光学课件 第一章光的干涉

光学课件第一章光的干涉第1页，共84页，2023年，2月20日，星期一5.几何光学的基本原理2.光的干涉3.光的衍射6.光学仪器的基本原理8.光的量子性1.绪论4.光的偏振7.光的吸收、散射和色散第2页，共84页，2023年，2月20日，星期一绪论1.光学：是普通物理学的一个重要组成部分，是研究光的本性、光的传播和光与物质相互作用的基础学科。2.光学研究内容：光的发射、传播和接收等规律光和物质的相互作用（如：光的吸收、散射和色散、光电效应等）光的本性第3页，共84页，2023年，2月20日，星期一4

基础光学内容的大致分类1几何光学（光的直线传播原理、反射、折射、仪器）

2波动光学（干涉、衍射、偏振）

3量子光学（黑体辐射、光电效应、康普顿效应）

4现代光学（激光、非线性光学、全息、傅里叶光学）第4页，共84页，2023年，2月20日，星期一光学的发展简史光学的发展大致可分为五个时期

1、萌芽时期：公元前500年——1550年前后2、几何光学时期：1550年前后——1660年前后3、波动光学时期：1650年前后——1888年前后4、量子光学时期：1887年——1925年前后5、现代光学时期：1935年——5

第5页，共84页，2023年，2月20日，星期一6第6页，共84页，2023年，2月20日，星期一

墨子对光学很有研究，对于光的直线传播、光的反射和若干物影成像，进行了精彩的描述。

有一次，墨子进行光学实验，他在堂屋朝阳的地方，让一个人对着小孔站在屋外，在阳光的照射下，屋内相对的墙上出现倒立人像。墨子通过小孔成像的光学实验，阐述了光的直线传播原理，成为后代摄影技术的先声。

萌芽时期：二、光学发展历史回顾7第7页，共84页，2023年，2月20日，星期一

古希腊，数学家欧几里德（公元前330年——前275年）：《光学》“平面镜成像——反射定律”，“光是类似触须的投射”。

克莱门德(Cleomedes)，托勒密(C.Ptolemy,90—168年）：“折射现象——入射角与折射角的测定”。

埃及，阿尔哈曾(Alhazen,965—1038）：“光线来自所观察的物体，光以球面形式从光源发出，反射面与入射面共面且垂直于界面”，“球面镜和抛物面”，“人眼构造”，“凸透镜的发明和实验”。萌芽时期：公元前500年——1550年前后光学

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中国宋代，沈括（1031—1095年）：《梦溪笔谈》有“丰富的几何光学知识，凹面镜和凸面镜的成像规律，测定凹面镜的焦点的原理，虹的成因······”。

英国，培根（R.Bacon,1214—1294年）：提出用透镜校正视力，采用透镜组构成望远镜的可能性，透镜焦点的位置。

阿玛蒂(Armati)：发明眼镜。

波特（G.B.D.Porta，（1535—1615年）：暗箱成像（相机雏形），1589年《自然魔法》复合面镜以及凸透镜和凸透镜的组合。萌芽时期：公元前500年——1550年前后光学

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光学萌芽时期的特点：

从观察到的简单的光学现象中概括出简单几何光学的规律，一些简单的光学仪器的设计和设想以及应用。萌芽时期：公元前500年——1550年前后光学

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“萌芽时期”也是“几何光学”发展的一部分。而这里的几何光学时期是指“反射定律”和“折射定律”的建立，还有“光路可逆原理”和“费马原理”等。

荷兰，李普塞（H.Lippershey，1587—1619年）：1608年发明了第一架望远镜。

延森（Z.Janssen，1588—1632年）和冯特纳（P.Fontana,1580—1656年）：制造出复合显微镜。几何光学时期：1550年前后——1660年前后

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伽利略（Galilei，1564—1642年）：1610年用自己制作的望远镜观察星体，发现木星有卫星。

开普勒（J.Kepler，1571—1630年）：1611年发表《折光学》一著作。提出距离的平方反比的照度定律，设计出开普勒望远镜，小角度的入射角与折射角的正比关系。

斯涅尔（W.Snell，1591—1626年）：1621年指出，入射角的余割和折射角的余割之比是一常数。

笛卡尔（R.Descartes，1596—1650年）：约于1630年给出光的折射定律（《折光学》1637年出版），给出了正弦函数表述的折射定律。几何光学时期：1550年前后——1660年前后

