波动光学讲课ppt课件
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大学物理波动光学一PPT课件
超快光谱技术
介绍超快光谱技术的原理、方法及应 用，如泵浦-探测技术、时间分辨光谱 技术等。
超短脉冲激光技术
详细介绍超短脉冲激光技术的原理、 实现方法及应用领域，如飞秒激光技 术、阿秒激光技术等。
未来光学技术挑战和机遇
光学技术的挑战
阐述当前光学技术面临 的挑战，如光学器件的 微型化、集成化、高性 能化等。
大学物理波动光学一 PPT课件
目录
• 波动光学基本概念与原理 • 干涉原理及应用 • 衍射原理及应用 • 偏振现象与物质性质研究 • 现代光学技术进展与挑战
01
波动光学基本概念与原理
光波性质及描述方法
光波是一种电磁波，具有波动性 质，可以用振幅、频率、波长等
物理量来描述。
光波在真空中的传播速度最快， 且在不同介质中传播速度不同。
01
02
03
04
摄影
利用偏振滤镜消除反射光和散 射光，提高照片清晰度和色彩
饱和度。
液晶显示
利用液晶分子的旋光性控制偏 振光的透射和反射，实现图像
显示。
光学仪器
如偏振光显微镜、偏振光谱仪 等，利用偏振光的特性进行物
质分析和检测。
其他领域
如生物医学、材料科学、环境 科学等，利用偏振光的特性进
行研究和应用。
01
牛顿环实验装置与步骤
介绍牛顿环实验的基本装置和操作步骤，包括凸透镜、平面镜、光源等
。
02
牛顿环测量光学表面反射相移
阐述如何通过牛顿环实验测量光学表面反射相移的原理和方法。
03
等厚干涉原理及应用
探讨等厚干涉的基本原理，以及其在光学测量和光学器件设计中的应用
。
多光束干涉及其应用
波动光学光的偏振课件
详细描述
双折射是指光线在某些特定物质中传播时，由于电磁波的振动方向不同而产生不同的折射现象。实验 中，学生可以使用不同的晶体材料，如方解石、石英等，观察到光的双折射现象，并了解双折射的原 理。
光的偏振态实验
总结词
通过测量偏振光的光强分布，理解偏 振光的性质。
详细描述
实验中，学生可以使用偏振片和检偏 器来测量偏振光的光强分布。通过旋 转检偏器，学生可以观察到光强的变 化，从而理解偏振光的不同状态和性 质。
研究光的偏振状态和偏振光学元件的 应用，用于改善光学系统的成像质量 、提高光学信号的传输效率等。
衍射光学
利用光的衍射现象来设计光学元件和 系统，实现光束的聚焦、分束、成像 等功能，是现代光学和光电子技术的 重要基础。
波动光学的发展
波动光学的发展与光学技术和应用密 切相关，随着光学材料、光学仪器和 光电子技术的不断进步，波动光学的 研究和应用领域也在不断拓展。
除了实验测量外，还可以使用计算机模拟和数学模型来预测和解释光的 偏振行为。这些方法可以帮助我们更好地理解光的波动性质和光学现象 。
04
偏振光干涉
干涉现象
01
02
03
干涉现象
当两束或多束相干光波在 空间某一点叠加时，光波 的振幅会发生变化，产生 明暗相间的干涉条纹。
干涉条件
相干光波、有相同的频率 、有恒定的相位差。
偏振光可以反映物质的电磁性质和光学性质，有助于深入理解光 与物质相互作用的机制。
提高光学仪器性能
利用偏振光可以优化光学仪器的性能，提高成像质量和使用效果。
推动科技发展
偏振光在光学通信、生物医学、物理实验等领域具有广泛的应用前 景，对推动相关领域的发展具有重要意义。
双折射是指光线在某些特定物质中传播时，由于电磁波的振动方向不同而产生不同的折射现象。实验 中，学生可以使用不同的晶体材料，如方解石、石英等，观察到光的双折射现象，并了解双折射的原 理。
