《光的相干性》PPT课件
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光的相干性
杨氏 570 nm
现代 555 nm
该实验对光的波动说的复苏起到关键 作用，在物理学史上占重要地位。
“尽管我仰慕牛顿的大名，但我并不因此非得认为他是 百无一失的。我……遗憾地看到他也会弄错，而他的权 威也许有时甚至阻碍了科学的进步。”
(1) 分波阵面法
将同一波面上两不同部 分作为相干光源
(2)分振幅法（分振幅~分能量）
•装置（原理图）：
1 2
波列越长，谱线宽度越窄，光的单色性越好。
不同原子发光、或同一原子各次发光
频率 振动方向 初相
具有随机性 难以满足相干条件
设观察时— 间至 为少为仪器或时 人间 眼反应
1
I I1 I2 2I1 I2 co d st I1 I2
0
均匀分布，
0
非相干叠加
两普通光源或同一光源的不同部分是不相干的
发展状况：
(1) 激光：产生机理不同，具有相干性
普通光源：自发辐射 激光：受激辐射
频率
完
相位
全
偏振态
相
同
传播方向
(2) 快速光电接收器件 ——皮秒技术
接受器时间反0应 1s常 数 μs由 , ns, ps 可以观察到十分短暂的干涉，甚至两个独立光源 的干涉。
3.从普通光源获得相干光
思路：将同一点光源、某一时刻发出的光分成两束， 再引导其相遇叠加
将透明薄膜两个面的反射 （透射）光作为相干光源
s
p
n1
①i
a
②
d
③
c
n2 n1
b
f
⑤
h
e
④
p
原稿中的插图和论述
当同一束光的两部分从不同的路径，精 确地或者非常接近地沿同一方向进入人 眼，则在光线的路程差是某一长度的整 数倍处，光将最强，而在干涉区之间的 中间带则最弱，这一长度对于不同颜色 的光是不同的。
现代 555 nm
该实验对光的波动说的复苏起到关键 作用，在物理学史上占重要地位。
“尽管我仰慕牛顿的大名，但我并不因此非得认为他是 百无一失的。我……遗憾地看到他也会弄错，而他的权 威也许有时甚至阻碍了科学的进步。”
(1) 分波阵面法
将同一波面上两不同部 分作为相干光源
(2)分振幅法（分振幅~分能量）
•装置（原理图）：
1 2
波列越长，谱线宽度越窄，光的单色性越好。
不同原子发光、或同一原子各次发光
频率 振动方向 初相
具有随机性 难以满足相干条件
设观察时— 间至 为少为仪器或时 人间 眼反应
1
I I1 I2 2I1 I2 co d st I1 I2
0
均匀分布，
0
非相干叠加
两普通光源或同一光源的不同部分是不相干的
发展状况：
(1) 激光：产生机理不同，具有相干性
普通光源：自发辐射 激光：受激辐射
频率
完
相位
全
偏振态
相
同
传播方向
(2) 快速光电接收器件 ——皮秒技术
接受器时间反0应 1s常 数 μs由 , ns, ps 可以观察到十分短暂的干涉，甚至两个独立光源 的干涉。
3.从普通光源获得相干光
思路：将同一点光源、某一时刻发出的光分成两束， 再引导其相遇叠加
将透明薄膜两个面的反射 （透射）光作为相干光源
s
p
n1
①i
a
②
d
③
c
n2 n1
b
f
⑤
h
e
④
p
原稿中的插图和论述
当同一束光的两部分从不同的路径，精 确地或者非常接近地沿同一方向进入人 眼，则在光线的路程差是某一长度的整 数倍处，光将最强，而在干涉区之间的 中间带则最弱，这一长度对于不同颜色 的光是不同的。
《光的相干性》课件
《光的相干性》PPT课件
通过这个PPT课件，我们将深入探讨光的相干性及其在实际应用中的重要性。 欢迎大家加入我们的探索之旅！
什么是相干性
1 相干性的概念
相干性是指光波波动的一致性和协调性。在相干光中，光波的振动形式能够互相影响并 保持稳定。
2 相干与相位
相位是描述波动状态的概念，而相干性指的是不同波动的相位之间存在关联性。
具有相干性的光束
协方差函数
协方差函数是评估光波相干性 的工具，它描述了光波之间的 关联性和干涉的特性。
高斯型光束的相干性
高斯型光束具有很高的相干性， 是许多光学应用中常用的光源。
空间相干性衰减
随着光波传播距离的增加，空 间相干性逐渐衰减，干涉效应 也会减弱。
利用相干性
1 干涉现象
相干性能够导致干涉现象的发生，如干涉条纹、干涉滤波器等。
2 杨氏双缝干涉实验
杨氏双缝干涉实验是研究光的相干性和干涉现象的重要实验。
3 马吕斯环
马吕斯环是一种由相干光和透镜产生的干涉图样，常用于检测光波的相干性。
应用实例
激光的相干性
激光是一种具有高度相干性的光源，被广泛应 用于激光医学、激光切割等领域。
光纤通信的相干性
光纤通信利用光波的相干性传输信号，实现高 速、长距离的数据传输。
3 相干噪声
当不同频率的光波叠加在一起时，会产生相干噪声，可能干扰光学系统的性能。
光波的相干性
1
波前的相干性
波前相干性描述了光波从不同点源发出时的相位关系，决定了干涉和衍射现象的 产生。
2
相干度的定义
相干度衡量了两个或多个光波之间的相干性程度，从而反映了它们的互相干涉的 能力。
3
相干度的实验测定
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什么是相干性
1 相干性的概念
相干性是指光波波动的一致性和协调性。在相干光中，光波的振动形式能够互相影响并 保持稳定。
2 相干与相位
相位是描述波动状态的概念，而相干性指的是不同波动的相位之间存在关联性。
具有相干性的光束
协方差函数
协方差函数是评估光波相干性 的工具，它描述了光波之间的 关联性和干涉的特性。
高斯型光束的相干性
高斯型光束具有很高的相干性， 是许多光学应用中常用的光源。
空间相干性衰减
随着光波传播距离的增加，空 间相干性逐渐衰减，干涉效应 也会减弱。
利用相干性
1 干涉现象
相干性能够导致干涉现象的发生，如干涉条纹、干涉滤波器等。
2 杨氏双缝干涉实验
杨氏双缝干涉实验是研究光的相干性和干涉现象的重要实验。
3 马吕斯环
马吕斯环是一种由相干光和透镜产生的干涉图样，常用于检测光波的相干性。
应用实例
激光的相干性
激光是一种具有高度相干性的光源，被广泛应 用于激光医学、激光切割等领域。
光纤通信的相干性
光纤通信利用光波的相干性传输信号，实现高 速、长距离的数据传输。
3 相干噪声
当不同频率的光波叠加在一起时，会产生相干噪声，可能干扰光学系统的性能。