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费马（P.deFermat，1601—1665年）：1657年指出光在介质中传播时所走的光程取极值（稳定值）的原理。

几何光学时期的特点：有明确的光的传播的理论阐述，在理论和经验的指导下有较为复杂的光学仪器的设计和设想以及应用。基于几何光学原理的光学仪器的设计和制造及应用（相机镜头）至今未停止过。几何光学时期：1550年前后——1660年前后

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第13页，共84页，2023年，2月20日，星期一费马原理示意图第14页，共84页，2023年，2月20日，星期一15

意大利人格里马第（F.M.Grimaldil，1618—1663年）在17世纪初首先观察到衍射现象：点光源照明时，直竿的影子要比假设光沿直线传播时所应有的影子要稍大一些—“光绕到直线影子后面去了”。

胡克（R.Hooke，1635—1703年）：于1672—1675年也观察到几何阴影区内有光的存在——光的衍射现象。还研究了薄膜所产生的彩色干涉条纹——牛顿环。（波意尔（R.Boyle，1627——1691年）也研究了此现象。

牛顿（I.Newton，1642—1727年）：1666年发现白光通过三棱镜后分解成各种颜色，每一种颜色可用折射率来标志。波动光学时期：1650年前后——1888年前后光学

第15页，共84页，2023年，2月20日，星期一英国牛顿,1704年，《光学》一书出版。随着天文学、力学和光学的出现，物理学在十八世纪开始成为科学.牛顿则持光的微粒说，他认为波动说的最大障碍是不能解释光的直线进行。他提出发光物体发射出以直线运动的微粒子、微粒子流冲击视网膜就引起视觉。它也能解释光的折射与反射，甚至经过修改也能解释F.M.格里马尔迪发现的“衍射”现象。16第16页，共84页，2023年，2月20日，星期一惠更斯在1690年出版的《光论》一书中正式提出了光的波动说，建立了著名的惠更斯原理。在此原理基础上，他推倒出了光的反射和折射定律，圆满的解释了光速在光密介质中减小的原因，同时还解释了光进入冰洲石所产生的双折射现象，认为这是由于冰洲石分子微粒为椭圆形所致。胡克是光的波动说支持者。1665年，胡克提出了光的波动说，他认为光的传播与水波的传播相似。1672年胡克进一步提出光波是横波的概念。

波动光学杨氏（T.Young1773-1829)杨氏干涉实验为波动光学的复兴作出了开创性的工作。用干涉原理解释牛顿环的成因和薄膜的彩色，并第一个近似地测定了七种颜色的光的波长，从而完全确认了光的周期性，为光的波动理论找到了又一个强有力的证据。菲涅耳(1788～1827)

菲涅耳以惠更斯原理和干涉原理为基础，用新的定量形式建立了以他们的姓氏命名的惠更斯－菲涅耳原理。解释了衍射现象，完成了光的波动说的全部理论17第17页，共84页，2023年，2月20日，星期一法拉第(1817-1867)

法拉第1845年发现了光的振动面在强磁声中的旋转，从而揭示了光学现象和电磁现象的内在联系。

麦克斯韦是继法拉第之后，集电磁学大成的伟大科学家，建立了第一个完整的电磁理论体系，不仅科学地预言了电磁波的存在，而且揭示了光、电、磁现象的本质的统一性，完成了物理学的一次大综合。麦克斯韦(1831-1879)对于光波的进一步认识—电磁波：赫兹用实验证实了电磁波的存在，赫兹先求出振荡器的频率，又以检波器量得驻波的波长，二者乘积即电磁波的传播速度。正如麦克斯韦预测的一样，电磁波传播的速度等于光速。1889年在一次著名的演说中，赫兹明确的指出，光是一种电磁现象。光电效应赫兹(1857-1894)

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波动光学发展的特点：经历的时间比较长，过程较艰难曲折，仍然是理论与实践实验相结合相互验证和解释中发展。只有在1867年麦克斯韦电磁理论建立和电磁波预言之后，波动理论才完善和普遍被人们接受。波动光学时期：1650年前后——1888年前后光学

第19页，共84页，2023年，2月20日，星期一第20页，共84页，2023年，2月20日，星期一17世纪明确形成了两大对立学说牛顿惠更斯微粒说波动说由于波动说没有数学基础以及牛顿的威望使得微粒说一直占上风19世纪初证明了波动说的正确性这里的光子完全不同于牛顿所说的“微粒”19世纪末光电效应现象使得爱因斯坦在20世纪初提出了光子说：光具有粒子性光的本性（量子力学史话——上帝掷骰子吗？）第21页，共84页，2023年，2月20日，星期一光的微粒说：光是沿直线高速传播的粒子流。

