光源 光的相干性
光的相干性
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。
论述光的空间相干性和时间相干性
1 概述 2 空间相干性 3 时间相干性 4 总结
概述
光的干涉：干涉现象是波动独有的特征，光也是波， 就必然会观察到光的干涉现象。两列或几列光波在空间相 遇时相互叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始 终削弱，形成稳定的强弱分布的现象。
光的相干性：两束光在某一点相遇产生干涉的条件是： 频率相同、振动方向相同、位相差恒定。简单地可以分为 相干光和非相干光。
时间相干性
下面介绍光的相干时间的两个度量：相干长度和相干
时间。
相干长度：
Lc
ct
c
2
相干时间： c
Lc c
c
c
1
或
c
2 c
2 c
由以上两式可以得出相干性反比公式： 1
时间相干性
由时间相干性的反比公式可以得出：当Δν越小 （即光源单色性越好）时，则相干时间越大，继而相 干长度越大。
空间相干性
杨氏双缝干涉实验装置
x
z y
空间相干性
双缝间距为d，两个屏间距为r，光波的波长为 λ，光源在x方向上的线度为Δx。有下式满足时， 可以出现干涉现象：d<rλ/ Δx。
如果光源在y方向上的线度为Δy，则光源的发 光面积为ΔA= Δx×Δy。在光场中与光源相距r处 的空间有一块垂直于光传播方向的面积
综上可知，发光持续时间τ，可以作为能否产生 干涉现象的一个界定量，称之为相干时间。
相应地，波列长度LC(即两列相干波到达观察点的 最大光程差)，称为相干长度。
τ或LC越大，时间相干性越好，反之就越差。
结语
通过以上关于光的空间相干性和时间性的一些介绍，我们现 在简单地进行一下归纳总结，分别从以下几个方面讨论一下光的 空间相干性和时间相干性的区别。
北大物理实验报告： 光源的时间相干性
北京大学物理实验报告光源的时间相干性§1 目的要求1. 观测几种光源的相关长度，加深对光源时间相干性的理解。
2. 测定汞黄双线的波长差∆λ。
3. 测定汞黄线的线性与线宽δλ，定量认识谱线的线型，线宽δλ和双线波长差∆λ对干涉图各有什么影响。
§2 仪器用具M–干涉仪，He–Ne激光器，汞灯，白炽灯，小孔光阑，扩束透镜，黄干涉滤片（透过光谱宽度12nm，中心波长为578.0nm），橙色玻璃。
§3 实验原理光源的相干性可用谱线宽度∆λ和最大光程差∆L max来表示，也可用相干长度和相干时间来表示。
通过M–干涉仪产生干涉条纹时，干涉条纹的反衬度（可见度）定义为γ= I max −I minI max + I min式中：I max和I min为干涉条纹相邻强度的最大值和最小值。
当光程相等时，可见度最大，缓慢移动M1镜，则可以改变光程差，条纹的可见度也随之变化。
当条纹彻底消失时，可见度为零，由此确定最大光程差∆L max。
时间相干性的来源：原子的发光是断续的，无规则的，发出的波列也是有限的，非单色的。
对于确定的谱线，就有一定的谱线宽度δλ，以及两波列发生干涉的最大光程差∆L max。
光源的时间相干性问题：（1）理想单色光：波列为无线长，若两束相干光光强相等，即使光程差连续改变，可见度仍为1。
事实上并不存在这种理想单色光。
（2）准单色光：设某一准单色光中心波长为λ0，谱线宽度为δλ。
该准单色光视为有波长(λ0 −δλ/2)到(λ0 + δλ/2)之间，连续变化的光波组成。
每一个波长产生相应的干涉条纹，彼此是不相干的，总强度为不同波长产生干涉条纹的叠加。
当波长为(λ0 −δλ/2)的（k+1）10 0 级波长和波长为(λ0 + δλ/2的第k 级波长正好重合时，条纹的可见度为零。
此时对应的光程差∆L max 叫相干长度。
