大物第25.1講相干光

1、第五篇波動光學(xué)波動光學(xué)研究光的波動性。包括光的干涉、光的衍射和光的偏振。序光的波動性一.光本質(zhì)的認(rèn)識過程1.微粒說與波動說之爭1850年5月6日，F(xiàn)oucault的實驗證明惠更斯牛 頓 光是按照慣性定律沿直線飛行的微粒流光是在一種特殊彈性介質(zhì)中傳播的機(jī)械波傅科：陀螺儀的發(fā)明者波動說的主要依據(jù)：楊氏干涉泊松亮斑光速測量：1850年5月6日，F(xiàn)oucault的實驗證明傅科：陀螺儀的發(fā)明者光速測量方法齒輪法當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)速由零而逐漸加快時，在E處將看到閃光。當(dāng)齒輪每秒轉(zhuǎn)數(shù)為，齒輪總數(shù)為n，一個齒輪到另一個齒輪的間隙所需要的時間為t,則：得到同時 在斐索實驗中，齒輪每秒轉(zhuǎn)數(shù)為=12.6周/秒，齒輪總數(shù)為n=

2、720，距離2l=17.27km,求得C=315300500kms從光源s所發(fā)出的光通過半鍍銀的鏡面后，經(jīng)過透鏡L射在繞O軸旋轉(zhuǎn)的平面反射鏡M1上O軸與圖面垂直光從M1反射而會聚到凹面反射鏡M2上， M2的曲率中心恰在O軸上，所以光線由M2對稱地反射，并在s1點產(chǎn)生光源的像當(dāng)M2的轉(zhuǎn)速足夠快時，像S1的位置將改變到S2，相對于可視M2為不轉(zhuǎn)時的位置移動了s的距離可以推導(dǎo)出光速值： 傅科旋轉(zhuǎn)鏡法測光速SS1S2M1M2L二、光學(xué)分類幾何光學(xué)物理光學(xué) 波動光學(xué) 量子光學(xué)現(xiàn)代光學(xué) 激光、全息光學(xué)、非線性光學(xué)、 付里葉光學(xué)、光信息、光通訊2. 光學(xué)理論發(fā)展過程17世紀(jì)19世紀(jì)1860年20世紀(jì)初微粒說

3、波動說機(jī)械波電磁波(以太)電磁波(真空) 波粒二象 麥克斯韋的電磁理論指出，人們眼睛通常所能感知的光其實是一種電磁波。電磁波是橫波，由兩個相互垂直的振動矢量即電場矢量 和磁場矢量 來表示。對于沿 z 軸正向傳播的平面電磁波，其波動方程為 在光波中，對人的眼睛和感光儀器產(chǎn)生作用的是電場矢量 ，因此我們常常將 稱為光矢量， 的振動又常稱為光振動。在下面的討論中，我們將主要討論 振動。三、電磁波理論的一般結(jié)果可見光頻率范圍可見光波長范圍單色光只含單一波長的光復(fù)色光含多種波長的光準(zhǔn)單色光光波中包含波長范圍很窄的的光 400 450 500 550 600 650 760nm紫 藍(lán) 青 綠 黃 橙 紅1

4、.光譜手機(jī)信號頻率：在800到1800MHz之間 電離輻射：電離輻射是一切能引起物質(zhì)電離的輻射總稱 太陽光中的可見光就是波長連續(xù)分布的白光白光通過三棱鏡時發(fā)生色散形成一個連續(xù)光譜有些物質(zhì)的光譜是分立的線光譜下圖是氦（He）的光譜 嚴(yán)格的單色光是不存在的，任何光源發(fā)出的光都有一定的頻率范圍，且每種頻率的光所對應(yīng)的強(qiáng)度是不同的。 以波長（頻率）為橫坐標(biāo)，光強(qiáng)度為縱坐標(biāo)畫出的如右圖所示的曲線稱為光譜曲線（譜線）。譜線所對應(yīng)的波長范圍越窄，譜線就越尖銳，光的單色性就越好。 設(shè)最大強(qiáng)度I0 對應(yīng)的波長為0 ,用強(qiáng)度下降到I0 一半的兩點之間的波長范圍 作為譜線寬度。 鈉光燈、汞燈等普通光源譜線寬度的數(shù)量