光波的相干性
1
波前的相干性
波前相干性描述了光波从不同点源发出时的相位关系，决定了干涉和衍射现象的 产生。
2
相干度的定义
相干度衡量了两个或多个光波之间的相干性程度，从而反映了它们的互相干涉的 能力。
3
相干度的实验测定
第四章光的相干性概论
第四章 光的相干性概论
在前面的各个部分，凡是涉及到光的叠加，我们通常采用相干叠加或非相干 叠加的方法进行处理。例如在杨氏干涉装置中，两列光波如果是相干的，则叠加
之后干涉项 2A1A2 cos ∆ϕ ≠ 0 ，如果是非相干的，则干涉项 2 A1A2 cos ∆ϕ = 0 。
或者说，在数学处理上，对于相干光，叠加时复振幅相加，U (r) = U1(r) + U2 (r) ；
L0 = ∆Z = λ2 / ∆λ （1.6.8）正是上述的 δMax ，于是对上述现象可以作如下解释。
L =λ2/∆λ 0 Z
带宽为∆λ 的准单色波所形成的波包
由于光源是非单色波 λ ~ λ + ∆λ ，则就是非定态光波，在空间是一个有效长 度为 L0 = λ 2 / ∆λ 的波包。对于屏上的中心点O，到双缝S1、S2的光程相等，因而
= 2 I 0 dx (1 + cos
2π λ
δ ) = 2 I 0 dx [1 + cos
2π λ
( β x + δ 2 )]
∫ 干涉场的强度为 I
= 2I0
b
2 −b
2
dx[1
+
cos
2π λ
(β x + δ2 )]
=
2I0 (b
+
λ πβ
sin
π bβ λ
cos
2π λ
δ2)
I Max
=
2I0b
=| U1(S1,
r)
|2
+
| U2 (S1)
|2
+U1
(S1
)U
∗ 2
(
S1
)
+
在前面的各个部分，凡是涉及到光的叠加，我们通常采用相干叠加或非相干 叠加的方法进行处理。例如在杨氏干涉装置中，两列光波如果是相干的，则叠加
之后干涉项 2A1A2 cos ∆ϕ ≠ 0 ，如果是非相干的，则干涉项 2 A1A2 cos ∆ϕ = 0 。
或者说，在数学处理上，对于相干光，叠加时复振幅相加，U (r) = U1(r) + U2 (r) ；
L0 = ∆Z = λ2 / ∆λ （1.6.8）正是上述的 δMax ，于是对上述现象可以作如下解释。
L =λ2/∆λ 0 Z
带宽为∆λ 的准单色波所形成的波包
由于光源是非单色波 λ ~ λ + ∆λ ，则就是非定态光波，在空间是一个有效长 度为 L0 = λ 2 / ∆λ 的波包。对于屏上的中心点O，到双缝S1、S2的光程相等，因而
= 2 I 0 dx (1 + cos
2π λ
δ ) = 2 I 0 dx [1 + cos
2π λ
( β x + δ 2 )]
∫ 干涉场的强度为 I
= 2I0
b
2 −b
2
dx[1
+
cos
2π λ
(β x + δ2 )]
=
2I0 (b
+
λ πβ
sin
π bβ λ
cos
2π λ
δ2)
I Max
=
2I0b
=| U1(S1,
r)
|2
+
| U2 (S1)
|2
+U1
(S1
)U
∗ 2
(
S1
)
+
光的相干性
∆ 8. 衡量光的时间相干性可以用三种量： Lmax、 τ c 、 ∆ν (或∆λ ) ，这三 者的关系为单色性好则相干长度愈长，相干时间也愈长。
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第 一 章 辐 射 理 论 概 要
§1.7 光的相干性
三、空间相干性
1. 空间相干性：是指在多大的尺度范围内普通光源发出的光在空间某处 合成时会形成干涉；即主要是由于普通光源大小对光的相干性的限制 2. 用激光光源与普通光源做杨氏双缝对比实验，发现用激光光源能观察到 干涉条纹；而用普通光源不能观察到干涉条纹。假定将普通单色光源的大 小加以限制在一定的范围，则在屏上同样可以看到干涉条纹。 3. 如图（1.7.4）所示，在普通光源和双缝之间放置一个平行于双缝的狭缝S来 限制光源的大小。 双缝
∆L 当M1、M2距P中心的距离相等时， = 0 ， S中心处干涉加强，形成亮斑。 当M2移动距离 l = λ 4， = λ 2 ，S中 ∆L 心处干涉减弱，形成暗斑。 ∆L 当M2再移动距离 l = λ 4， = λ ，S中心 处干涉加强，形成亮斑。 每当M2沿光传播方向平移λ 2，S中 心处亮暗交替变换一次。
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第 一 章 辐 射 理 论 概 要
§1.7 光的相干性 因此得出结论： 只有当 ∆1 − ∆ 0 < 时，屏上才有干涉条纹出现。取 ∆1 − ∆ 0 ≈ 作为存 2 2 在空间相干性的估计；通常用d来估计空间相干长度。
λ λ
∆1 − ∆ 0 =
d ⋅r λ λl λl ≈ ⇒d ≈ = 0. 5 l 2 2r r
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第 一 章 辐 射 理 论 概 要
光的相干性
相位差： 12 1 2 2π
r2 r1
1 2 2π
P.5/52
波动光学
设 1＝2
若
12 2 π
其中 为光程差
r2 r1 k ,
12 2kπ k 0, 1, 2,
2 I max E0 (E10 E20 )2
激光器谐振腔
宇航服
P.35/52
波动光学
例题13-4 照相机透镜常镀上一层透明薄膜，目的就是 利用干涉原理减少表面的反射，使更多的光进入透镜， 常用的镀膜物质是MgF2，折射率n=1.38，为使可见光 谱中=550nm的光有最小反射，问膜厚e = ？ 解: 反射最小
2n2 e (2k 1)
2 πr
)
2 I E0
光强(intensity of light)正比于光矢量 (light vector)振幅的平方，即
P.3/52
波动光学
干涉定义： 满足相干条件的两列或两列以上的光波， 它们在空间的重叠区域内各点相遇时， 将发生干涉现象。 相干条件： 频率相同 振动方向相同 相遇点有恒定的相位差 相干光(coherent light)：能产生干涉现象的光。 相干光源(coherent source)：能产生相干光的光源。
D x xk 1 xk d
条纹为等间距分布
复色光照射双缝时条纹
?