光的偏振态实验
总结词
通过测量偏振光的光强分布，理解偏 振光的性质。
详细描述
实验中，学生可以使用偏振片和检偏 器来测量偏振光的光强分布。通过旋 转检偏器，学生可以观察到光强的变 化，从而理解偏振光的不同状态和性 质。
研究光的偏振状态和偏振光学元件的 应用，用于改善光学系统的成像质量 、提高光学信号的传输效率等。
衍射光学
利用光的衍射现象来设计光学元件和 系统，实现光束的聚焦、分束、成像 等功能，是现代光学和光电子技术的 重要基础。
波动光学的发展
波动光学的发展与光学技术和应用密 切相关，随着光学材料、光学仪器和 光电子技术的不断进步，波动光学的 研究和应用领域也在不断拓展。
除了实验测量外，还可以使用计算机模拟和数学模型来预测和解释光的 偏振行为。这些方法可以帮助我们更好地理解光的波动性质和光学现象 。
04
偏振光干涉
干涉现象
01
02
03
干涉现象
当两束或多束相干光波在 空间某一点叠加时，光波 的振幅会发生变化，产生 明暗相间的干涉条纹。
干涉条件
相干光波、有相同的频率 、有恒定的相位差。
偏振光可以反映物质的电磁性质和光学性质，有助于深入理解光 与物质相互作用的机制。
提高光学仪器性能
利用偏振光可以优化光学仪器的性能，提高成像质量和使用效果。
推动科技发展
偏振光在光学通信、生物医学、物理实验等领域具有广泛的应用前 景，对推动相关领域的发展具有重要意义。
大学物理波动光学课件
麦克斯韦电磁理论：19 世纪中叶，英国物理学 家麦克斯韦建立了电磁 理论，揭示了光是一种 电磁波，为波动光学提 供了更加深入的理论根 据。
在这些重要人物和理论 的推动下，波动光学逐 渐发展成为物理学的一 个重要分支，并在现代 光学、光电子学等领域 中发挥了重要作用。
02 光的干涉
干涉的定义与分类
定义 分类 分波前干涉 分振幅干涉
干涉是指两个或多个相干光波在空间某一点叠加产生加强或减 弱的现象。
根据光源的性质，干涉可分为两类，分别是ห้องสมุดไป่ตู้波前干涉和分振 幅干涉。
波前上不同部位发出的子波在空间某点相遇叠加产生的干涉。 如杨氏双缝干涉、洛埃镜、菲涅尔双面镜以及菲涅尔双棱镜等
。
一束光的振幅分成两部分（或以上）在空间某点相遇时产生的 干涉。例如薄膜干涉、等倾干涉、等厚干涉以及迈克耳孙干涉
波动光学与几何光学的比较
几何光学
几何光学是研究光线在介质中传播的光学分支，它主要关注 光线的方向、成像等，基于光的直线传播和反射、折射定律 。
波动光学与几何光学的区分
波动光学更加关注光的波动性质，如光的干涉、衍射等现象 ，而几何光学则更加关注光线传播的几何特性。两者在研究 对象和方法上存在差异，但彼此相互补充，构成了光学的完 整体系。
VS
马吕斯定律
当一束光线通过两个偏振片时，只有当两 个偏振片的透振方向夹角为特定值时，光 线才能通过。这就是马吕斯定律，它描述 了光线通过偏振片时的透射情况。这两个 定律在光学和物理学中都有着广泛的应用 。
THANKS
感谢观看
分类
根据障碍物的大小和光波波长的相对 关系，衍射可分为菲涅尔衍射和夫琅 禾费衍射。
单缝衍射与双缝衍射
单缝衍射
波动光学讲课课件
结论：
h E2 E1
h
诱发光子
E2
受激辐射光子
h
h
诱发光子
E1
受激辐射过程所发出的光是相干光.
2021/2/20
4. 相干光的获得方法
(1) 分波前法（分波面干涉法） 当从同一个点光源或线光源发出的光波到达某平面时，
由该平面(即波前)上分离出两部分.
