大學(xué)光學(xué)光的干涉

Optics光學(xué)我想知道這是為什么，我想知道這為什么。我想知道為什么我想知道這是為什么。我想知道究竟為什么我非要知道我為什么想知道這是為什么！---------費(fèi)因曼緒論

二、光學(xué)的分類(lèi)

物理光學(xué)

光學(xué)是研究光的產(chǎn)生、發(fā)射、傳播、接收、光與物質(zhì)相互作用的學(xué)科，是物理學(xué)的一個(gè)重要分科。一、什么是光學(xué)

光是一種重要的自然現(xiàn)象，我們之所以能看到客觀世界中的景象，是因?yàn)檠劬邮芪矬w發(fā)射、反射或散射的光。1．幾何光學(xué)（GeometricalOptics）以光的直線傳播等實(shí)驗(yàn)定律為基礎(chǔ)，用幾何學(xué)方法研究光學(xué)儀器成象的規(guī)律和消除像差的方法及特殊光學(xué)儀器的設(shè)計(jì)原理等。光學(xué)的這一分支稱(chēng)為幾何光學(xué)。3.現(xiàn)代光學(xué)

①激光光學(xué)：激光物理、激光技術(shù)、激光應(yīng)用等。②全息光學(xué)：光學(xué)全息與信息處理等。③晶體光學(xué)：光波在晶體中的傳播及晶體的電光效應(yīng)等。④集成光學(xué)：集成光路理論及制造等。

2．物理光學(xué)（PhyciccalOptics）以光的波動(dòng)性和粒子性為基礎(chǔ)，研究光現(xiàn)象的基本規(guī)律。波動(dòng)光學(xué)——研究光的波動(dòng)性即干涉、衍射、偏振的學(xué)科。量子光學(xué)——用光的量子理論研究光與物質(zhì)相互作用的微觀機(jī)制、遵從的規(guī)律及其應(yīng)用的學(xué)科。⑤傅立葉光學(xué)：光學(xué)傅立葉分析、傅立葉變換等。⑥激光光譜學(xué)：物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)及分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析等。⑦非線性光學(xué)：光學(xué)介質(zhì)與強(qiáng)光的相互作用。瞬態(tài)光學(xué)、光纖通信、光信息存儲(chǔ)、受激拉曼散射、受激布里淵散射、飛秒激光……三、對(duì)光本性的認(rèn)識(shí)1、萌芽時(shí)期（遠(yuǎn)古-15世紀(jì)末、16世紀(jì)初）光學(xué)的起源可追溯到古代，我國(guó)春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，墨翟（前468~前376）及其弟子所著的《墨經(jīng)》中，就記載著光的直線傳播（影的形成和針孔成像等）和光在鏡面（凹面和凸面）上的反射等現(xiàn)象，并提出了一系列經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，把物和像的位置及其大小與所用鏡面的曲率聯(lián)系起來(lái)。克萊門(mén)德(Cleomedes)和托勒密(C.Ptolemy，公元90-168年)研究了光的折射現(xiàn)象，最先測(cè)定了光通過(guò)兩種介質(zhì)分界面時(shí)的入射角和折射角。培根(R.Bacon，公元1214-1294年)提出用透鏡校正視力和采用透鏡組構(gòu)成望遠(yuǎn)鏡的可能性，并描述過(guò)透鏡焦點(diǎn)的位置。無(wú)論就時(shí)間還是就科學(xué)性來(lái)講，《墨經(jīng)》稱(chēng)得上是有關(guān)光學(xué)知識(shí)的最早記錄。比希臘數(shù)學(xué)家歐幾里德所著的《光學(xué)》早100多年。到15世紀(jì)末和16世紀(jì)初，凹面鏡、凸面鏡、眼鏡、透鏡以及暗箱和幻燈等光學(xué)元件的相繼出現(xiàn)，預(yù)示幾何光學(xué)時(shí)期即將到來(lái)。2、幾何光學(xué)時(shí)期（16世紀(jì)初~19世紀(jì)初）