P.12/52
波动光学
杨氏双缝干涉的讨论 • 影响条纹宽度的因素 (1) 双缝间距
D x d
1 x d
(2) 光波的波长
D x d
(3) 屏与缝间距
D x d
x
x D
第1讲 光的相干性 光程差
cos(1
2
2π
r2
r1
)
光强分布:I I1 I2 2 I1I2 cos 干涉项
相位差:
1
2
2π
r2
r1
1
2
2π
设
1＝2,
则光程差与相位差的关系为:
2π
光的相干性 光程差
两束相干光的相位差:
2π
r2
r1
r2 v2
r1 v1
光在介质中传播, 其折射率: n c
v
r2 v2
r1 v1
c
n2r2
n1r1
2π
n2r2
n1r1
• 定义光程: nr
光程差: n2r2 n1r1
干涉条纹加强、减弱的一般条件:
k
光强极大
光程差
2π
k 0, 1,
(2k 1)
2,
光强极小
2
• 光程(等效真空程)的物理意义
光的相干性 光程差
光程是光在介质中通过的路程折合到同一时间内在真
空中通过的相应路程——等效真空程.
大学物理
波动光学
第1讲 光的相干性 光程差
光的相干性 光程差
波动光学: 以光的波动性为基础, 研究光的传播及其规律. 研究内容: 光的干涉、光的衍射、光的偏振
一、光波: 交变电磁场在空间传播
可见光波长 : 400nm ~ 760nm 频率 : 7.691014 ~ 3.951014Hz
颜色: 紫 ~ 红 单色光: 具有单一频率的光
电磁波:
S EH
光的相干性 光程差
光矢量E : 引起视觉和感光作用
光振动: E E0 cos( t )
光强度: I E02, 相对强度: I E02
第一讲(光的相干性及干涉)
Y
H
引起视觉和化学效应的是电场强度矢量 E ，把 E 矢量称为“光矢量”。
§2节 光的干涉
1、普通光源获得相干光的途径
两种方法：（1）.分波阵面法—杨氏双缝实验等 （2）.分振幅法—薄膜干涉
分波面法 分振幅法
p S*
S *
·
薄膜
p
I I 1 I 2 2 I 1 I 2 cos
•相干光源
§1节 光源：光的相干性
普通光源
1、光源
激光光源
2、发光机制：
能级跃迁辐射 E2 波列
= (E2-E1)/h
E1
波列长L = c
(≈10-8 s)
普通光源：自发辐射
·
·
独立(不同原子发的光) 独立(同一原子先后发的光)
激光光源：受激辐射
= (E2-E1)/h
E2
完全一样
E1
D x nd
光强公式
I I 1 I 2 2 I 1 I 2 cos ,
若
I1 =I2 =I0
2
,
则 I 4 I 0 cos 2
光强曲线
-4 -2 x -2 -2 /d -2 -1 x -1 - /d
x2 2 /d
k 0,1,2 „
2
相长干涉（明） 相消干涉（暗）
§3节 杨氏双缝干涉
实验装置及现象
x
n
S
s1
d
r1
r2
D
x
O
x D
I
s2
条件 :
d D
相干光： S1、S2分得点光源S同一波振面的光
x 光程差： r2 r1 d sin d tg d D x
第3讲 光的相干性与光子简并度
体角的光功率称为光辐射的谱辐射度，即
Le,,
P
S
2
Le,,
2 h
3-3 光子简并度与光源谱辐射度的关系
例2：
3-3 光子简并度与光源谱辐射度的关系
解：
2 1 cos( 2) 5106 sr，
c 4.741014 Hz 108
4.74 106 Hz
S d 22 5107 m2
Le,,
P
S
84
W
(m2 sr Hz)
2 Le,, 5.38107 2 h
3-1 光子的相干性
根据光源的发光特点，可知：
~N 0, ( )2 ~N 0, ( 2)2
~U 0, 2
3-1 光子的相干性
根据概率论里期望值的计算公式，得到
E Px 0,
E Px2 E P2 E sin2 E cos2
在球坐标系中，动量的各分量可表示为：
Px P sin cos Py P sin sin Pz P cos
3-1 光子的相干性
E Px E P sin cos E(P)E(sin )E(cos)
E Px2 E P2 E sin2 E cos2
5.451014 Hz
1
h
0.013
e KT 1
3-2 光子的简并度
光子简并度的含义
光子简并度等于平均每个光子态的光子数； 光子简并度等于平均每个光波模式的光子数； 光子简并度等于平均每个相格内偏振态相同的光子数。
3-3 光子简并度与光源谱辐射度的关系
物理光学光的相干性
衍射理论在光学仪器中应用
分辨率限制
衍射现象是光学仪器分辨率限制的主要因素之一。由于光 的波动性，当光通过光学系统时，会发生衍射现象，导致 图像模糊和分辨率降低。
光学系统设计
在光学系统设计中，需要考虑衍射现象对成像质量的影响 。通过合理设计光学系统的参数和结构，可以减小衍射现 象对成像质量的影响。
衍射光栅
自然光
光振动沿各个方向均匀分布，人眼观 察到的光源直接发出的光。
偏振光
光振动只沿特定方向传播，通过偏振 片或反射、折射等过程后，具有特定 振动方向的光。
偏振片起偏和检偏作用
起偏
将自然光转换为偏振光的过程，通过偏振片实现。偏振片只允许与其透振方向 相同的光通过，起到筛选作用。
检偏
检测光的偏振状态，通过另一个偏振片实现。当检偏器的透振方向与入射光的 振动方向相同时，光可顺利通过；否则，光将被阻挡。
其他类型干涉现象
薄膜干涉
当光波照射到薄膜上时，会在薄膜前后表面反射形成两束 相干光波，从而产生干涉现象。这种现象常用于检测光学 元件的表面质量。
迈克尔逊干涉仪
一种精密的光学仪器，利用分振幅法产生两束相干光波， 通过调整光路可以产生不同的干涉条纹，用于测量长度、 折射率等物理量。
激光干涉