(2) 分振幅法（分振幅干涉法） 利用透明薄膜的上下两个表面对入射光进行反射，产生
中央明纹上移
2021/2/20
例: 用折射率 n =1.58 的很薄的云母片覆盖在双缝实验中的一条 缝上，这时屏上的第七级亮条纹移到原来的零级亮条纹的 位置上. 如果入射光波长为 550 nm.
求: 此云母片的厚度.
解: 设云母片厚度为 d. 无云母片时, 零级亮纹在屏上 P 点, 则到 达 P 点的两束光的光程差为零. 加上云母片后, 到达P点的两 光束的光程差为:
如果
I Imin I1 I2 2 I1I2
I1 I2 I0
I 0
2021/2/20
3. 非相干叠加 若 在时间τ内等概率地分布在0 ~ 2π, 则干涉项：
cos 0
I I1 I2
如果
I1 I2 I0
I 2I0
4.相干条件、相干光源
(1)频率相同
相干条件 (2)相位差恒定
x
0.065
2021/2/20
例: 用白光 (400~760nm) 作光源观察杨氏双缝干涉. 设缝间距为d, 缝与屏距离为 D.
求: 能观察到的清晰可见光谱的级次. 解: 在 400 ~ 760 nm 范围内, 明纹条件为:
xd k
D 最先发生重叠的是某一级次的红光和高一级次的紫光
大学物理波动光学PPT课件
例2：例11-2
n3 n2 n1
23
n1
氟化镁 n2
玻璃
d
n3 n2
第11页/共44页
11.2 光的衍射
衍射现象： 只有当波长与障碍物的线度可比拟 时，才能观察到明显的衍射现象。
惠更斯-菲涅尔原理 子波干涉 夫琅和费单缝衍射：光源、单缝、屏幕距离无穷远 缝宽a、波长λ、焦距f、衍射角φ
S
L1 R
入射光之间附加了半个波长的波程差，称为半波损失。折射光 没有半波损失。
第7页/共44页
光程
真空中: C、 介质中: C' 、 '
同一束光在不同的介质中频率不变。
C C' '
n C C' '
'
n
2 r 2 nr '
即光在介质中传播r的波程与其在真空中
传播nr的波程产生的相位差相同.
l
dl
I I0
ln I l
I0
I I 0 e l
dl
I0
I
c I I0e cl
朗伯-比尔定律
第29页/共44页
令透射比 吸收度 消光系数
T I e cl I0
A logT cl loge
loge
比色计 分光光度计 光谱分析
A cl
第30页/共44页
本章小结
➢ 干涉：杨氏双缝干涉 薄膜干涉、半波损失、光程
I
0
一级光谱
ab
三级光谱 二级光谱
第40页/共44页
sin
光谱分析
由于不同元素（或化合物）各有自己特定的光谱，所以由谱线的成 分，可分析出发光物质所含的元素或化合物；还可从谱线的强度定量分 析出元素的含量．
《波动光学》ppt课件
物理意义
马吕斯定律是定量描述偏振光通过检偏器后透射光强与入射线 偏振光和检偏器透振方向夹角之间关系的定律，是波动光学中 的重要公式之一。
晶体中双折射现象解释
双折射现象
当一束光入射到各向异性的晶体时，会分成两束光沿不同方向折 射的现象。
产生原因
晶体内部原子排列的规律性使得晶体具有各向异性，导致不同方向 上折射率不同。
研究中的应用。
03
非线性波动光学应ห้องสมุดไป่ตู้领域
概述非线性波动光学在光通信、光计算、光信息处理等领域的应用前景。
量子波动光学发展动态
量子波动光学基本概念