即下式：可得： ∆L ≤ ∆L max = (k + 1)(λ0 − k = λ0 δλδλ δλ ) =k (λ0+ ) 2 2λ2∆L max = δλ 由上式便可以求出光源的时间相干性：t = ∆L max c λ2 = c δλ（3）双线结构的光：光源发出的光含有波长λ1和λ2，且λ1 −λ2 ≪λ1。
光源的相干性一
二、空间相干性
3 综合空间相干性 为了综合描述纵向空间相干性和横向空间相干性，将相
干长度和相干面积的乘积定义为一个新的物理量—相干
体积。
V =LA
c c
c
3 c c 2 c ( ) ( )2 2 ( ) 2
c
物理意义：如果要求传播方向上 角之内并具有频带宽
Δθ
二、空间相干性
2 横向空间相干性 在杨氏双缝干涉实验中，宽度为Δx 的光源（A）照 射两对称小孔 S1 、 S2 后，光波场具有明显相干
性的条件为：
x
该式称为空间相干性反比公式，即光源的线度与相
干孔径角的乘积为常数。
二、空间相干性
2 横向空间相干性 得出
2 Ac (x) ( )
根据相干时间tc的定义：在光传播方向上，两个光 波场之间能够相遇的最大时间间隔也就是每列光波 经过P点的持续时间。
P t
一、时间相干性
P ∆t t
P
t ∆t
P
t
∆t
∆t>t，两列光波在传播方向上没有交叠区域； ∆t=t，两列光波在传播方向上首尾相连；
∆t<t，两列光波在传播方向上有交叠区域；
相干时间tc=每列光波经过P点的持续时间
1 纵向空间相干性 根据光谱学中光源单色性参数R的定义：
R
0
1 tc 0
0
得到
R
0
Lc
该式进一步说明了相干时间 t c 和相干长度 Lc 是反映光源单色性物理量。
二、空间相干性
2 横向空间相干性 定义：在与光传播方向垂直的平面上，任意两个 不同点 S1 、 S2 处光波可具有相干性的最大面积， 常用相干面积Ac来进行描述。
光的相干性与相干长度 → 电磁波的相干性与相干长度
光的相干性与相干长度→ 电磁波的相干
性与相干长度
光的相干性与相干长度
介绍
光的相干性是指光的波峰和波谷之间的关系，在一定时间范围内是否呈现出一定的规律性。
相干长度是指在这一时间范围内，光保持相干性所能传播的最远距离。
光的相干性
光的相干性与波的相位一致性有关。
当两个光波的相位相对稳定且一致时，它们是相干的。
相干性可以通过干涉实验来检测，如杨氏双缝干涉实验和迈克尔逊干涉仪。
相干长度
相干长度是指在光传播过程中，保持相干性所能传播的最远距离。
相干长度与光的频率有关，频率越高，相干长度越短。
影响相干性和相干长度的因素
1. 光源的相位稳定性：如果光源的相位不稳定，光的相干性会降低。
2. 光波的频率：频率越高，相干长度越短。
3. 光波的波长：波长越长，相干长度越长。
4. 光的传播介质：光在不同介质中传播时，相干性和相干长度会发生变化。
应用
1. 光学干涉：光的相干性使得光波可以干涉并形成干涉条纹，用于测量物体的形状、厚度等参数。
2. 光学相干层析成像：利用光的相干性，可以通过透明物体的光的干涉来实现高分辨率成像。
3. 光学通信：光的相干性保证了光信号在传输过程中的稳定性和可靠性。
结论
光的相干性和相干长度是光学中重要的概念。
了解光的相干性和相干长度有助于深入理解光的特性，并在各种应用中发挥作用。
大学物理光源、光的相干性、杨氏双缝
⼤学物理光源、光的相⼲性、杨⽒双缝第三篇波动光学基础第5章光的⼲涉第6章光的衍射第7章光的偏振第5章光的⼲涉光学------研究光的现象；光的本性；光与物质相互作⽤。
⼏何光学：以光的直线传播规律为基础，研究各种光学仪器的理论。
波动光学：以光的电磁波本性为基础，研究传播规律，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。
