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文档简介
1、 第一章第一章 光的干涉光的干涉 第二章第二章 光的衍射光的衍射 第三章第三章 光的偏振光的偏振波波 动动 光光 学学1.1.光学的发展光学的发展l几何光学几何光学波动光学波动光学量子光学量子光学几几何何光光学学:光光直直线线传传播播 光光学学仪仪器器的的成成象象理理论论波波动动光光学学:光光是是电电磁磁波波 干干涉涉、衍衍射射、偏偏振振量量子子光光学学:光光具具有有波波粒粒二二象象性性 光光与与物物质质的的相相互互作作用用l线性光学线性光学非线性光学非线性光学2.2.波动光学对光的描述波动光学对光的描述l光是电磁波光是电磁波l单色光:频率恒定的一列无限长单色光:频率恒定的一列无限长E E矢量
2、矢量l 的简谐光波。的简谐光波。 l与物质相互作用感光、生理作用)与物质相互作用感光、生理作用)l 的主要是的主要是E E矢量矢量- -光矢量。光矢量。E E矢量的振动矢量的振动l 称为光振动。称为光振动。第一章第一章 光的干涉光的干涉Interference of Interference of lightlight)1 1 光源的发光特性光源的发光特性一一. . 光光源源光源的最基本发光单元是分子、原子光源的最基本发光单元是分子、原子 =(E2-E1) /hE1E2能级跃迁辐射能级跃迁辐射波列波列波列长波列长 L =L = c c 10-8 10-8秒秒1. 1. 普通光源:自发辐射普通光
3、源:自发辐射互相独立互相独立互相独立互相独立同一原子先后发的光同一原子先后发的光不同原子发的光不同原子发的光互相独立:前后发光间隔,频率互相独立:前后发光间隔,频率,位相位相,振动方向振动方向,传传 播方向播方向2. 2. 激光光源:受激辐射激光光源:受激辐射频率频率, ,位相位相, ,振动振动方向方向, ,传播方向传播方向完全一样!完全一样! =(E2-E1) /hE2E1 二二. . 光的相干性光的相干性 1. 两列光波的叠加(只讨论电振动) - -2121,E/EE令令光光矢矢量量)cos(1101 tEE)cos(2202 tEEP: 1 2 E0E 10E 20)cos(021 tE
4、EEE cos2201022021020EEEEE12 - - p12r1r2 cos 2 2121 IIIII l非相干光源普通光源)非相干光源普通光源) I = I 1 + I 2 I = I 1 + I 2 非相干叠加非相干叠加( (光强光强叠加叠加) )干涉项干涉项12 - - p12r1r20cos 干涉项的时间平均值为零干涉项的时间平均值为零 不恒定不恒定l完全相干光源如激光光源)完全相干光源如激光光源) coscos相长干涉明)相长干涉明) ,2 k 2121max2IIIIII (k = 0,1,2,3) 相消干涉暗)相消干涉暗) ,)12( k2121min2IIIIII-
5、- (k = 0,1,2,3) 决定于决定于P P点的位置点的位置 恒定恒定21II 21II Io2-24-44I1衬比度差衬比度差 (V (V d ,D d (dD d (d 10 -4m, D 10 -4m, D m) m)波程差:波程差:Dxdddrr - - tgsin12相位差:相位差: 2 明纹明纹2 , 1 , 0 , , kdDkxkk 暗纹暗纹 2)1 2( ,2)1 2( )12( dDkxkk 条纹间距条纹间距 dDx (1) (1) 一系列平行的明暗相间的条纹;一系列平行的明暗相间的条纹; (3) (3) 中间级次低;中间级次低;明纹明纹: : k k ,k =1,2
6、,3(k =1,2,3(整数整数级级) )暗纹暗纹: : (2k+1)/2 (2k+1)/2 (半整半整数级数级) )(4)(4) x 条纹特点:条纹特点:(2) (2) 不太大时条纹等间距;不太大时条纹等间距;某条纹级次某条纹级次 = = 该条纹相应的该条纹相应的 (r2-(r2-r1)/r1)/二二 . . 光强公式光强公式,cos22121 IIIII假设假设 I1 = I2 = I1 = I2 = I0 ,I0 ,2cos420 II那那么么)2sin( d 光强曲线光强曲线I02-24-4k012-1-24I0 x0 x1x2x -2x -1s i n0 /d- /d-2 /d2 /