阐述光的量子性质及其与波动光学的关系，包括光子、量子态、量子纠缠等。
量子波动光学研究方法
介绍量子光学实验技术、量子信息处理方法等在量子波动光学研究中的应用。
薄膜干涉实验操作
阐述薄膜干涉实验的基 本原理和实验方法，包 括等厚干涉和等倾干涉 的实现方式及条纹特征。
衍射实验数据处理方法分享
衍射实验基本概念
解释衍射现象的产生条件和基本原理，介绍衍射光栅、单 缝衍射等实验方法。
01
衍射光栅数据处理
分享衍射光栅实验的数据处理技巧，包 括光栅常数、波长等参数的测量方法和 误差分析。
03
复杂介质中波动光 学应用领域
概述复杂介质中波动光学在生物 医学成像、环境监测与治理、新 能源等领域的应用前景。
06
实验方法与技巧指 导
基本干涉实验操作规范介绍
干涉实验基本概念
阐述干涉现象的产生条 件和基本原理，解释相 干光波的概念及获得方 法。
双缝干涉实验操作
详细介绍双缝干涉实验 的实验装置、操作步骤 和注意事项，以及双缝 干涉条纹的特点和分析 方法。
马吕斯定律是定量描述偏振光通过检偏器后透射光强与入射线 偏振光和检偏器透振方向夹角之间关系的定律，是波动光学中 的重要公式之一。
晶体中双折射现象解释
双折射现象
当一束光入射到各向异性的晶体时，会分成两束光沿不同方向折 射的现象。
产生原因
晶体内部原子排列的规律性使得晶体具有各向异性，导致不同方向 上折射率不同。
研究中的应用。
03
非线性波动光学应ห้องสมุดไป่ตู้领域
概述非线性波动光学在光通信、光计算、光信息处理等领域的应用前景。
量子波动光学发展动态
量子波动光学基本概念
阐述光的量子性质及其与波动光学的关系，包括光子、量子态、量子纠缠等。
量子波动光学研究方法
介绍量子光学实验技术、量子信息处理方法等在量子波动光学研究中的应用。
薄膜干涉实验操作
阐述薄膜干涉实验的基 本原理和实验方法，包 括等厚干涉和等倾干涉 的实现方式及条纹特征。
衍射实验数据处理方法分享
衍射实验基本概念
解释衍射现象的产生条件和基本原理，介绍衍射光栅、单 缝衍射等实验方法。
01
衍射光栅数据处理
分享衍射光栅实验的数据处理技巧，包 括光栅常数、波长等参数的测量方法和 误差分析。
03
复杂介质中波动光 学应用领域
概述复杂介质中波动光学在生物 医学成像、环境监测与治理、新 能源等领域的应用前景。
06
实验方法与技巧指 导
基本干涉实验操作规范介绍
干涉实验基本概念
阐述干涉现象的产生条 件和基本原理，解释相 干光波的概念及获得方 法。
双缝干涉实验操作
详细介绍双缝干涉实验 的实验装置、操作步骤 和注意事项，以及双缝 干涉条纹的特点和分析 方法。
第6章-波动光学-课件
（2）相邻明条纹间距 b 对应 标准平板玻璃
空气膜厚度差是 ，故间距 a
2
对应空气膜厚度差应是 a 。
2b
图6.15
待检工件
6.5 劈尖 牛顿环
第四章 机械振动
二 牛顿环
由一块平板玻璃和一平凸透镜组成
d
光程差
Δ2d
2
6.5 劈尖 牛顿环
第四章 机械振动
6.5 劈尖 牛顿环
第四章 机械振动
牛顿环实验装置
Δ2nd
2
k, k1,2,明纹
Δ (2k1), k0,1,暗纹
2
n1 n1
第四章 机械振动
n
d
6.5 劈尖 牛顿环
第四章 机械振动
讨论
b
n1 n
L
b
(1)棱边处 d0
n
n /2 D
Δ 为暗纹.
