一致振动方向一致相位差恒定相位差恒定相相干干条条件件 两个独立的光源不可能成为一对相干光源两个独立的光源不可能成为一对相干光源原因：原因：原子发光是

13、随机的，间歇性的，两列原子发光是随机的，间歇性的，两列 光波的振动方向不可能一致，周相差光波的振动方向不可能一致，周相差 不可能恒定。不可能恒定。钠钠光光灯灯A钠钠光光灯灯B两束光两束光不相干！不相干！三、光的相干性三、光的相干性光叠加时能产生干涉光叠加时能产生干涉现象现象,则光是相干的。则光是相干的。频率相同频率相同振动方向一致振动方向一致相位差恒定相位差恒定相相干干条条件件 两个独立的光源不可能成为一对相干光两个独立的光源不可能成为一对相干光源；源；即使利用同一光源上两个不同的部分，即使利用同一光源上两个不同的部分，也不可能得到相干光源。也不可能得到相干光源。钠钠光光灯灯A两束光两束光不相

14、干！不相干！三、光的相干性三、光的相干性 为了利用普通光源为了利用普通光源( (除激光外除激光外) )获得相干获得相干光，光，其基本方法是把由同一光源上同一点发其基本方法是把由同一光源上同一点发出的光，设法分成两部分。出的光，设法分成两部分。方法有两种：方法有两种： 为了利用普通光源为了利用普通光源( (除激光外除激光外) )获得相干获得相干光，光，其基本方法是把由同一光源上同一点发其基本方法是把由同一光源上同一点发出的光，设法分成两部分。出的光，设法分成两部分。方法有两种：方法有两种： 1 1、从光源发出的同一列波的波面上分割、从光源发出的同一列波的波面上分割出两个微小的部分出两个微小的部分

15、( (例如例如双孔干涉双孔干涉) )，这两个，这两个微小部分可以看作两个子光源，它们发出的微小部分可以看作两个子光源，它们发出的光是相干光。这种用分割波面而获得相干光光是相干光。这种用分割波面而获得相干光的方法称为的方法称为分波面法分波面法。 2 2、设法把同一波列、设法把同一波列( (一个分子或原子在持续一个分子或原子在持续时间内发出的光波时间内发出的光波) )的光波通过反射或折射等过程，的光波通过反射或折射等过程，分成两束光波分成两束光波( (例如例如薄膜干涉薄膜干涉) )。显然，这两列光。显然，这两列光波是相干光波，它们的能量是从同一波列的光波波是相干光波，它们的能量是从同一波列的光波分

16、出来的，由于波的能量和振幅平方成正比，所分出来的，由于波的能量和振幅平方成正比，所以这种产生相干光的方法叫做以这种产生相干光的方法叫做分振幅法分振幅法。 2 2、设法把同一波列、设法把同一波列( (一个分子或原子在持续一个分子或原子在持续时间内发出的光波时间内发出的光波) )的光波通过反射或折射等过程，的光波通过反射或折射等过程，分成两束光波分成两束光波( (例如例如薄膜干涉薄膜干涉) )。显然，这两列光。显然，这两列光波是相干光波，它们的能量是从同一波列的光波波是相干光波，它们的能量是从同一波列的光波分出来的，由于波的能量和振幅平方成正比，所分出来的，由于波的能量和振幅平方成正比，所以这种产

17、生相干光的方法叫做以这种产生相干光的方法叫做分振幅法分振幅法。 激光激光（laser: light amplification by stimulated emission of radiation，受激辐射光放大）是目前最目前最理想的理想的相干光源相干光源， 2 2、设法把同一波列、设法把同一波列( (一个分子或原子在持续一个分子或原子在持续时间内发出的光波时间内发出的光波) )的光波通过反射或折射等过程，的光波通过反射或折射等过程，分成两束光波分成两束光波( (例如例如薄膜干涉薄膜干涉) )。显然，这两列光。显然，这两列光波是相干光波，它们的能量是从同一波列的光波波是相干光波，它们的能量是

18、从同一波列的光波分出来的，由于波的能量和振幅平方成正比，所分出来的，由于波的能量和振幅平方成正比，所以这种产生相干光的方法叫做以这种产生相干光的方法叫做分振幅法分振幅法。 激光激光（laser: light amplification by stimulated emission of radiation，受激辐射光放大）是目前最目前最理想的理想的相干光源相干光源，它不仅同一光源上同一点发出，它不仅同一光源上同一点发出的是相干光，的是相干光， 2 2、设法把同一波列、设法把同一波列( (一个分子或原子在持续一个分子或原子在持续时间内发出的光波时间内发出的光波) )的光波通过反射或折射等过程，的光波通过反射或折射等过程，分成两束光波分成两束光波( (例如例如薄膜干涉薄膜干涉) )。显然，这两列光。显然，这两列光波是相干光波，它们的能量是从同一波列的光波波是相干光波，它们的能量是从同一波列的光波分出来的，由于波的能量和振幅平方成正比，所分出来的，由于波的能量和振幅平方成正比，所以这种产生相干光的方法叫做以这种产生相干光的方法叫做分振幅法分振幅法。 激光激光（laser: light amplification by st