1、姚启钧原著 华东师大光学教材编写组改编,光学教程,绪论,0.1、光学的研究内容和方法,1.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，光的机械作用和光的热、电、化学和生理效应等），光的本性问题以及光在生产和社会生活中的应用。,总之，光学既是物理学中最古老的一门基础学科，学好光学有助于进一步学习原子物理、量子力学等课程，又是当前科学领域中最活跃的前沿阵地之一，具有强大的生命力和不可估量的发展前途。,0.2、光学发展简史,萌芽时期,分为五个时期,波动光学时期 波动学说,现代光学时期,几何光学时期 (转折点) 微粒说,量子光学时期 光既有粒子性、又有波动性,激光、光
2、信息处理、光计算机等,光的干涉,第一章,1.1 光的电磁理论,一、光是某一波段的电磁波,电磁波在介质分解面发生的发射和折射现象，传播过程中的干涉、衍射和偏振现象，电磁波在真空中的传播速度等于c,二、电磁波的传播速度和折射率,1.介质中电磁波的传播速度,相对介电常数,相对磁导率,2.折射率,连接光学和电磁学的桥梁。,三、光强度,在光频段,1.电磁波是横波,2.人眼能够感知的电磁波波段,可见光（波长390nm-760nm、频率 ）,3.光强度,能流密度：在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者表示为通过单位面积的功率。,在波动光学中常把振幅的平方所表征的光照度叫光强度。,总之，光是某
3、一波段的电磁波，人眼能够感知的只是非常窄的一个电磁波段。每一种颜色的光并不是只对应唯一的一个频率，而是一个波段。对人眼和感光仪器起作用的是电矢量。,对人眼和感光仪器起作用的是电矢量E 。,1.2 波动的独立性、叠加性和相干性,一.机械波的独立性和叠加性,1.独立性： 例力学中从几个振源发出的波相遇,只要振动不十分强烈，就可以各自保持自己的特性（如频率、振幅和振动方向）按照自己原来的传播方向继续前进，彼此不受影响，这就是独立性的表现。,2.叠加性,在相遇区域内，介质质点的合位移是各波分别单独传播时在该点所引起的位移矢量和。这种简单地、没有任何畸变地把各波的分位移按照矢量叠加法叠加起来就是波动的叠
4、加性。,注：叠加性以独立性为条件,二.干涉是波动的特性,干涉：两波在相遇区域，如果满足如下条件：振动不十分强烈，振动方向相同、频率相等、在观察时间内波动不中断，那么它们叠加后产生的合振动可能在有些地方加强，有些地方减弱，这一强度按空间周期性变化的现象称为干涉。,干涉图样：在叠加区域内各点的振动强度如果有一定的非均匀分布，那么这种分布的整体图像称为干涉图样。如水面上两波的干涉。,结论：强弱按一定分布的干涉图样的出现，都可以作为判断波动性的最可靠、最有力的实验证据。,三.相干与不相干叠加,问题：教室里开两盏灯，室内各处的照度处处加强，其值等于两盏灯照度之和。为什么没有出现相干性叠加？,1.两个简谐
5、振动的合成,两个沿同一直线振动的简谐振动，其频率相同，但相位不同,两个简谐振动的合成,讨论：,在相位差为任意角度的情况下，两个振动叠加时，合振动强度不等于分振动强度之和（瞬时值）。而且实际观察到的总是在较长时间内的平均强度。,i.非相干性叠加,若 随时间而变，即,合振动强度为分振动强度的直接叠加。,这种按照强度直接叠加的类型称为非相干性叠加。,i.相干性叠加,如果电磁振动在观察时间内不中断,a.,合振动平均强度达到最大值,（干涉相长）,b.,合振动平均强度达到最小值,（干涉相消）,i.相干性叠加,特例：两波振幅相等,光强随相位差的分布曲线,注：如果P点两振动的振幅不等，则：,2.相干和不相干的