2
n1
(k 1) （明纹）
d 2 2n
Байду номын сангаас
劈尖干涉
k 2n （暗纹）
6.5 劈尖 牛顿环
第四章 机械振动
(2)相邻明纹（暗纹）
b
n1 n 间的厚度差
L
b
n
n /2 D
n1
di1di
n
2n 2
D L
n 2
b
劈尖干涉
6.5 劈尖 牛顿环
第四章 机械振动
b
L
n1 n
n
n /2 D
n1
(3)条纹间距
b 2n
Dn L L
2b 2nb
b
劈尖干涉
6.5 劈尖 牛顿环
(4 )干涉条纹的移动
第四章 机械振动
波动光学ppt课件
D
双缝屏
➢实现双缝干涉的条件：
像屏
d >>λ，D >> d (d 10 -4m, D 100 m)
波程差：
r2
r1
d
sin
d
tg
d
x D
dx
D
(几何路程差)
相位差： 2
(2 1 )
1.明条纹条件 2k
2
明条纹位置
xk
k
D d
(k 0,1,2…)
.10.
k 为条
(k 0,1,2…) 纹级次
的位相， 相当于反射光少走 / 2的光程.
*四、相干长度与相干时间
、
.13.
(一). 光的非单色性
1.理想的单色光
2.准单色光、谱线宽度
• 准单色光：在某个中心波长(频率)附近有一
定波长(频率)范围的光。
I
• 谱线宽度：
I0
• 造成谱线宽度的原因 自然宽度 I0 /2
谱线宽度
Ei+1
·
Ei+1
E2 0
E2 10
E2 20
2E10 E20
cos
E20
E0
E10
I E02
I1 E120
I2
E
2 20
.7.
I I1 I2 2 I1 I2 cos
2
1
2
(r2
r1 )
▲相干加强条件 2k , (k = 0,1,2,3…)
I Imax I1 I2 2 I1I2
▲相干减弱条件 (2k 1) , (k = 0,1,2,3…)
的辐射能量,称为 辐射强度,也称坡印廷矢量: S EH
大学物理波动光学教学课件
偏振的应用与技术
01
光学成像技术
利用偏振现象可以改良光学成像的质量，如通过使用偏振眼镜来消除反
射光的影响，提高观看3D电影的视觉效果等。
02
光纤通讯技术
在光纤通讯中，利用偏振复用技术可以提高传输速率和传输效率，同时
也可以实现更远距离的传输。
03
光学信息处理技术
利用偏振现象可以实现光学信息处理，如光学图像处理、光学模式辨认
实验三：光的偏振实验
实验目的
通过实验视察和分析光的偏振现象，了解光的电磁性质。
实验原理
利用偏振片将自然光转化为偏振光，视察不同角度下偏振光的强度变化。
实验三：光的偏振实验
实验步骤
1. 准备实验器材：自然光源、偏 振片、检测器等。 2. 将自然光源通过偏振片转化为 偏振光。
实验三：光的偏振实验
3. 在检测器上视察不同角度下偏振光 的强度变化。
随着计算机技术和数值计算方法的不断进步，未 来波动光学的研究将会更加深入，有望解决一些 当前难以解决的问题。
未来波动光学将会与量子力学、光子学等领域更 加紧密地结合，有望开辟新的研究领域和应用场 景。
谢谢您的凝听
THANKS
VS
实验结果与分析：通过实验视察到不 同角度下偏振光的强度产生变化，分 析得出这是由于光的电磁性质导致的 。
06
总结与展望
总结
波动光学的基本概念
这部分内容主要介绍了波动光学的定义 、研究内容和研究意义。
波动光学的基本原理和方法
重点讲授了波动光学的基本原理、光 的干涉、衍射和偏振等基本概念，以
及波动光学的基本实验方法。
实验二：光的衍射实验
实验步骤
1. 准备实验器材：单色光源、单缝或圆 孔衍射装置、屏幕等。
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波动光学
光的本性
• 光的电磁理论——波动性：
干涉、衍射、偏振
• 光的量子理论——粒子性：
黑体辐射、光电效应、康普顿效应
▲ 几何光学： 以光的直线传播规律为基础，
研究各种成象光学仪器的理论。
▲ 波动光学： 研究光的电磁性质和传播规律， 特别是干涉、衍射、偏振的理论和应用。
▲ 量子光学： 以光的量子理论为基础， 研究光与 物质相互作用的规律。
波动光学和量子光学，统称为物理光学
光的干涉
1 光的相干性 2 双缝干涉 3 薄膜干涉 4 迈克尔逊干涉仪
光的相干性
一、 光的电磁理论 当光经过物质时, 物质中的电子受到光波中的电
场作用比磁场作用强得多,人们把电场 E 矢量称为光 矢量，E 振动称为光振动.