激光具有高度相干性，因此可以产生非常明显的干涉现象。 激光干涉技术广泛应用于精密测量、光学加工等领域。
物理光学光的相干性
目 录
Байду номын сангаас
• 物理光学基本概念 • 相干光及其条件 • 干涉现象与原理 • 衍射现象与原理 • 偏振现象与偏振光应用 • 相干性在现代科技中应用
01 物理光学基本概念
光的波粒二象性
01
02
光的相干性
普通单色光的谱线宽度 ： 10-3 0.1 nm
激光的谱线宽度 ： 10-9 10-6 nm
越小，光的单色性就越好。
产生单色光的方法
(1)利用色散; (2)利用滤波片; (3)利用单色光源;
(4)激光 太原理工大学大学物理
二、光的相干性
1.干涉现象 两列光波相遇时,出现稳定的明暗相间花样称 为光的干涉现象.
第14章
光具有波动性的判据 光是横波的判据
波动光学
干涉现象 衍射现象 偏振现象
光是一种电磁波，光矢量用 E 矢量表示光矢量, 它
在引起人眼视觉和底片感光上起主要作用 .
真空中的光速
可见光的范围
c
1
0 0
: 400 ~ 760nm : 7.5 1014 ~ 4.3 1014 Hz
0 2
E E 2 E10 E20
即 I I I 2 I1 I 2
2 1
1
2
1 ) dt
cos(
0
1
1 ) dt
太原理工大学大学物理
1) 对于相干光 两列光波在P点的相位差 2 1 恒定
则合光强
I I1 I 2 2 I1I 2 cos
cosdt 0
0
则P点光强为
I I1 I 2
相遇区域内的光强等于各光强直接相加，称 为非相干叠加。 太原理工大学大学物理
四、相干光的获得 相干光只能从一个原子一次发光中获得。 1）分波阵面法 2）分振幅法
s1
光源*
s2
太原理工大学大学物理
光的干涉部分主要讨论杨氏双缝干涉和薄膜 干涉。
2 10 2 20
论述光的空间相干性和时间相干性PPT课件
本质：空间相干性源于扩展光源不同部分发光的独立性； 时间相干性源于发光过程在时间上的断续性。
效果：空间相干性表现在光波场的横向，并集中于分波前干涉； 时间相干性表现在光波场的纵向，并集中于分振幅干涉。
结语
数学描述： 空间相干性：相干线度： dc l / b 相干孔径角： / b 相干性反比公式：b
时间相干性
设由分光源S′，S″所发出的单色相干光的平均持续 时间为τ ,则平均波列长度为Lc=cτ ，c为光速。在不 考虑光源线度对干涉条纹清晰度影响的情况下，若光 源S′发出的光传播到光屏EE′上P点所用时间为t1，光 源S″发出的光传播到光屏EE′上P点所用时间为 t1 +Δ t，则当Δ t<τ 时,两列光波在P点能形成干涉条 纹；Δ t越接近于τ ，条纹越不清楚；当Δ t>τ 时，两 列光波位相间无确定关系，不能产生干涉现象。
相干光源：能够观察到干涉条纹的理想光源，是从一 无限小的点光源发出无限长光波列，用光学方法将其分为 两束，再实现同一波列的相遇迭加，能得到稳定的干涉条 纹的光源。
概述
实际的相干光源和理想的相干光源有两点重要的不同， 一是理想相干光源所发出的是无限长光波列，而实际相干 光源所发出的是有限长光波列；二是理想相干光源为一几 何点，而实际相干光源总有一定的线度。因此，我们应注 意以下两方面的问题： (1)由于实际相干光源所发出的光波列为有限长，若两束 光到达观察点的光程差超过一个波列的长度，在该处就不 能实现相干迭加。所以，波列长度和光程差的大小是影响 干涉条纹清晰度的一个重要因素。
概述
(2)由于实际相干光源有一定的线度,即使光源上的每个点 所发出的光都是无限长波列,能保持恒定的位相差而形成 稳定的干涉条纹,但由于光源上不同点发出的光所形成的 干涉条纹分布不同,迭加的结果仍使条纹看不清楚.所以, 光源的线度以及干涉装置的结构,是影响干涉条纹清晰度 的另一个重要因素
效果：空间相干性表现在光波场的横向，并集中于分波前干涉； 时间相干性表现在光波场的纵向，并集中于分振幅干涉。
结语
数学描述： 空间相干性：相干线度： dc l / b 相干孔径角： / b 相干性反比公式：b
时间相干性
设由分光源S′，S″所发出的单色相干光的平均持续 时间为τ ,则平均波列长度为Lc=cτ ，c为光速。在不 考虑光源线度对干涉条纹清晰度影响的情况下，若光 源S′发出的光传播到光屏EE′上P点所用时间为t1，光 源S″发出的光传播到光屏EE′上P点所用时间为 t1 +Δ t，则当Δ t<τ 时,两列光波在P点能形成干涉条 纹；Δ t越接近于τ ，条纹越不清楚；当Δ t>τ 时，两 列光波位相间无确定关系，不能产生干涉现象。
相干光源：能够观察到干涉条纹的理想光源，是从一 无限小的点光源发出无限长光波列，用光学方法将其分为 两束，再实现同一波列的相遇迭加，能得到稳定的干涉条 纹的光源。
概述
实际的相干光源和理想的相干光源有两点重要的不同， 一是理想相干光源所发出的是无限长光波列，而实际相干 光源所发出的是有限长光波列；二是理想相干光源为一几 何点，而实际相干光源总有一定的线度。因此，我们应注 意以下两方面的问题： (1)由于实际相干光源所发出的光波列为有限长，若两束 光到达观察点的光程差超过一个波列的长度，在该处就不 能实现相干迭加。所以，波列长度和光程差的大小是影响 干涉条纹清晰度的一个重要因素。
概述
(2)由于实际相干光源有一定的线度,即使光源上的每个点 所发出的光都是无限长波列,能保持恒定的位相差而形成 稳定的干涉条纹,但由于光源上不同点发出的光所形成的 干涉条纹分布不同,迭加的结果仍使条纹看不清楚.所以, 光源的线度以及干涉装置的结构,是影响干涉条纹清晰度 的另一个重要因素
普通物理学 §12-2 光的单色性、相干性.