§5-1 光源光的相⼲性⼀、光源普通光源：⾃发辐射激光光源：受激辐射1、普通光源的发光机理：例如：普通灯泡发的光；⽕焰；电弧；太阳光等等。
光源的最基本的发光单元是分⼦、原⼦！)/hE 1E 2⾃发辐射跃迁波列波列长 L = τ c发光时间τ≈10-8s原⼦发光是间隙式的。
各个原⼦的发光是完全独⽴的，互不相关：它们何时发光完全是不确定的；发光频率、光的振动⽅向、光波的初相位以及光波的传播⽅向等都可能不同。
因此,不同原⼦发的光不可能产⽣⼲涉现象！多原⼦不同步地发出许多相互独⽴的波列。
2、光的颜⾊和光谱可见光：3900 ? —— 7600 ?包含各种波长成分 3、光强光是电磁波：实验表明，能引起眼睛视觉和照相底⽚感光作⽤的是光波中的电场 E 光⽮量：E光振动：E随时间周期性的变化光的波动⽅程002cos E E t x πω?λ?=+-E →光⽮量Hv独⽴（不同原⼦发的光）独⽴（同⼀原⼦先后发的光）能流密度：S E H =?002cos E E t x πω?λ?=+-光强 20I E ∝⼆、光的相⼲性1、光的相⼲性光的相⼲条件：频率相同，光振动⽅向相同，相位差恒定两光源发出的光传播到 P 点，在 P 点所引起的光振动⽅程分别为=+-2202022c o s E E t r πω?λ?=+-P 点合成光振动()00cos E E t ω?=+P 点合成光⽮量的振幅2220102010202c o s E E E E E ?=++? ()()2010212r r πλ=---P 点光强12I I I ?=++? （1）⾮相⼲叠加相位差 ?? 不恒定 12I I I =+ （2）相⼲叠加相位差 ??恒定12I I I ?=++?S 2S 1r 1r 2pP 点的光强不随时间变化，不同位置 ?? 不同，光强 I 不同光强稳定分布的图样⼲涉相长： 2k ?π?=± （0,1,2,k = ）→明纹中⼼⼲涉相消： ()21k ?π?=±+ （0,1,2,k = ）→暗纹中⼼ 2、获得相⼲光的⽅法：“将光源上同⼀原⼦同⼀次发的光分成两部分，再使它们叠加”分波阵⾯法：杨⽒双缝⼲涉，菲涅⽿双⾯镜，洛埃镜分振幅法：薄膜⼲涉§5-2 杨⽒双缝⼲涉⼀、杨⽒双缝⼲涉实验英国科学家 Thomas Young(1773-1829)~10, ~d m D m -）波程差： 21sin r r d δθ=-≈（ D d ，θ很⼩）任⼀点P 的位置：tan sin x D D θθ=≈1、条纹位置：两条光线的相位差为()()0201212r r πλ?=---()2122r r ππδλλ=--=-ss 1 s 2细线光源单⾊⼲涉相长和⼲涉相消的条件为2k ?π?=± （0,1,2,k = ⼲涉相长(21)k ?π?=±- （1,2,k = ）⼲涉相消⽤波程差δ表⽰为sin 22d k λδθ==± （0,1,2,k = 光强最⼤（亮）()212d k λδ==±- （1,2,k = ）光强最⼩（暗）θδ=其它值介于亮暗之间线位置 t a nθθδ=≈= （1）明纹中⼼Dx k d λ=± （0,1,2,k = ）光强最⼤→明纹中⼼位置0k =，00x = ，0δ= ? 0级中央明纹（ 0??= ）1k =，1D x d λ±=±，δλ=± ? 1±级明纹 2k =，22D x dλ±=±，2δλ=± ? 2±级明纹可以看出：x 越⼤，波程差越⼤，⼲涉条纹的级次也越⼤。
大学物理干涉
•
E2
= (E2-E1) / h
•
E1
完全一样（传播方向，频率， 相位，振动方向）
二、光的相干性
I EH
( 对时间平均 )
现
E
H
，B
n c
E
，光频 B
0
H
，得
I
n
c 0
E2
nc 0
E2
1、两列光波的叠加
两束光叠加，相干和不相干