這一時(shí)期可以稱(chēng)為光學(xué)發(fā)展史上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在這個(gè)時(shí)期，建立了光的反射定律和折射定律，奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)。同時(shí)為了提高人眼的觀察能力，人們發(fā)明了光學(xué)儀器，第一架望遠(yuǎn)鏡的誕生促進(jìn)了天文學(xué)和航海事業(yè)的發(fā)展，顯微鏡的發(fā)明給生物學(xué)的研究提供了強(qiáng)有力的工具。到17世紀(jì)中葉，基本上已經(jīng)奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)。17世紀(jì)下半葉，牛頓根據(jù)光的直線傳播性質(zhì)，提出了光是微粒流的理論?；莞狗磳?duì)光的微粒說(shuō)，從聲和光的某些現(xiàn)象的相似性出發(fā)，認(rèn)為光是在“以太”中傳播的波。這一時(shí)期中，在以牛頓為代表的微粒說(shuō)占統(tǒng)治地位的同時(shí)，以惠更斯為代表的波動(dòng)說(shuō)也初步提出來(lái)了。3、波動(dòng)光學(xué)時(shí)期（19世紀(jì)初~20世紀(jì)初）

19世紀(jì)初，初步發(fā)展起來(lái)的波動(dòng)光學(xué)的體系已經(jīng)形成。1801年楊氏最先用干涉原理令人滿意的解釋了白光照射下薄膜顏色的由來(lái)并做了著名的“楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)”，還第一次成功的測(cè)定了光的波長(zhǎng)。1815年菲涅耳用楊氏干涉原理補(bǔ)充了惠更斯原理，形成了人們所熟知的惠更斯—菲涅耳原理。1808年馬呂斯偶然發(fā)現(xiàn)光在兩種介質(zhì)界面上反射時(shí)的偏振現(xiàn)象。隨后菲涅耳和阿拉果對(duì)光的偏振現(xiàn)象和偏振光的干涉進(jìn)行了研究。1845年法拉第揭示了光學(xué)現(xiàn)象和電磁現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系。麥克斯韋在1865年的理論研究說(shuō)明光是一種電磁現(xiàn)象。這個(gè)理論在1888年被赫茲的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。至此，確立了光的電磁理論。

電磁波的波譜為：宇宙射線10-10—10-8μmγ射線10-8—10-4μmX射線10-5—10-1μm光波10-3—101μm軟X射線10-3—1.5X10-1μm真空X射線1.5X10-1—0.25μm紫外線0.25—0.4μm可見(jiàn)光

0.39—0.77μm紫390—450nm靛—藍(lán)450—492nm綠492—577nm黃577—597nm橙597—622nm紅620—770nm近紅外線0.77—1.5μm中紅外線1.5—15μm遠(yuǎn)紅外線15—1000μm微波10—103mm短波103—105mm中波105—106mm長(zhǎng)波107—mm

光的電磁理論在整個(gè)物理學(xué)的發(fā)展中起著很重要的作用，它指出光和電磁現(xiàn)象的一致性，使人們?cè)谡J(rèn)識(shí)光的本性方面向前邁出了一大步。5、現(xiàn)代光學(xué)時(shí)期（20世紀(jì)中~20世紀(jì)末）4、量子光學(xué)時(shí)期（20世紀(jì)初~20世紀(jì)中）

19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，光學(xué)的研究深入到光的發(fā)生、光和物質(zhì)相互作用的微觀機(jī)制中，開(kāi)始了量子光學(xué)時(shí)期。1905年愛(ài)因斯坦發(fā)展了普朗克的能量子假設(shè)，把量子論貫穿到整個(gè)輻射和吸收過(guò)程中，提出了杰出的光量子（光子）理論，圓滿地解釋了光電效應(yīng)，并被后來(lái)的許多實(shí)驗(yàn)（例如康普頓效應(yīng)）證實(shí)。至此，人們一方面通過(guò)光的干涉、衍射和偏振等光學(xué)現(xiàn)象證實(shí)了光的波動(dòng)性；另一方面通過(guò)黑體輻射、光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)等又證實(shí)了光的量子性——粒子性。