牛顿支持微粒说。人们都认为牛顿是微粒说的代表。牛顿于1675年曾提出：“光是一群难以想象的细微而迅速运动的大小不同的粒子”，这些粒子被发光体“一个接一个地发射出来”。

易解释：光的直进性、影的形成、光的反射和折射等现象。

难解释：（1）一束光入射到两种介质界面时，既有反射，又有折射。何种情况发生反射，何种情况下又发生折射呢?微粒说在解释这一点时遇到了很大的困难。（2）两束光相遇后，为何仍能沿原方向传播这一常见的现象，微粒说则完全无能为力了。第22页，共84页，2023年，2月20日，星期一光的波动说：某种振动，以波的形式向四周围传播。代表人物：是荷兰的物理学家惠更斯。易解释：（1）光的反射、折射、光的反射和折射可以同时发生。（2）两束光相遇后，为何仍能沿原方向传播这一常见的现象。难解释：光的直进性和影的形成。第23页，共84页，2023年，2月20日，星期一量子光学薛定谔

ErwinSchrödinger

1887-1961海森伯

WernerKarlHeisenberg

1901-1976

尼尔斯·玻尔

NielsBohr

1885-1962普朗克

MaxKarlErnstLudwigPlanck

1858-1947爱因斯坦(1879-1955)24第24页，共84页，2023年，2月20日，星期一25

德布罗意（L.V.deBroglie，1892—1987年）：1924年提出物质波的学说。为1927年戴维孙（C.J.Davisson，1881—1958年）和革末（L.H.Germer，1896—1971年）所做的电子束衍射实验所证实。博士论文

玻恩（M.Born，1882—1970年）：1925年提出的波粒二象性的概率解释建立了波动性和微粒性之间的联系——光和一切粒子都具有波粒地象性。量子光学时期：1887年——1925年前后光学

第25页，共84页，2023年，2月20日，星期一2认识3认识

光既有波动性也有粒子性，即具有波粒二象性。普朗克常数非常小，一个光子的能量也非常小。一般情况下我们遇到极大数量的光子，明显表现波动性。在光极其弱的情况下，以及光和物质相互作用的某些特殊情况下，其量子特性才会明显地表现出来。从量子观点看，光场是由一个个光子组成。光子是光的最小单位，每个光子的能量和它的频率之间的关系为式中是普朗克常数，其数值为光子也具有动量，它的方向为光子的运动方向（即光传播方向）其值为式中c为真空中的光速，1983年第十七届国际计量大会通过其值为c=

299792458m/s基于所采用的物理模型不同,光学可分为几何光学和物理光学（波动光学，量子光学）波动光学是主体26第26页，共84页，2023年，2月20日，星期一现代光学时期２０世纪中，光学本身发生了极为深刻的演变，光学领域中发生了三件大事：１９４８年出现了全息术。

１９５５年第一次提出用光学传递函数来评价光学系统成象质量的概念。这些概念后来又发展成为信息光学。１９６０年诞生了新光源—激光器。

这三件大事成为经典光学向现代光学过度的标志。第27页，共84页，2023年，2月20日，星期一4.光学分类：光学几何光学：利用几何原理，研究光线方向的变化物理光学波动光学：研究光的波动性，包括对光的干涉、衍射和偏振现象的研究。量子光学：研究光的粒子性，包括对黑体幅射、光电效应、康普顿效应的研究。第28页，共84页，2023年，2月20日，星期一第一章光的干涉第29页，共84页，2023年，2月20日，星期一1.1 光的电磁理论一、光波是电磁波的一种（某一特定波段的电磁波）1、电磁波的性质：（1）电磁波的电场和磁场都垂直于波的传播方向，三者相互垂直，所以电磁波是横波。ZXY第30页，共84页，2023年，2月20日，星期一（2）沿给定方向传播的电磁波，E和H分别在各自平面内振动，这种特性称为偏振。（3）E和H都在作周期性的变化，而且位相相同，即同时同地达到最大，同时同地减到最小。（4）任一时刻，在空间任一点，E和H在量值上的关系为。ZXY第31页，共84页，2023年，2月20日，星期一