E1(P, t) ，E2 (P, t) 。 在交叠区域 E E1 E2
(2k 1) , 2
x( 2k 1)
(2k 1) D
2d
条纹间距：
x
D d
二 、双缝干涉光强公式
I I1 I2 2 I1I2 cos
设 I1 = I2 = I0，则光强为
I
4I0
cos2
2
I
光强曲线
4I0
d s in
2π
k dsin
-4 -2 0 -2 -1 0
x2 x1 0
暗纹： (2k+1)/2
（半整数级）
（4）x ，白光入射时，0级明纹中心为白色
（可用来定0级位置），其余级明纹构成彩带，
第2级开始出现重叠（书p.6 例 22.1）
四、干涉问题分析的要点 （1）确定发生干涉的光束； （2）计算波程差（光程差）； （3）明确条纹特点：
形状、 位置、级次分布、条纹移动等； （4）求出光强公式、画出光强曲线。
长时间内 E1E2 = 0 。 频率不同的两光不能干涉。
• 设同频率
A1 ( P )
E1(P, t) A1 cos[ t 1(P)]
E2 (P, t) A2 cos[ t 2 (P)]
12.1 光源 光的相干性
I=0
I
4I 1 两相干光束 2I 1 两非相干光束 I1
一个光源
− 5π
− 3π
−π
O π
3π
5π
Δϕ
频率相同， 相干条件： 振动方向相同， 相位差恒定。
普通光源获得相干光的途径（方法）
p
分波阵面法
S*
S *
·
p
分振幅法
薄膜
I0
I0 2
Δλ
O
λ−
Δλ
2
λ λ+
Δλ
2
光强 光波中参与与物质相互作用（感光作用、视觉效应 ）的是 E 矢量，称为光矢量。 E 矢量的振动代表光振动。 光强：在光学中，通常把平均能流密度称为光强， 用 I 表示。
I ∝ E 02
在波动光学中，主要讨论的是相对光强，因此在 同一介质中直接把光强定义为：
12.1 光源 光的相干性
一、光源
发射光波的物体称为光源。 激光光源 光源的最基本发光单元是分子、原子。 普通光源
普通光源：自发辐射
能级跃迁辐射 E2 波列
ν = (E2-E1)/h
E1 波列长 L = τ c τ是波列持续时间。
· ·
独立
（不同原子同一时刻发的光）
独立（同一原子不同时刻发的光）
激光光源：受激辐射
2 I = E0
二、光的相干性 两频率相同，光矢量方向相同的 光源在p点相遇
v r1
S1 S2
v E1
v E2
p
E = E + E + 2 E10 E 20 cos Δϕ
2 2 10 2 20
I = I1 + I 2 + 2 I1 I 2 cos Δϕ
光源相干的三个条件
光源相干的三个条件
光源的相干性是指光波之间存在一定的相位关系，这种相位关系决定了光波的干涉、衍射和干涉等现象。
以下是光源相干的三个条件：
1、波长相近：要实现光源的相干性，光波的波长应该相近，即具有相似的频率。
如果两个或多个光波的波长差异较大，它们的相位关系将会迅速变化，导致无法形成明显的干涉或衍射效果。
2、光源发出的光是单色的：单色光指的是波长非常窄的光波，即只包含一个特定波长的光波。
例如，激光器产生的光就是单色光。
单色光可以确保光波之间的相位关系保持稳定，从而实现相干性。
3、光源是空间相干的：空间相干性指的是光波在传播过程中保持一定的相位关系。
为了实现空间相干性，光源应该是点光源或者是距离较小的小面积光源。
如果光源的尺寸较大，光波会由于不同位置上的相位差而失去相干性。
光的干涉和光的相干性
干涉现象的产生条件
相干光源：由 同一波源发出 的光被分成两 部分，分别经 过不同的路径
后再次相遇
相干长度：在 一定距离内， 光波的相位差 保持不变，形
成干涉现象
光的干涉条件： 两束光波的频 率相同、振动 方向相同、相
位差恒定
干涉现象：在 相遇处形成明 暗相间的条纹， 增强或减弱的 光强分布不均
匀