造成谱线宽度的主要原因： 1. 自然增宽：由能级自然宽度形成。
原子处在激发态有一定的寿命， E•h E -----能级宽度 E1+ E2 = h 2. 多普勒增宽：分子、原子的热运动引起.
造成谱线宽度的主要原因： 1. 自然增宽：由能级自然宽度形成。
原子处在激发态有一定的寿命， E•h E -----能级宽度 E1+ E2 = h 2. 多普勒增宽：分子、原子的热运动引起.
2-5-1
光的单色性、相干性
2-5-1 光的单色性、相干性 一、光矢量
12-2 光的单色性、相干性 一、光矢量 光是一种电磁波，因此光就是电磁场中 电场强度E和磁场强度H的周期性变化在空间 的传播，或者说，E矢量和H矢量的振动在空 间的传播。
12-2 光的单色性、相干性 一、光矢量 光是一种电磁波，因此光就是电磁场中 电场强度E和磁场强度H的周期性变化在空间 的传播，或者说，E矢量和H矢量的振动在空 间的传播。研究表明，在光波中引起光效应 的，即对人的眼睛或照相底片等感光器件起 作用的，主要是电场强度E.
光叠加时能产生干涉 现象,则光是相干的。
相 干 条 件
频率相同 振动方向一致 相位差恒定
两个独立的光源不可能成为一对相干光源 钠 光 灯A
两束光 不相干！
钠 光 灯B
三、光的相干性
光叠加时能产生干涉 现象,则光是相干的。
相 干 条 件
频率相同 振动方向一致 相位差恒定
两个独立的光源不可能成为一对相干光源 原因：原子发光是随机的，间歇性的，两列 光波的振动方向不可能一致，周相差 钠 不可能恒定。 光 钠 灯A 两束光 光 不相干！ 灯B
12-2 光的单色性、相干性 一、光矢量 光是一种电磁波，因此光就是电磁场中 电场强度E和磁场强度H的周期性变化在空间 的传播，或者说，E矢量和H矢量的振动在空 间的传播。研究表明，在光波中引起光效应 的，即对人的眼睛或照相底片等感光器件起 作用的，主要是电场强度E. 把E矢量称为光 矢量，把E矢量的振动称为光振动。
光的相干性PPT课件
.
2
3.5.1 光的相干性 (Coherence of light) 影响条纹可见度的最主要因素是用于干涉实验的光 源特性；光源的大小和复色性。
1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性 2.光源非单色性对条纹可见度的影响—光的时间相干性
.
3
1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性
在杨氏干涉实验中，如果采用点光源，则通过于涉 系统将产生清晰的干涉条纹，V = l。如果采用扩展 光源，其干涉条纹可见度将下降。
2
(151)
V 随 的变化曲线如图所示。或者说，对一定的 ，
V 随着k 变化，k 增大，可见度 V 下降：
V 1
0
. 2/
37
2.光源非单色性对条纹可见度的影响—光的时间相干性
当Δk = 0，光源为单色光源时，V = 1； 当0< Δk< 2/Δ时，0 <V<1； 当Δk = 2/Δ时，V = 0。
V
1
0
2 b
.
19
1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性 当光源是扩展光源时，光场平面上具有空间相干性 的各点的范围与光源的大小成反比。
V πbsinπb (141)
.
20
1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性
对于一定的光波长和干涉装置，当光源宽度 b 较大， 且满足
b R d
I0dx 是元光源通过 S1 或 S2 在干涉场上所产生的光
强度； 是元光源发出的光波经 S1 和 S2 到达 P 点
的光程差。
I I1 I2 2I1 I2c o sc o s= I1 I2 + 2 I1 2 (3 )
.