7、d3 3 其他分波面干涉实验其他分波面干涉实验( (自学自学) )4 4 空间相干性空间相干性一一. . 空间相干性的概念空间相干性的概念光源宽度对干涉条纹衬比度的影响光源宽度对干涉条纹衬比度的影响设光源宽度为设光源宽度为b bBDI非相干叠加非相干叠加+1L0N0M0Lb/2d /2LMNS1S2xI合成光强合成光强0N x+1L0M0L-1N=D/d二二. . 极限宽度极限宽度当光源宽度当光源宽度b b增大到某个宽度增大到某个宽度b0b0时,干涉条时,干涉条设设BdBd和和b b - - )()(1122rrrr( (一级明纹一级明纹) )22sin Dxdd纹刚好消失,纹刚好消失,b0b
8、0称为光源的极限宽度。称为光源的极限宽度。do DB+1L r2r1 r 1r 2单色光源单色光源b0 /2xLx /2x /2 Bbdd2sin0 ( B b0 ,d )( B b0 ,d ) Bbd220 dBb 0光源的极限宽度0bb 时,才能观察到干涉条纹。时,才能观察到干涉条纹。do DB+1L r2r1 r 1r 2单色光源单色光源b0 /2xLx /2x /2 三三. . 相干间隔和相干孔径角相干间隔和相干孔径角1. 1. 相干间隔相干间隔假设假设 b b 和和 B B一定,则要得到干涉条纹,一定,则要得到干涉条纹,必需必需)(00 bBddd 相干间隔相干间隔d0越大,光场的空
9、间相干性越好。越大,光场的空间相干性越好。2. 2. 相干孔径角相干孔径角S1S2b 0d0BbBd 00相干孔径角相干孔径角 0 0 越大空间相干性越好。越大空间相干性越好。激光光源可以不受以上限制激光光源可以不受以上限制在在0 0 范围内的光场中,正对光源的平范围内的光场中,正对光源的平面上的任意两点的光振动是相干的。面上的任意两点的光振动是相干的。四四. . 应用举例应用举例1.1.测遥远星体的角直径:测遥远星体的角直径:Bb bdB 星体星体bdB 星体星体 bBd00 d 考虑到衍射的影响,有考虑到衍射的影响,有022. 1d M1M2M3M4屏屏测星干涉仪测星干涉仪2.2.屏上条纹
10、消失时,反射屏上条纹消失时,反射镜镜M1M4M1M4间的距离就是间的距离就是d0d0, 测猎户座星测猎户座星 00nmnm测得测得m07. 30 d047. 022. 10 d 得得使使d =d0d =d0则条纹消失则条纹消失一一. . 光的非单色性光的非单色性1.1.理想的单色光理想的单色光 、 2.2.准单色光、谱线宽度准单色光、谱线宽度 准单色光:在某个中心波长频率附准单色光:在某个中心波长频率附近有一定波长频率范围的光。近有一定波长频率范围的光。 谱线宽度:谱线宽度: 0 oII0I0 /2谱线宽度谱线宽度(1) (1) 自然宽度自然宽度 Ei+1 Ei+1Ei EihEEii1 5
11、5 时间相干性时间相干性 造成谱线宽度的原因造成谱线宽度的原因(2)(2)多普勒增宽多普勒增宽 T ,T(3) (3) 碰撞增宽碰撞增宽 p )( ,一一定定Tpz二二. . 非单色性对干涉条纹的影响非单色性对干涉条纹的影响0123456012345Ix - (/2) + (/2)合成光强合成光强)2)(1()2( - - MMkk 干涉的最大级次干涉的最大级次 Mk三三. . 相干长度与相干时间相干长度与相干时间1.1.相干长度相干长度 两列波能发生干涉的最大波程差两列波能发生干涉的最大波程差 2MMk :中心波长SS1S2c1c2b1b2a1a2 pS1S2Sc1c2b1b2a1a2p注注
12、: 等代表波列等代表波列只有同一波列分成的两部分经不同的光程只有同一波列分成的两部分经不同的光程再相遇时才能发生干涉。再相遇时才能发生干涉。波列长度就是波列长度就是相干长度相干长度 McM 光通过相干长度所需时间光通过相干长度所需时间2.2.相干时间相干时间6 6 光程光程一一. . 光程、光程差光程、光程差 真空中真空中dab 2dab - - 媒质媒质中中abndnn媒质媒质 2nabd - - n n媒质中波媒质中波长长nncncun / 2nd 光程光程 : L = nd: L = nd 真空中波真空中波长长n1n2nmd1d2dm 光程差光程差 : = L2 = L2 - L1- L