光的颜色 红 橙 黄
各色光在真空中的波长
I 2I0
4.相干条件、相干光源
(1)频率相同
相干条件 (2)相位差恒定
(3)光矢量振动方向平行
2020/11/26
四、 普通光源发光机制的特点
1. 光源 光波的振源：原子或分子.
(1) 热辐射
两 普通光源 自发辐射 (2) 电致发光
大
(3) 光致发光
类
(4) 化学发光
光
源 激光光源 受激辐射
2020/11/26
2. 普通光源发光的两个特点
(1) 间歇性：
各原子发光是间歇的, 平均发光时间 约为10-8～10-11s，所 发出的是一段长为 L= c的光波列.
(2) 随机性:
每次发光是随机的，所发出各波列的振动方向和振动初 相位都不相同.
波列
··
独立（不同原子发的光）
独立（同一原子先后发的光）
波列长 L = c
我们称 nr为与介质中路程 r相应的光程 L
光程是光的等效真空路程，光在介质中传播的路程r 等效于光在真空中传播的路程nr
r1 r2 ri rn n1 n2 ni nn
光通过多种媒质时
L (niri )
光程差： L2 L1
相位差： 2
典型相位差与光程差：
— 真空中波长
[例]计算图中光通过路程 r1 和 r2 在P点的相差。
S1 n
r1 r2
S2 b
·P 2
r2 b nb r1
2
r2
r1 n 1b
2、介质对干涉条纹的影响
S1
r1
d
r2
S2
P
设无介质时，P为k级明纹
x
O
2
r2
r1
2k
设有介质时，P变为k’级明纹
2
r2 r1 b nb
2
r2
r1
n
1 b
2k
n 1b (k k) k
结论：自发辐射过程所发出的光不是相干光.
2020/11/26
3. 受激辐射和光的放大
1917年，爱因斯坦为了导出普朗克黑体辐射公式，从理 论上预言了原子发生“受激辐射”的可能性.
结论：
h E2 E1
h
诱发光子
E2
受激辐射光子
h
h
诱发光子
E1
受激辐射过程所发出的光是相干光.
2020/11/26
4. 相干光的获得方法
E1 E10cos(t 1)
E2 E20cos(t 2 )
S1
r1
P
r2
S2
E E1 E2 E0 cos(t )
式中： E0 E120 E220 2E10E20 cos(2 1)
光强：
2020/11/26
I
E02
1
0
E02dt
E120
E220
2E10 E20
1
cos dt
n2 1b n1 1b
n1
n2 n1 b
n2
O
由题意 n2 n1 b (5 0)
P
b 5 5 48001010 8106 m 8 m
n2 n1 1.70 1.40
3 . 透镜不会产生附加光程差
Aa Bb Cc
a
F·
A
b
B
c
C
F·
F
A、B、C 或 a、b、c都在同相面上。
I1 I2 I0
I 4I0
(2k 1)π , k 0,1,2,3...
如果
I Imin I1 I2 2 I1I2
I1 I2 I0
I 0
2020/11/26
3. 非相干叠加 若 在时间τ内等概率地分布在0 ~ 2π, 则干涉项：
cos 0
I I1 I2
如果
I1 I2 I0
波长(nm) 光的颜色
760－620 620－600 600－580
绿 蓝－靛
紫
波长(nm) 580－490 490－450 450－400
2020/11/26
沿着 z 方向传播的单色平面电磁波可以表示为：
Ex
E0cos[(t
z) u
]
Hy
H0cos[(t
z) u
]
x
E
O
y
H
u
z
式中：ω 为单色光波的角频率
0
I I1 I2 2
I1
I2
c1oscos dt 0
干涉项
2. 相干叠加 若 恒定，则干涉项： cos cos
(1) 干涉加强
I I1 I2 2 I1 I2 cos 2kπ , k 0,1,2,3...