5、級為10-1 103 ；激光譜線寬度的數(shù)量級為109（m）。 人眼對可見光的響應(yīng) 在波動光學(xué)中，主要討論的是相對光強(qiáng)，因此在同一介質(zhì)中直接把光強(qiáng)定義為光波的平均能流密度稱為光強(qiáng)，用 I 表示。2.光強(qiáng)：3.光速光波的傳播速度（相速度）決定于介質(zhì)的性質(zhì)在真空中光速為定義該介質(zhì)的折射率為則介質(zhì)中光速又可表為由于一般有 因此通常情況下光在介質(zhì)中的傳播速度要小于在真空中的傳播速度。在介質(zhì)中光速為4. 波長 當(dāng)光源和觀察者相對于介質(zhì)靜止時，光波的頻率僅僅取決于光源，與介質(zhì)無關(guān)；而光的波長不僅決定于發(fā)光物體，還決定于介質(zhì)的折射率，因此同一光源發(fā)出的光在不同介質(zhì)中傳播時，具有相同的頻率，但是具有不同的波長。

6、在真空中在介質(zhì)中因此光在介質(zhì)的波長為光在介質(zhì)中的波長是它在真空中波長的 n 分之一 光的干涉第十二章12.1 光源 、光的相干性一、光源利用化學(xué)能、電能或光能激發(fā)的稱為冷光源，例如磷光、輝光等光源普通光源熱光源冷光源利用熱能激發(fā)的光源稱為熱光源例如火、太陽、白熾燈等；激光光源1.光源的發(fā)光機(jī)理不同光源的激發(fā)方式不同，其發(fā)光機(jī)理也不相同。熱光源 大量的低能級原子、分子（或離子）在熱能的激發(fā)下躍遷至高能級激發(fā)態(tài)。E1E2向高能級躍遷 激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，原子在激發(fā)態(tài)上的平均壽命只有大約 10-10 s ，因此原子會自發(fā)地向低能級或者是基態(tài)能級躍遷。 在躍遷過程中，每個原子將多余的能量以電磁波形式向外

7、輻射，如果輻射頻率處在可見光波段，就稱之為“發(fā)光”。E1E2向低能級躍遷自發(fā)輻射 原子發(fā)光的時間極短。僅僅只有 10-8 s ，在空間上形成有限長度的波列。波列波列長L = c 由于各單元發(fā)光是彼此獨立的，互不相關(guān)的，因此在同一時刻不同單元所發(fā)出的電磁波列具有不同的振動方向，不同的頻率和不同的相位。另外原子發(fā)光具有間歇性，因此即使是同一原子在不同時刻所發(fā)的電磁波列的頻率，振動方向和相位也不盡相同。光源的最基本發(fā)光單元是分子、原子或離子普通光源的自發(fā)輻射獨立(不同原子發(fā)的光)獨立(同一原子先后發(fā)的光) 發(fā)光具有隨機(jī)性 發(fā)光具有間隙性頻率不同 我們通常所見到的光波，就是大量的電磁波列彼此迭加之后的

8、結(jié)果。由此可見，普通光源所發(fā)出的光一般是復(fù)合光，具有不同的頻率成份。另外，光矢量沒有確定的振動方向和確定的相位關(guān)系。 激光光源完全一樣(頻率、相位、振動方向)（以及傳播方向)受激輻射E1E2 亞穩(wěn)能級E3由熱激發(fā)或場激發(fā)至高能級的原子通過自發(fā)輻射進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)，形成粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)。二、光的相干性頻率相同光矢量方向相同考察：兩束光在 p 點相遇 對于機(jī)械波，兩列振動方向相同的同頻率的簡諧波一定相干，但是用兩個獨立的同頻率的單光源卻不一定能獲得光的干涉圖樣。 考慮這兩個同頻率單色光在空間 p 點的光矢量大小分別為 原子（或分子、離子）發(fā)光時間極短，人眼和感光儀器所感覺到的光強(qiáng)應(yīng)該是瞬時光強(qiáng)在一個較長時間內(nèi)的平均值，即：則合成后 合成后的光強(qiáng)分布1. 非相干疊加獨立的兩只普通光源發(fā)出的光束或同一光源的不同部位所發(fā)出的光束疊加后光強(qiáng)等與兩光束單獨照射時的光強(qiáng)之和 無干涉現(xiàn)象所以初相差 “瞬息萬變”,可以是0到2間的任意值2. 相干疊加滿足相干條件的兩束光, 由于初相差恒定 有干涉現(xiàn)象若干涉相長干涉相消則對于空間指定點第三項成為干涉項對于相干光源，若干涉結(jié)果可以直接用波程差討論干涉相長干涉相消其中滿足相干條件的光稱為相干光。產(chǎn)生相干光的光源稱為相干光源。光的相干條件光矢量的振動方向相同，頻率相同，初相差恒定。分割波振面分割振幅3.獲得相干光的方法 利用普通光源獲得相干光的方法的基本原