9
第一讲(光的相干性及干涉)课件
2
同一厚度e对应同一级条纹——等厚条纹
明纹： (e) k , k = 1,2,3,… 暗纹： (e) (2k 1) , k = 0,1,2,…
2
明暗纹对应的膜的厚度
k 1
明纹： e
2
2n
暗纹： e k
2n
膜厚度差 相
邻
两
条 纹
条纹中心 间距
L 明纹 暗纹
e
ek ek+1
e ek1 ek 2n
解：光程差改变 ne e
(e, n)
s1 s2
x 条纹移动 N = 4
N O e N
n1
4
n1
4000nm
劳埃德镜实验
直射光光程 nr1
n r1 •
反射光光程
•
2a•
r2
？ nr2 2
D
半波损失：光由光疏质射向光密质时，反射波的相位要 发生π的突变，好象损失了半个波长的光程一样。
2
(k= 0, 1, 2, …)
第k个暗环半径 r kR k
明环： 2e 2 r 2 k
2 2R 2
(k= 1, 2, …)
第k个明环半径
r
k 1 R
2
环半径之间关系 rk2m rk2 mR
三、 等厚条纹的应用
1、 劈尖的应用
L 2n
• 测波长：已知θ、n，测L可得λ
2
倾角 i 相同的光线对应同一条干涉条纹—等倾干涉。
等倾干涉条纹特点: • 形状: 一系列同心圆环
• 条纹间隔分布: 内疏外密
• 条纹级次分布: e一定时， k i rk
• 膜厚变化时,条纹的移动： • 波长对条纹的影响:
k一定, e i rk
同一厚度e对应同一级条纹——等厚条纹
明纹： (e) k , k = 1,2,3,… 暗纹： (e) (2k 1) , k = 0,1,2,…
2
明暗纹对应的膜的厚度
k 1
明纹： e
2
2n
暗纹： e k
2n
膜厚度差 相
邻
两
条 纹
条纹中心 间距
L 明纹 暗纹
e
ek ek+1
e ek1 ek 2n
解：光程差改变 ne e
(e, n)
s1 s2
x 条纹移动 N = 4
N O e N
n1
4
n1
4000nm
劳埃德镜实验
直射光光程 nr1
n r1 •
反射光光程
•
2a•
r2
？ nr2 2
D
半波损失：光由光疏质射向光密质时，反射波的相位要 发生π的突变，好象损失了半个波长的光程一样。
2
(k= 0, 1, 2, …)
第k个暗环半径 r kR k
明环： 2e 2 r 2 k
2 2R 2
(k= 1, 2, …)
第k个明环半径
r
k 1 R
2
环半径之间关系 rk2m rk2 mR
三、 等厚条纹的应用
1、 劈尖的应用
L 2n
• 测波长：已知θ、n，测L可得λ
2
倾角 i 相同的光线对应同一条干涉条纹—等倾干涉。
等倾干涉条纹特点: • 形状: 一系列同心圆环
• 条纹间隔分布: 内疏外密
• 条纹级次分布: e一定时， k i rk
• 膜厚变化时,条纹的移动： • 波长对条纹的影响:
k一定, e i rk
2.5_光的相干性
返回
！这里是从干涉图 样来分析的
时间相干性
实际光源的光谱线都有一定的频率宽度（波长范围 ）- -亦即相应的发光时间t是有限的。因此所发波 列的长度L＝ct也是有限的。
由于原子发光的随机性，不同波列间没有确定的初相位 关系，所以不同波列间是不相干的。
下图中a、b两波列是不相干的。
相干时间长－单色性好；
相干时间短－单色性差。
相干时间可用相干长度来度量－可通过迈克耳孙实 验测量。
2/9/2020
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2.5.2 相干性的定量描述
定性描述
从条纹可见度出发引入了描述光场相干性的相干面积和相干 长度；- -相干体积
在相干体积内的光波进行干涉实验时，能观察到稳定的干涉 条纹。
即对于一定波长和干涉装置，当光源的线度b’较大，且
满足
b' 2b r0 ' , 或b'
d
d r0 '
时,通过S1、S2两点的光场不发生干涉。这两点光场没有空 间相干性。
常将bc=/=(r0’/d)称为光源的临界宽度。
β＝d/r0’是干涉装置中的两个小孔S1和S2对S的张角。
因而S1和S2处的光场相同，均为E(t)，则所考察的光 的相干性仅为光的时间相干性。
P点的干涉效应由取决于光场的互相干函数，变为取
决于光场的自相干函数，相应的光场归一化自相干函
数为
称该γ(τ )为时间相干度，它是经历不同
( )
E(0)E*( )
I
时间从S1和S2传播到P点的两个光场之
由于每一个线光源在屏上均形成一组干涉条纹，这些 条纹不重合，干涉图样间有一定位移，位移量的大小 与线光源到屏的距离有关。这些条纹间是非相干叠加， 叠加结果使得条纹的可见度下降。
14-1光源光的相干性-精品文档
P86,三下面，第8行
相位相同或相位差恒定 太原理工大学物理系
3.普通光源获得相干光的途径 从一个原子一次发出的一个光波列分成两部分。 分波阵面法 分振幅法
s1
光源*
s2
太原理工大学物理系
光的干涉部分主要讨论杨氏双缝干涉和薄膜干 涉。
蝉翅在阳光下
白光下的肥皂膜
太原理工大学物理系
自发辐射 波列长L = c △t
原子能级及发光跃迁
E h
太原理工大学物理系
1）普通光源：a）发光属于自发辐射。
P85,第2段， 第1行
· ·
（独立） (不同原子发的光) （独立） （同一原子先后发的光）
P85,第2段，第5， 7行开头处
b）发光特点：独立性、随机性、间歇性 可见，普通光源发出的光，无固定的位相差关系、 且它们的频率、振动方向也不一定相同，因此它们 在空间相遇不满足干涉条件。 太原理工大学物理系
太原理工大学物理系
在光波中，产生感光作用和生理作用的是电场强 度 E ，故将 又称为光矢量， 的振动称为光振动。 E E P86三下3-6行 E 称为光振幅。 0
可见光
:4 0 0 ~ 7 6 0 n m 1 4 1 4 :3 . 9 1 0 ~ 7 . 51 0 H z
第五篇 光学
波动光学
光的干涉（§14―1～5） 光具有波动性 光的衍射 （§14―7～9） 光的偏振 （§1Байду номын сангаас―10～15） 光是横波
第十四章 波动光学
一、光 光源 1.光 （P86三，下3-5行）
§14-1 光源 光的相干性
光是一定频率的电磁波，用电场强度 、磁场强度 E 来描述。 H r r E E c o s [ ( t ) ] ,H H c o s [ ( t ) ] 0 0 0 0 u u
相位相同或相位差恒定 太原理工大学物理系
3.普通光源获得相干光的途径 从一个原子一次发出的一个光波列分成两部分。 分波阵面法 分振幅法
s1
光源*
s2
太原理工大学物理系
光的干涉部分主要讨论杨氏双缝干涉和薄膜干 涉。
蝉翅在阳光下
白光下的肥皂膜
太原理工大学物理系
自发辐射 波列长L = c △t
原子能级及发光跃迁
E h
太原理工大学物理系
1）普通光源：a）发光属于自发辐射。
P85,第2段， 第1行
· ·
（独立） (不同原子发的光) （独立） （同一原子先后发的光）
P85,第2段，第5， 7行开头处
b）发光特点：独立性、随机性、间歇性 可见，普通光源发出的光，无固定的位相差关系、 且它们的频率、振动方向也不一定相同，因此它们 在空间相遇不满足干涉条件。 太原理工大学物理系
太原理工大学物理系
在光波中，产生感光作用和生理作用的是电场强 度 E ，故将 又称为光矢量， 的振动称为光振动。 E E P86三下3-6行 E 称为光振幅。 0
可见光
:4 0 0 ~ 7 6 0 n m 1 4 1 4 :3 . 9 1 0 ~ 7 . 51 0 H z
第五篇 光学
波动光学
光的干涉（§14―1～5） 光具有波动性 光的衍射 （§14―7～9） 光的偏振 （§1Байду номын сангаас―10～15） 光是横波
第十四章 波动光学
一、光 光源 1.光 （P86三，下3-5行）
§14-1 光源 光的相干性
光是一定频率的电磁波，用电场强度 、磁场强度 E 来描述。 H r r E E c o s [ ( t ) ] ,H H c o s [ ( t ) ] 0 0 0 0 u u
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V πbsinπb (141)
--
20