如果 (2) 干涉减弱
I Imax I1 I2 2 I1I2
u 为单色光波在介质中相位的传播速率
u 1 c
r r
折射率为：
nc u
r
单色光波在介质中传播时波长为: ' u c
n n
2020/11/26
二、光的单色性 单色光——只含单一频率的光 复色光——不同频率单色光的混合：白光
利用分光镜测量光源的光谱
三、 光的相干性 1. 光波的叠加
(1) 分波前法（分波面干涉法） 当从同一个点光源或线光源发出的光波到达某平面时，
由该平面(即波前)上分离出两部分.
(2) 分振幅法（分振幅干涉法） 利用透明薄膜的上下两个表面对入射光进行反射，产生
的两束反射光.
1
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5.光程
在S1后加透明介质薄膜，干涉条纹如何变化？
P
S1
r1
x
d
r2
O
S2
1. 光程 为方便计算光经过不同介质时引起的相差，
引入光程的概念。
真空中： a· b·
r
b
a
2
r
— 真空中波长
介质中：
a· b· n
b
a
2π
r
r 介质 — 介质中波长
uT c T
nn
2 π nr
光在介质中传播路程r和在真空中传播路Δk=-(n-1)b/λ 条纹移动距离Δk·Δx
例 一双缝装置的一个缝为折射率1.40的薄玻璃片遮盖，另一 个缝为折射率1.70的薄玻璃片遮盖，在玻璃片插入以后，屏上 原来的中央极大所在点，现在为第+5级明纹所占据。假定 λ=480nm，且两玻璃片厚度均为b，求b值。
解：两缝分别为薄玻璃片遮盖后，两束相干光到达O点处 的光程差的改变为
光的本性
• 光的电磁理论——波动性：
干涉、衍射、偏振
• 光的量子理论——粒子性：
黑体辐射、光电效应、康普顿效应
▲ 几何光学： 以光的直线传播规律为基础，
研究各种成象光学仪器的理论。
▲ 波动光学： 研究光的电磁性质和传播规律， 特别是干涉、衍射、偏振的理论和应用。
▲ 量子光学： 以光的量子理论为基础， 研究光与 物质相互作用的规律。
波动光学和量子光学，统称为物理光学
光的干涉
1 光的相干性 2 双缝干涉 3 薄膜干涉 4 迈克尔逊干涉仪
光的相干性
一、 光的电磁理论 当光经过物质时, 物质中的电子受到光波中的电
场作用比磁场作用强得多,人们把电场 E 矢量称为光 矢量，E 振动称为光振动.
光的颜色 红 橙 黄
各色光在真空中的波长
I 2I0
4.相干条件、相干光源
(1)频率相同
相干条件 (2)相位差恒定
(3)光矢量振动方向平行
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四、 普通光源发光机制的特点
1. 光源 光波的振源：原子或分子.
(1) 热辐射
两 普通光源 自发辐射 (2) 电致发光
大
(3) 光致发光
类
(4) 化学发光
光
源 激光光源 受激辐射
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2. 普通光源发光的两个特点
(1) 间歇性：
各原子发光是间歇的, 平均发光时间 约为10-8～10-11s，所 发出的是一段长为 L= c的光波列.
(2) 随机性:
每次发光是随机的，所发出各波列的振动方向和振动初 相位都不相同.
波列
··
独立（不同原子发的光）
独立（同一原子先后发的光）
波列长 L = c
我们称 nr为与介质中路程 r相应的光程 L
光程是光的等效真空路程，光在介质中传播的路程r 等效于光在真空中传播的路程nr
r1 r2 ri rn n1 n2 ni nn
光通过多种媒质时
L (niri )
光程差： L2 L1
相位差： 2
典型相位差与光程差：
— 真空中波长
[例]计算图中光通过路程 r1 和 r2 在P点的相差。
S1 n
r1 r2
S2 b
·P 2
r2 b nb r1
2
r2
r1 n 1b
2、介质对干涉条纹的影响
S1
r1
d
r2
S2
P
设无介质时，P为k级明纹
x
O
2
r2
r1
2k
设有介质时，P变为k’级明纹
2
r2 r1 b nb
2
r2
r1
n
1 b
2k
n 1b (k k) k
结论：自发辐射过程所发出的光不是相干光.