激光的發(fā)明，為人類(lèi)提供了定向性、單色性、相干性很好的高亮度光源，使光學(xué)在理論上和技術(shù)上有了新的突破，從此，光學(xué)進(jìn)入了現(xiàn)代光學(xué)時(shí)期。光學(xué)與許多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域緊密結(jié)合，相互滲透，派生出許多嶄新的分支學(xué)科。如激光光學(xué)、全息光學(xué)、晶體光學(xué)、集成光學(xué)、傅立葉光學(xué)、激光光譜學(xué)、非線性光學(xué)、瞬態(tài)光學(xué)、光纖通信、光信息存儲(chǔ)、受激拉曼散射、受激布里淵散射……等。6、光子時(shí)代（21世紀(jì)）

光子學(xué)作為一門(mén)新興科學(xué)，它研究光子的產(chǎn)生、放大、傳輸、控制和探測(cè)，以及將這些技術(shù)應(yīng)用于能量產(chǎn)生、通信、信息處理等學(xué)科。21世紀(jì)光子學(xué)的發(fā)展由量變到質(zhì)變，其發(fā)展趨勢(shì)有兩個(gè)：一是光子技術(shù)將從光電混合技術(shù)向全光化的方向發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)全光通訊系統(tǒng)、全光計(jì)算機(jī)、全光網(wǎng)絡(luò)而奮斗。光計(jì)算機(jī)，由于采取了光信息存儲(chǔ)，并充分吸收了光并行處理的特點(diǎn)，它的運(yùn)算速度將會(huì)成千倍地增加，信息存儲(chǔ)能力可望獲得極大的提高，甚至可能代替人腦的部分功能。沒(méi)有20世紀(jì)光學(xué)的巨大進(jìn)步，就沒(méi)有今天信息社會(huì)的到來(lái)。二是微米尺度的光子學(xué)向納米光子學(xué)發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)光子器件與電子器件的共集成?？茖W(xué)家對(duì)光學(xué)的評(píng)價(jià)“增加我們對(duì)光和光子的認(rèn)識(shí)就意味者我們對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)和自由度”。“如果我們能理解光能自由自在的控制光、利用光，我們對(duì)物質(zhì)就能自由操作了，也許我們能在本質(zhì)上認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界和宇宙了”。“我們對(duì)光和光子認(rèn)識(shí)和利用前進(jìn)一小步，人類(lèi)社會(huì)就前進(jìn)一大步”。五、怎樣才能學(xué)好光學(xué)師生配合

認(rèn)真?zhèn)湔n因材施教重點(diǎn)突出方法先進(jìn)為人師表要求嚴(yán)格

課前預(yù)習(xí)

認(rèn)真聽(tīng)講做好筆記

課后復(fù)習(xí)

完成作業(yè)每章總結(jié)

平時(shí)成績(jī)包含：考勤，課堂筆記，課堂提問(wèn)，作業(yè)，每章總結(jié)，期中測(cè)試，課程論文。

實(shí)驗(yàn)提出假說(shuō)形成理論反復(fù)實(shí)驗(yàn)

四、光學(xué)研究的方法

第一章光的干涉(Opticalinterference)教學(xué)思路光的電磁理論波動(dòng)的疊加光波的疊加雙光束干涉多光束干涉

§1-1波動(dòng)的獨(dú)立性、疊加性和相干性復(fù)習(xí)：一、諸自由眉空間織平面磨電磁結(jié)波(El醒ec削tr刊om作ag艷ne聯(lián)ti娛c涉wa香ve份s)的性合質(zhì)1.橫波、同位相（即在任何時(shí)刻、任何地點(diǎn)它們都是同步變化）平面礙電磁惠波的星波函煮數(shù)與抹平面坑簡(jiǎn)諧飲波形沿式相獄同：3.

和成比例§1望-1波動(dòng)漢的獨(dú)譽(yù)立性膨、疊犁加性才和相其干性5.電磁訪波的能流演密度改矢量能流密度的平均值：4.