1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性
对于一定的光波长和干涉装置，当光源宽度 b 较大， 且满足
b R d
或
b
时，通过 S1 和 S2 两点的光将不发生干涉，因而这 两点的光场没有空间相干性。
--
21
1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性
1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性
I 2 I0 b 2 I0π s inπ b c o s2 π (1 4 0 )
由于第一项平均强度随着光源宽度的增大而增强，而
第二项不会超过 2I0 / ，所以随着光源宽度的增大，
条纹可见度将下降。
V IM Im (8) IM Im
--
16
3.5 光的相干性 (Coherence of light)
在实验中为了获得相干光，可采用分波面法或分振 幅法，并对光源 S 分别假设是单色点(线)光源或单 色扩展光源。
任何一个光源都具有有限的尺寸，所产生的光都不 可能是单色光，利用这种光源进行干涉实验，其条 纹可见度将下降，甚至完全不产生干涉，这就是光 的相干性问题。
--
9
1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性
对于距离 S 为 x 的 C 点处的元光源，它在 P 点产生 的光强度为
dI2I0dx(1cos2 π) (138 )
是由 C 处元光源发出的、经 S1 和 S2 到达 P 点的
两支相干光的光程差。
--
10
1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性
S
S
S
S1
Od S2
R
(a )
--
P0 E
7
1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性
若考察干涉场中的某一点 P，则位于光源中点 S 的 元光源(宽度为dx)在 P 点产生的光强度为
d Is2I0d x(1co s2 π) (1 3 7)
S
d x C x S
S
S1
S2
(b )
--
P P0
V
1
随着 b 的增大，可见度
V 将通过一系列极大值
和零值后逐渐趋于零。 0
2 b
--
18
1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性
当 b = 0、光源为点光源时，V = 1；
当 0< b < / 时，0 < V < 1； 当 b = / 时，V = 0。
V
1
0
2 b
--
19
1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性 当光源是扩展光源时，光场平面上具有空间相干性 的各点的范围与光源的大小成反比。
x
--
14
1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性 宽度为 b 的扩展光源在 P 点产生的光强度为
I
b/2
－b/22I0
1cos2π(x)dx
=2I0b2I0 πsinπbcos2π
(140)
第一项与 P 点的位置无关，表示干涉场的平均强度，
第二项表示干涉场光强度周期性地随 变化。
--
15
--
5
1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性
干涉场中的总光强分布为各条纹强度的总和，其暗 条纹的强度不再为零，因此可见度下降。当扩展光 源大到一定程度时，条纹可见度可能下降为零。
V IM Im (8) IM Im
--
6
1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性
假设是以 S 为中心的扩展光源 SS，则可将其想象 为由许多无穷小的元光源组成，整个扩展光源所产 生的光强度便是这些元光源所产生的光强度之和。
在杨氏干涉实验中，如果采用点光源，则通过于涉 系统将产生清晰的干涉条纹，V = l。如果采用扩展 光源，其干涉条纹可见度将下降。
S1
r1
P
Sd
点 光 源
单 缝
S2
双 缝
r2
D
o
屏
--
干
光I
涉
强
条
分
纹
布
4
1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性
对于每个点光源都将通过干涉系统在干涉场中产生 各自的一组干涉条纹，由于各个点光源位置不同， 它们所产生的干涉条纹之间有位移。
1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性 根据(140)式，可求得条纹可见度为
V πbsinπb (141)
I 2 I0 b 2 I0π s inπ b c o s2 π (1 4 0 )
V IM Im (8) IM Im
--
17
1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性
V πbsinπb (141)
E
8
1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性
d Is2I0d x(1co s2 π) (1 3 7)
I0dx 是元光源通过 S1 或 S2 在干涉场上所产生的光
强度； 是元光源发出的光波经 S1 和 S2 到达 P 点
的光程差。
I I1 I2 2I1 I2c o sc o s= I1 I2 + 2 I1 2 (3 )
--
1
3.5.1 光的相干性 (Coherence of light)
在前面讨论光的干涉实验时，引入了表征干涉程度 的参量—条纹可见度 V。
VIMIm IMIm
（8）
(1)当V=1时，条纹最清晰，表示光束完全相干； (2)当V=0时，无干涉条纹，表示光束完全不相干；
(3)当0<V<1时，条纹清晰度分于上面两种情况之 间，表示光束部分相干。
由图中几何关系可以得到如下近似结果：
CS2
CS1
d
xRd2d
xd R
x
S
d x
C
x
S
S
S1RS2Fra bibliotek(b )
--
P P0
E
11
1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性
CS2
CS1
dxRd2d
xd R
x
式中， = d / R 是 Sl 和 S2 对 S 的张角。
S
S1
S
S
Od
P0
R
S2
E
--
2
3.5.1 光的相干性 (Coherence of light) 影响条纹可见度的最主要因素是用于干涉实验的光 源特性；光源的大小和复色性。
1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性 2.光源非单色性对条纹可见度的影响—光的时间相干性
--
3
1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性
通常称
bC
为光源的临界宽度。
(142)
--
12
1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性
因此
x
S
d x C x S
S
S1
R
S2
(b )
P P0
E
--
13
1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性 所以，(138)式可写为
d I2 I0 d x 1 c o s2 π(x) (1 3 9 )
dI2I0dx(1cos2 π) (138 )
--
20
1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性
对于一定的光波长和干涉装置，当光源宽度 b 较大， 且满足
b R d
或
b
时，通过 S1 和 S2 两点的光将不发生干涉，因而这 两点的光场没有空间相干性。
--
21
1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性
1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性