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3. 受激辐射和光的放大
1917年，爱因斯坦为了导出普朗克黑体辐射公式，从理 论上预言了原子发生“受激辐射”的可能性.
结论：
h E2 E1
h
诱发光子
E2
受激辐射光子
h
h
诱发光子
E1
受激辐射过程所发出的光是相干光.
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4. 相干光的获得方法
E1 E10cos(t 1)
E2 E20cos(t 2 )
S1
r1
P
r2
S2
E E1 E2 E0 cos(t )
式中： E0 E120 E220 2E10E20 cos(2 1)
光强：
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I
E02
1
0
E02dt
E120
E220
2E10 E20
1
cos dt
n2 1b n1 1b
n1
n2 n1 b
n2
O
由题意 n2 n1 b (5 0)
P
b 5 5 48001010 8106 m 8 m
n2 n1 1.70 1.40
3 . 透镜不会产生附加光程差
Aa Bb Cc
a
F·
A
b
B
c
C
F·
F
A、B、C 或 a、b、c都在同相面上。
I1 I2 I0
I 4I0
(2k 1)π , k 0,1,2,3...
如果
I Imin I1 I2 2 I1I2
I1 I2 I0
I 0
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3. 非相干叠加 若 在时间τ内等概率地分布在0 ~ 2π, 则干涉项：
cos 0
I I1 I2
如果
I1 I2 I0
波长(nm) 光的颜色
760－620 620－600 600－580
绿 蓝－靛
紫
波长(nm) 580－490 490－450 450－400
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沿着 z 方向传播的单色平面电磁波可以表示为：
Ex
E0cos[(t
z) u
]
Hy
H0cos[(t
z) u
]
x
E
O
y
H
u
z
式中：ω 为单色光波的角频率
0
I I1 I2 2
I1
I2
c1oscos dt 0
干涉项
2. 相干叠加 若 恒定，则干涉项： cos cos
(1) 干涉加强
I I1 I2 2 I1 I2 cos 2kπ , k 0,1,2,3...
如果 (2) 干涉减弱
I Imax I1 I2 2 I1I2
u 为单色光波在介质中相位的传播速率
u 1 c
r r
折射率为：
nc u
r
单色光波在介质中传播时波长为: ' u c
n n
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二、光的单色性 单色光——只含单一频率的光 复色光——不同频率单色光的混合：白光
利用分光镜测量光源的光谱
三、 光的相干性 1. 光波的叠加
(1) 分波前法（分波面干涉法） 当从同一个点光源或线光源发出的光波到达某平面时，
由该平面(即波前)上分离出两部分.
(2) 分振幅法（分振幅干涉法） 利用透明薄膜的上下两个表面对入射光进行反射，产生
的两束反射光.
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5.光程
在S1后加透明介质薄膜，干涉条纹如何变化？
P
S1
r1
x
d
r2
O
S2
1. 光程 为方便计算光经过不同介质时引起的相差，
引入光程的概念。
真空中： a· b·
r
b
a
2
r
— 真空中波长
介质中：
a· b· n
b
a
2π
r
r 介质 — 介质中波长
uT c T
nn
2 π nr
光在介质中传播路程r和在真空中传播路Δk=-(n-1)b/λ 条纹移动距离Δk·Δx
例 一双缝装置的一个缝为折射率1.40的薄玻璃片遮盖，另一 个缝为折射率1.70的薄玻璃片遮盖，在玻璃片插入以后，屏上 原来的中央极大所在点，现在为第+5级明纹所占据。假定 λ=480nm，且两玻璃片厚度均为b，求b值。
解：两缝分别为薄玻璃片遮盖后，两束相干光到达O点处 的光程差的改变为