由于εr和μr与电磁波的频率有关，因此在介质中不同频率的电磁波有不同的传播速度，这就是电磁波在介质中的色散现象。(5)电磁波的传播速度第32页，共84页，2023年，2月20日，星期一比较（3）和（4）式，有2、光与电磁波的联系：

…...(1)又知透明介质中光的传播速度u=c/n…...(4)公式将光波与电磁波联系起来了！！介质中电磁波的波速由（1）、（2）式可看出……(3)真空中的波速……(2)第33页，共84页，2023年，2月20日，星期一玻印廷矢量:二电磁波的能量与光强（1）定义：波动的传播总是伴随着能量的传递，该过程一般用平均能流密度表示。（2）能流密度：指单位时间内通过与波的传播方向垂直的单位面积的能量或表示为单位面积的功率。电磁波中E⊥H，第34页，共84页，2023年，2月20日，星期一因此能流密度的瞬时值为因为故第35页，共84页，2023年，2月20日，星期一

我们检测光波的存在和强弱，是通过光和物质的相互作用．但是，任何检测器件都有一定的响应时间，都不能检测电磁波能流密度的瞬时值，只能检测其在响应时间内的平均值．可见光振动周期T~10-14秒，人眼响应时间~10-1秒，灵敏的光检测器响应时间~10-9秒．第36页，共84页，2023年，2月20日，星期一因此我们定义光的强度（简称光强）为平均能流密度．代入上式得第37页，共84页，2023年，2月20日，星期一不同介质中两光波相比较，由于许多场合下，我们只讨论光强的相对分布，因此令光强等于振幅的平方，即上式定义的光强称为相对光强．同一种介质中两光波强度相比较，

结论：波的强度与振幅的平方成正比。第38页，共84页，2023年，2月20日，星期一三、验证光是电磁波的实验：干涉、衍射—波偏振—横波。测光速—第39页，共84页，2023年，2月20日，星期一电磁波谱:宇宙射线射线x射线微波短波中`波长波对数坐标对数坐标软x射线真空紫外线紫外光可见光近红外光中红外光远红外光线性坐标系紫靛蓝绿黄橙红光波第40页，共84页，2023年，2月20日，星期一(400—700)nm的窄小范围．各种波长的电磁波中，能为人所感受的是这波段内电磁波叫可见光，在可见光范围内，不同频率的光波引起人眼不同的颜色感觉．对应的频率范围是

=（7.64.0）1014HZ

．760630600570500450430400(nm)

红橙黄绿青蓝紫

第41页，共84页，2023年，2月20日，星期一任何频率的光在真空中的传播速度都相同。

具有一定频率的光叫单色光，不同频率合成的光叫复色光。第42页，共84页，2023年，2月20日，星期一1.2光的干涉原理1.定义:满足一定条件的两束光发生重叠,在重叠区形成稳定的明暗相间的或彩色的条纹,这种现象叫光的干涉.2.标志:稳定的干涉花样的存在。第43页，共84页，2023年，2月20日，星期一r1r2S1S2Sp第44页，共84页，2023年，2月20日，星期一1.2光的干涉原理1.2.1光波的干涉和相干条件第45页，共84页，2023年，2月20日，星期一当两列波同时到达空间另一定点P时，P点的振动表示为：振源的振动表达式：(1.9)(1.10)第46页，共84页，2023年，2月20日，星期一两波在P点相遇后，在任意时刻的相位差为:（1.11）光程：折射率和路程的乘积，用表示光程差：决定的两个因素:初始位相差和光程差。K：波数第47页，共84页，2023年，2月20日，星期一合振幅光强干涉项即若而干涉项与位相差有关。合振幅振幅最大,称相干相长.第48页，共84页，2023年，2月20日，星期一光强若则若合振幅最小,称相干相消.若则第49页，共84页，2023年，2月20日，星期一若等于其它值在之间变化.第50页，共84页，2023年，2月20日，星期一合振动光强随位相差改变按余弦规律变化,光强曲线如图：02相干迭加与非相干迭加相干迭加:有干涉项效应光强决定于按余弦规律变化.第51页，共84页，2023年，2月20日，星期一非相干迭加:无干涉项效应,合光强决定于,分光强直接相加:

非相干迭加的干涉相如何消失的呢?远大于振动周期),我们实际观察到的光强总是在较长时间内的平均强度(非瞬时值).在某一时间间隔内(合振动平均强度第52页，共84页，2023年，2月20日，星期一