干涉现象的分类
的变化情况
实验结果：通 过观察干涉图 样，可以验证 光的干涉现象 和相干性，并 测量光波的波 长和相干长度
等参数。
光的干涉和相干性的理论解释
波动理论对干涉现象的解释
波动理论认为光是一种波，具有干涉现象 干涉现象是两束或多束波在空间相遇时，在某些区域波动增强，在另一 些区域波动减弱的现象 干涉现象的产生需要满足一定的条件，如频率相同、相位差恒定等
波动理论能够解释光的干涉现象，为光的相干性提供了理论基础
波动理论对相干性的解释
添加 标题
波动理论的基本概念：波动是能量在空间中传播的形式，具有振幅、频率和相位等特征。
添加 标题
相干性的定义：相干性是指两个或多个波源产生的波在空间某一点相遇时，它们在相位和振幅上相互关联的 程度。
添加 标题
波动理论对相干性的解释：根据波动理论，当两个或多个波源产生的波在空间相遇时，它们会相互叠加，形 成干涉现象。干涉的结果取决于各个波的相位关系，相干性则决定了干涉现象的明显程度。
THANK YOU
汇报人：
干涉现象与相干性的区别
干涉现象：由于光波的叠加而形成的明暗相间的条纹，与相干性无关。 相干性：光波的振动方向、频率和相位的一致性，是产生干涉现象的必要 条件。 区别：干涉现象是光的波动性的表现，而相干性是描述光波的振动状态。
第1节光源、光的单色性和相干性
合光强 I I1 I 2
非相干迭加
同振向、同频率、位相差恒定的两列光波的迭加：
合光强 I I1 I 2 2 I1I 2 cos
2
1
2
(r2
r1 )
r2 r1 ：光程差
2k ， k 0,1,2， I I1 I 2 2 I1I 2 ，干涉加强
(2k 1) ， k 0,1,2， I I1 I 2 2 I1I 2 ，干涉相消
K
r2
L
r2
r1
2
（2k
k 1）
2
k
0,1,2明纹 k 0,1,2暗纹
S
例：用 0.5893m 的钠光灯做双缝干涉实验
屏与双缝的距离 D 500mm 求：（1） d 1.2mm 和 d 10mm 时，相邻两明纹间距
（2）若相邻两明纹的最小分辨距离为 0.065mm ， d 最大是多大？
只有把同一个波列分割为两个波列让这两个波列在空间相遇
才能获得相干光
分割波列的方法（1）分波面法（2）分振幅法
杨氏双缝干涉是分波面法
2
二、 杨氏双缝干涉 S1 S2 处1 2 相干光 相干光源
P
S1 S
S2
2
1
2
(r2
r1 )
=
2
，
r1
xP
2 2k
S1
r2
N1
d 2
r2 r1 k ， k 0,1,2，明纹 d
三、 光的单色性
包含多种频率的光：复色光
具有单一频率的光：单色光，准单色光， 或 ：谱线宽度
m
2
，
，m
，严格单色光
0 ， m
获得单色光的方法：
大学物理学10.1 光源及光的相干性
k
相长
(2k 1) / 2 相消
3. 光的干涉
两频率相同、振动方向相同（或有相同 分量）的光波在p点相遇
E2
E120
E
2 20
2E10 E20
cos
I I1 I2 2 I1I2 cos
由于光波振动频率高，而探测器响应时间远大
于光振动周期，接收到的光强是时间平均值
化学发光 由化学反应而引起的发光过程称为化学发光。 如：物质的燃烧过程
激光光源：激光器按其产生激光的工作 物质的不同 可分为固体、气体、液体、半导体和染料等几 种类型
3、光的颜色和光谱
可见光频率范围：7.7 1014 ~ 3.9 1014 Hz
可见光波长范围：390 ～ 760 nm 可见光颜色对照：
· ·
独立（不同原子发的光）
独立（同一原子先后发的光）
2）激光光源：受激辐射
E2
= (E2-E1) / h
E1
完全一样（传播方向，频率， 位相，振动方向）
普通光源：按照激发方式的不同，普通光源有以下几种：