6、定义,通常称频率相同、振动方向几乎相同，并且在观察时间内相位差保持不变的两个振动是相干的。,两振动的相位在观察时间内无规则地改变，合振动的平均强度简单地等于分振动强度之和，不出现干涉现象。这种叠加为不相干叠加。,说明：只要振动方向不垂直，满足频率相等、相位差在观察时间内保持不变的两个振动就可以发生干涉。,3.多个振动的叠加,相干叠加，且振幅相等,不相干叠加，且振幅相等,相干和不相干都是波的叠加，只是不同情况下的波的叠加的具体表现。,光波类似于电磁波，同样具有独立性和叠加性。所以必然也具有相干性叠加和非相干性叠加的性质。,1.3由单色波叠加所形成的干涉图样,一.相位差和光程差,振源,P点振动,两
7、振动在P点合成的振动强弱完全由相位差决定。,1.相位差,两波在真空中的波长,分别为两波沿着r1和r2传播时所经路程上介质的折射率,初始相位差,相位差取决于两项之和，即初始相位振动情况和光波从S1、S2到达观察点P所通过的路程和所经介质的性质决定。,2.光程差,(1)光程 光波在介质中所经历的几何路程 r与介质折射 率n的乘积 nr 。,物理意义 光波在介质中所经历的相同时间内，光波在真空中传播的距离 。,(2) 光程差,当初始相位差恒定时，即 常数，则相位差唯一取决于光程差。,讨论（特殊情形）,设,称为波数,两相干振动最后在某一点合成情况完全由 决定,干涉相长 干涉相消,二.干涉图样,（1）干
8、涉相长,叠加后强度为最大值,（2）干涉相消,叠加后强度为最小值,图样分布,强度相同的空间各点的几何位置满足,双叶旋转双曲面用平面光屏接收得到的是一组双曲线。,j称为干涉级,激发,辐射,发光持续时间,激发态上电子的寿命,一. 热光源发光特点,发光是间歇的,光波列,不同原子激发、辐射时彼此没有联系,同一原子不同时刻所发出的波列，振动方向和相位各不相同,1.4 分波面双光束干涉,（长度有限、频率一定、振动方向一定的光波）,同一时刻各原子发出光波的频率、振动方向和相位各不相同,1.相干性,两个独立的光源发出的光或同一光源的两部分发出的光都不是相干光,同一原子同一次发出的光在空间相遇时是相干光,分振幅法
9、：利用光在两种介质分界面上的反射光和透射光作为相干光,如薄膜干涉,2.相干光的获得方法,分波阵面法：从同一波阵面上取出两部分作为相干光源,如杨氏双缝实验,二.典型的干涉实验,1.杨氏干涉,（1）装置原理,（2）明暗条纹分布,可得干涉明暗条纹的位置,明纹,暗纹,讨论：,对应于j=0的明纹称为中央明纹, 对应于j=1, j=2,称为第一级, 第二级，明纹,相邻两明(或暗)纹的间距,-明暗相间的等间隔条纹, 一定时, 白光照射：,-条纹变稀疏, d和D一定时,d或D ,y,y ,-条纹变密集,中央明纹为白色,各级为彩色，内紫外红,j=0时,y=0, 与无关,j0时,同一级 j的明纹中，因不同而错开,
10、d 或D ,j级长的和j+1级短的条纹重叠。,j小，变化对y的影响小，条纹密，重叠小，可分辨各色。,j大，变化对y的影响大，条纹疏，重叠大，甚至不可分辨各色。,最先发生重叠：,不重合（ j=1）,重合（ j=2，3）,若 ，则,明纹光强,暗纹光强,光强分布,-I1、I2为两相干光单独在P点处的光强,（3）杨氏干涉实验的解释,杨氏最早以明确的形式确立的光波叠加原理，并用光的波动性解释了干涉现象。,惠更斯原理,媒质中波动传播到的各点都可以看作是新的次波源，这些新波源发射的波称为子波，其后任一时刻这些子波的包络面就是该时刻的新的波阵面,球面波,平面波,球面波,平面波,2.洛埃镜实验,光在镜面反射时有半波损失,-结果与杨氏双缝实验相反,暗纹,3.菲涅耳双面镜实验,-明暗条纹分布与杨氏双缝实验相同,等效为两个虚光源光的干涉,4.维纳驻波实验,重点：半波损失及条件，近垂直入射相邻两条纹中心的高ac=/2 ab=ac/sin 1则ab1mm可测,例1在杨氏双缝实验中，两小孔的间距为0.5mm，光屏离小孔的距离为50cm，当用折射率1.6的透明薄片盖在上缝时，发现屏上的条纹移动了1cm，试确定该薄片的厚度。,解：P点为放入薄片后中央明纹的位置,又未放薄膜时,可得：,另解：,光程差每改变一个，条纹移动一条,因r2光程未变，r1改变了(n-1)x,