波速:真空中:c=伯2.襯99販7幼92秩4巨58帝×1慘08m/膊s所以光波:特定朵波段岡的電接磁波二、上電磁維波譜Th做e礎(chǔ)el婚ec讀tr銷(xiāo)om增ag柄ne仍ti德c菠sp淡ec箭tr乖u(píng)m三、綱光波1.可見(jiàn)極光范參圍=4.5×1014～7.3×1014Hz光頻波段：2．光欠的速反度與田折射快率）λ=0.39μm—0.76μm之間（因?yàn)樗晕锢韮x器檢測(cè)到的光強(qiáng)I是由能流密度大小決決定的，即玻印亭矢量S的平均值：

3.光的壯強(qiáng)度協(xié)（輻馳照度猛）在同一介質(zhì)中相對(duì)光強(qiáng):在光正波的拼兩個(gè)岔場(chǎng)量行和喉中，棄對(duì)人通眼和煤感光駛儀器足起主串要作用的常電矢投量巾，司因此掀將旗稱(chēng)素為光矢論量。四.單色響平面坡光波扁球退面波波面顫與波丙線波面句：某戒一時(shí)纖刻波愈場(chǎng)中便振動(dòng)相位挪相同的點(diǎn)景的集據(jù)合。等相察面/波陣辛面波線?。罕砼率静▽m動(dòng)能獲量傳嶺播的泊幾何蠶徑跡單色跡平面士光波波面字為平傍面的尊波單色:該波受只有束單一璃頻率,即簡(jiǎn)掃諧波.球面蘭波波面栗為球毅面的襪波WavefrontsrEklOPAperfectsphericalwave獨(dú)立盡性五、查機(jī)械削波的雷獨(dú)立粱性和陰疊加閱性幾列賀波在繭空間瞞相遇液時(shí)，軋只要擾動(dòng)缺不十停分強(qiáng)腸烈（強(qiáng)荒度較幕?。?，且闊所處麥介質(zhì)陽(yáng)為線駐性介結(jié)質(zhì)，濾則各鄉(xiāng)豐波可摘以保休持其擴(kuò)原有紫的傳技播特坑性，忙即頻率農(nóng)、振饒幅、惱振動(dòng)珍方向郵等不夢(mèng)變，并幅在離舌開(kāi)相梢遇區(qū)菊后仍樣按原低來(lái)的駕行進(jìn)儲(chǔ)方向盲繼續(xù)蓬前進(jìn)外，彼章此無(wú)飽影響腳。疊加笑性波在疫相遇蔬的區(qū)太域內(nèi)袍，任沒(méi)一點(diǎn)仙處質(zhì)還點(diǎn)的政振動(dòng)倉(cāng)為各膜列波蜓單獨(dú)說(shuō)在該徒點(diǎn)引零起的網(wǎng)振動(dòng)櫻的合箱振動(dòng)密，即半在任影一時(shí)店刻，長(zhǎng)該點(diǎn)擁處質(zhì)年點(diǎn)的來(lái)振動(dòng)拘位移且合位愚移為厲各波接分別寸單獨(dú)償傳播閣時(shí)在幸該點(diǎn)減引起傷的位配移的閉矢量誤和。干涉：振半動(dòng)強(qiáng)補(bǔ)度按即空間隨周期愿性變抬化。干涉花圖樣：在咸疊加烘區(qū)域區(qū)內(nèi)，航各點(diǎn)忠處的默振動(dòng)御強(qiáng)度仙有一遇定的姥非均版勻分刮布的甩整體遭圖象挨。六、氧波的貞干涉①振阿動(dòng)方舍向相脖同；②振訂動(dòng)頻煎率相宵同；③相蘆位相宏同或誕相位貧保持淘恒定代。能產(chǎn)蹈生干臺(tái)涉現(xiàn)活象的灑波稱(chēng)態(tài)為相干篩波，相季應(yīng)的趣波源俊稱(chēng)為相干浪波源。與機(jī)掠械波牙類(lèi)似槐，光諷波也立有的智干涉液現(xiàn)象漁。干涉?zhèn)€現(xiàn)象薯是波名動(dòng)形司式所妄獨(dú)具隊(duì)的重坡要特容征之奔一。例：四水波基的干參涉相干妥？為什曲么通蹈常的溜獨(dú)立倆光源謝無(wú)干悄涉現(xiàn)葉象（擁稱(chēng)不防相干禁）只有顏光源烏