13、1 2 例例 S1S2r1r2dnpP: P: 122LL - - 122rnddr- - - - dnrr1212- - - - 二二. .使用透镜不会产生附加光程使用透镜不会产生附加光程差差SacbS物点到象点各光线之间的物点到象点各光线之间的光程差为零光程差为零相位差和光程差的关系:相位差和光程差的关系:光 程光 程 L = L = ( ni di )( ni di )7 7 薄膜干涉薄膜干涉 ( (一一) ) 等厚条纹等厚条纹一一. . 劈尖劈形膜)劈尖劈形膜)夹角很小的两个平面所构成的薄膜夹角很小的两个平面所构成的薄膜rad 101054- - -: e nnn A反射光反射光2反射
14、光反射光1单色平行光单色平行光(设设n n )S121 1、2 2两束反射光来自同两束反射光来自同一一 束入射光,它们可束入射光,它们可以产生干涉以产生干涉 。 e nnnA反射光反射光2反射光反射光1入射光入射光(单色平单色平行光垂直入射行光垂直入射)(设设n n )A: 1A: 1、2 2的光程差的光程差)(22ene 明纹:明纹:1,2,3,= ,)(kke 暗纹:暗纹:0,1,2,= ,2)1 2()(kke 同一厚度同一厚度e e对应同一级条纹对应同一级条纹等厚条纹等厚条纹光程差可简化为图示情况计算。光程差可简化为图示情况计算。实际应用中实际应用中,大都是平行光垂直入射到劈尖上。大都
15、是平行光垂直入射到劈尖上。考虑到劈尖夹角极小考虑到劈尖夹角极小, 反射光反射光1、 2在膜面的在膜面的 L eekek+1明纹明纹暗纹暗纹条纹间距条纹间距 eL 又又 en2 nL2 二二. . 牛顿环牛顿环 .S分束镜分束镜M显微镜显微镜o erR平晶平晶平凸透镜平凸透镜 暗环暗环 o 牛顿环装置简图平凸透镜平凸透镜平晶平晶光程差:光程差:22 eeeRRr 2)(222R - - - Rre22 (1)(1)2)12(22 ke ( k = 0 , 1 , 2, )(2)第第k个暗环半径个暗环半径kkRrk 暗环:暗环:三三. . 等厚条纹的应用等厚条纹的应用1. 1. 劈尖的应劈尖的应用
16、用 nL2 测波长:已知测波长:已知、n n,测,测L L可得可得 测折射率:已知测折射率:已知、,测,测L L可得可得n n 测细小直径、厚度、微小变化测细小直径、厚度、微小变化h待测块规待测块规标准块规标准块规平晶平晶 测表面不平度测表面不平度等厚条纹等厚条纹待测工件待测工件平晶平晶2. 2. 牛顿环的应用牛顿环的应用 mRrrkmk - - 22 测透镜球面的半径测透镜球面的半径R R: 知知, , 测测 m m、rk+mrk+m、rkrk,可得,可得R R 。 测波长测波长: 已知已知R R,测出,测出m m 、 rk+mrk+m、rkrk, 可得可得。 检验透镜球表面质量检验透镜球表
17、面质量标准验规标准验规待测透镜待测透镜暗纹暗纹 8 8 薄膜干涉二)薄膜干涉二) 等倾条纹等倾条纹一一. . 点光源照明时的干涉条纹分析点光源照明时的干涉条纹分析L fPo r环环B ennn ni rA CD21Siii光束光束1 1、2 2的光程差:的光程差:2 )( - - ADnBCABnreBCABcos iACADsin iresintg2 2cossinsin 2cos2 - - rirenrnerninsinsin 得得2cos2 rne )(2sin 2222iinne - - 或或明纹明纹, 3 , 2 , 1 ,)( kki 暗纹暗纹 , 2 , 1 , 0,212 kk
18、i 倾角倾角i i相同的光线对应同一条干涉条纹相同的光线对应同一条干涉条纹 等倾条纹。等倾条纹。 外形外形: :条纹特点条纹特点: :一系列同心圆环一系列同心圆环r r环环= f tg i= f tg i 条纹间隔分布条纹间隔分布: :内疏外密内疏外密 条纹级次分布条纹级次分布: :e e一定时,一定时, krik 波长对条纹的影响波长对条纹的影响: : kriek , , 一一定定 kriek,一定一定 膜厚变化时膜厚变化时, ,条纹的移动:条纹的移动:二二. . 面光源照明时,干涉条纹的分析面光源照明时,干涉条纹的分析iPifor环ennn n面光源面光源只要入射角只要入射角i i相同,都将汇聚在同一个干涉相同,都将汇聚在同一个干涉环上非相干叠加)环上非相干叠加)三三. . 运用:增透运用:增透( (
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