I 2 I0 b 2 I0π s inπ b c o s2 π (1 4 0 )
由于第一项平均强度随着光源宽度的增大而增强，而
第二项不会超过 2I0 / ，所以随着光源宽度的增大，
条纹可见度将下降。
V IM Im (8) IM Im
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16
3.5 光的相干性 (Coherence of light)
在实验中为了获得相干光，可采用分波面法或分振 幅法，并对光源 S 分别假设是单色点(线)光源或单 色扩展光源。
任何一个光源都具有有限的尺寸，所产生的光都不 可能是单色光，利用这种光源进行干涉实验，其条 纹可见度将下降，甚至完全不产生干涉，这就是光 的相干性问题。
--
9
1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性
对于距离 S 为 x 的 C 点处的元光源，它在 P 点产生 的光强度为
dI2I0dx(1cos2 π) (138 )
是由 C 处元光源发出的、经 S1 和 S2 到达 P 点的
两支相干光的光程差。
--
10
1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性
S
S
S
S1
Od S2
R
(a )
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P0 E
7
1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性
若考察干涉场中的某一点 P，则位于光源中点 S 的 元光源(宽度为dx)在 P 点产生的光强度为
d Is2I0d x(1co s2 π) (1 3 7)
S
d x C x S
S
S1
S2
(b )
--
P P0
V
1
随着 b 的增大，可见度
V 将通过一系列极大值
和零值后逐渐趋于零。 0
2 b
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1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性
当 b = 0、光源为点光源时，V = 1；
当 0< b < / 时，0 < V < 1； 当 b = / 时，V = 0。
V
1
0
2 b
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19
1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性 当光源是扩展光源时，光场平面上具有空间相干性 的各点的范围与光源的大小成反比。
x
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14
1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性 宽度为 b 的扩展光源在 P 点产生的光强度为
I
b/2
－b/22I0
1cos2π(x)dx
=2I0b2I0 πsinπbcos2π
(140)
第一项与 P 点的位置无关，表示干涉场的平均强度，
第二项表示干涉场光强度周期性地随 变化。
--
15
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5
1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性
干涉场中的总光强分布为各条纹强度的总和，其暗 条纹的强度不再为零，因此可见度下降。当扩展光 源大到一定程度时，条纹可见度可能下降为零。
V IM Im (8) IM Im
--
6
1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性
假设是以 S 为中心的扩展光源 SS，则可将其想象 为由许多无穷小的元光源组成，整个扩展光源所产 生的光强度便是这些元光源所产生的光强度之和。
在杨氏干涉实验中，如果采用点光源，则通过于涉 系统将产生清晰的干涉条纹，V = l。如果采用扩展 光源，其干涉条纹可见度将下降。
S1
r1
P
Sd
点 光 源
单 缝
S2
双 缝
r2
D
o
屏
--
干
光I
涉
强
条
分
纹
布
4
1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性
对于每个点光源都将通过干涉系统在干涉场中产生 各自的一组干涉条纹，由于各个点光源位置不同， 它们所产生的干涉条纹之间有位移。
1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性 根据(140)式，可求得条纹可见度为
V πbsinπb (141)
I 2 I0 b 2 I0π s inπ b c o s2 π (1 4 0 )
V IM Im (8) IM Im
--
17
1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性
V πbsinπb (141)
E
8
1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性
d Is2I0d x(1co s2 π) (1 3 7)
I0dx 是元光源通过 S1 或 S2 在干涉场上所产生的光
强度； 是元光源发出的光波经 S1 和 S2 到达 P 点
的光程差。
I I1 I2 2I1 I2c o sc o s= I1 I2 + 2 I1 2 (3 )
--
1
3.5.1 光的相干性 (Coherence of light)
在前面讨论光的干涉实验时，引入了表征干涉程度 的参量—条纹可见度 V。
VIMIm IMIm
（8）
(1)当V=1时，条纹最清晰，表示光束完全相干； (2)当V=0时，无干涉条纹，表示光束完全不相干；
(3)当0<V<1时，条纹清晰度分于上面两种情况之 间，表示光束部分相干。
由图中几何关系可以得到如下近似结果：
CS2
CS1
d
xRd2d
xd R
x
S
d x
C
x
S
S
S1RS2Fra bibliotek(b )
--
P P0
E
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1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性
CS2
CS1
dxRd2d
xd R
x
式中， = d / R 是 Sl 和 S2 对 S 的张角。
S
S1
S
S
Od
P0
R
S2
E
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2
3.5.1 光的相干性 (Coherence of light) 影响条纹可见度的最主要因素是用于干涉实验的光 源特性；光源的大小和复色性。
1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性 2.光源非单色性对条纹可见度的影响—光的时间相干性
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3
1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性
通常称
bC
为光源的临界宽度。
(142)
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1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性
因此
x
S
d x C x S
S
S1
R
S2
(b )
P P0
E
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1.光源大小对条纹可见度的影响—光的空间相干性 所以，(138)式可写为
d I2 I0 d x 1 c o s2 π(x) (1 3 9 )
dI2I0dx(1cos2 π) (138 )