若恒定,则有干涉项效应若不恒定,则干涉项效应消失第53页，共84页，2023年，2月20日，星期一三相干条件

条件:(1)相遇点位相差恒定(不随时间变化).或(a)两波频率相同.(b)初位相差恒定.(2)振动方向一致或有平行分量第54页，共84页，2023年，2月20日，星期一1.3由单色波迭加形成的干涉花样第55页，共84页，2023年，2月20日，星期一一、位相差与光程差:nS1S2若两相干光波在介质中传播p第56页，共84页，2023年，2月20日，星期一S1S2

传到P点的光振动的相位差：若其中光程:光程=折射率几何路程=nr第57页，共84页，2023年，2月20日，星期一二干涉花样的形状研究花样的形状,归根到底是寻求亮暗点的集合(轨迹).1亮点条件:位相差为的偶数倍j称为干涉级真空或空气中光程差为波长的整数倍或半波长的偶数倍第58页，共84页，2023年，2月20日，星期一2暗点条件位相差为的奇数倍即光程为半波长的奇数倍强度相同的点的轨迹:常量满足上述方程的点的轨迹是以为轴的双叶旋转双曲面第59页，共84页，2023年，2月20日，星期一第60页，共84页，2023年，2月20日，星期一SS1S2X0L或由几何关系，如图作辅助线,两光波在P点的光程差：相位差：3、明（暗）条纹的距离第61页，共84页，2023年，2月20日，星期一（b）当即时，光强取得极小值：所以明条纹中心满足明条纹中心坐标：因第62页，共84页，2023年，2月20日，星期一暗条纹的中心坐标：屏幕上相邻两个明条纹（或暗条纹）中心之间线距离，称为条纹间距.

对明条纹中心坐标微分：

条纹间距：暗条纹中心满足：第63页，共84页，2023年，2月20日，星期一条纹间距公式：屏幕上的条纹间距与波长成正比，与L成正比，与双缝间距d成反比．、L、d变化时，零级条纹中心的位置不变．结论：（a）（c）=常数（b）各级亮条纹的光强相等，相邻亮（暗）条纹都是等间隔的，与干涉级无关。第64页，共84页，2023年，2月20日，星期一-1级暗纹2级暗纹1级暗纹-2级暗纹1级明纹0级明纹-1级明纹2级明纹-2级明纹d）对应不同的j值，将有一对明或暗纹出现在中央明纹两侧。e）要清晰观察到条纹，波长一定，d必须小到与波长相比拟，且使L〉〉df）干涉花样的强度记录了相位差的信息。第65页，共84页，2023年，2月20日，星期一1.4获得相干光源的方法第66页，共84页，2023年，2月20日，星期一普通光源与机械波源有本质区别:机械波源:独立振源的振动在观察时间内.持续进行,不发生中断现象,因而它们之间的位相关系能保持不变.独立振源一般都是相干的,机械波干涉通常是比较容易实现的.普通光源(非激光光源):观察不到相干现象.E2E1第67页，共84页，2023年，2月20日，星期一一、普通光源发光的特点：在同一时间有大批原子发光；就单个原子而言，每个原子都是断断续续发光，每次发光时间极短（~10-8s）且一次只能发出一个有限长具有偏振性的的波列。同一原子先后发出的光及同一瞬间不同原子发出的光的频率、振动方向、初相位、发光的时间均是随机的。tt第68页，共84页，2023年，2月20日，星期一结论：一般而言热光源及普通光源发出的光为非相干光。且同一光源上不同点发出的光也

是非相干光。若要产生干涉须将非相干光变为相干光。激光光源为相干光源。将非相干光变为相干光的原则是：“同出一源，分之为二”第69页，共84页，2023年，2月20日，星期一r1r2S1S2S纵截面图屏双孔单缝二、相干光的获得原则：‘同出一源，分之为二’杨氏干涉1分波阵面法2分振幅｛第70页，共84页，2023年，2月20日，星期一光强分布曲线-4-3-2-0234

第71页，共84页，2023年，2月20日，星期一上面讨论的是一个原子发光的情况．实际上，光源中有许许多多的原子发光．不同原子所发的光波是不相干的．但是，若用单色点光源，对于每一个原子，，L,d都相同，因此产生的干涉条纹具有相同的宽度，相同级次在相同的位置．不同原子的干涉条纹不相干的重叠在一起．它们明纹和明纹相重，暗纹和暗纹相重，使得条纹更加清晰可见．若将小孔改为狭缝，除了明条纹更加明亮外，条纹会在缝宽方向上展宽．在、L、d不变的情况下，条纹的位