热辐射：任何物体都向外辐射电磁波，当物体温度偏低时， 辐射的主要是红外线，当温度比较高时，可以发射 出可见光，温度更高时会发射紫外线等，这就是热 能转化为光能的过程。
光学的分类:根据采用的模型的不同，光学一般分为几何
光学和物理光学。
• 几何光学
以光的直线传播和反射、折射定律为基础，研究光学仪 器成象规律。
• 物理光学
以光的波动性和粒子性为基础，研究光现象基本规律。 波动光学——以光的波动性为基础，研究光的传输规律及其
应用的学科。
论述光的空间相干性和时间相干性
空间相干性的应用
01
全息成像
利用空间相干性，可以将三维物 体记录在光敏材料上，通过干涉 和衍射再现出物体的三维图像。
02
光学利用空间相干性，可以测量物体 的表面形貌、光学元件的表面质 量等。
在时间相干性中，光波的相位关系随时间变化。 如果两束光波在时间上有确定的相位关系，则 它们是时间相干的。
在空间相干性中，光波在不同空间位置的相互 关系。如果一束光波在不同空间位置具有确定 的相位关系，则它是空间相干的。
相干性的重要性
01
02
03
04
相干性是光学现象和光学系统 性能的关键因素，对干涉、衍 射、成像等光学过程有重要影
利用空间相干性，可以对光学信 号进行滤波、调制等处理，提高 信号的质量和传输效率。
03 光的空间相干性的实验验 证
双缝干涉实验
实验装置
实验结果
双缝干涉实验装置包括光源、双缝、 屏幕和测量装置。
如果光源发出的光是相干的，则干涉条 纹清晰可见；如果光源发出的光是不相 干的，则干涉条纹模糊不清或消失。
光计算中的相干性
全息计算
全息技术利用光的干涉和衍射原理， 对数据进行编码和解码。全息计算具 有并行处理和分布式存储的优点，适 用于大规模数据计算。
量子光学计算
量子光学计算利用光的量子相干性， 可以实现更高效和更安全的计算。例 如，量子隐形传态利用了光的空间相 干性，实现了信息的传输和加密。
光信息处理中的相干性
类型
光学滤波器有多种类型，包括干 涉滤波器、吸收滤波器、光学带 通滤波器和光学陷波滤波器等。
应用
在光谱分析、激光雷达、光学通 信和生物医学成像等领域有广泛 应用。
第1讲 光源 光的相干性
E1
hf
完全一样(频率,位相,振动方向,传播方向)
第1讲 光源 光的相干性
波动光学
由普通光源获得相干光的方法
分波面法
1p
S*
2
分振幅法
·p
S*
1 2
薄膜
这样获得的两束光初相位及频率都相同
光的独立传播波动光学第1讲光源光的相干性普通光源发出的光是非相干的独立不同原子发的光独立同一原子先后发的光激光光源相干性好hfhfhf完全一样频率位相振动方向传播方向受激辐射自发辐射光源中各原子所发光波列彼此之间没有频率相位间的关联薄膜由普通光源获得相干光的方法波动光学第1讲光源光的相干性这样获得的两束光初相位及频率都相同
几何光学：反射，折射，成像
波动光学
光
波动光学: 干涉，衍射，偏振
学
量子光学: 研究光子与物质的相互作用
光具有波粒二象性
波动光学
第1讲 光源 光的相干性
第1讲 光源 光的相干性
一、光源及发光机制 二、光的单色性 三、光的相干性
波动光学
第1讲 光源 光的相干性
波动光学
一、光源及发光机制： 两大类光源： 普通光源 发光机制： 自发辐射
激光光源 受激辐射
普通光源发光： 自发辐射跃迁
E2 发光时间t 10-8s
波列
E2
Laser
hf hf
E1
hf
E1
波列长L =ct
原子发出的是一段频率一定、振动方向一定、有限长的波列
第1讲 光源 光的相干性
波动光学
二、光的单色性：
可见光的波长范围： 760nm—400nm Δλ越小—单色性越好
发生干涉的必要条件： 振动方向相同+频率相同+相位差恒定 还要满足：空间相干性 + 时间相干性
光源、光的相干性
0 cos(2 1)dt 0
故有 此即非相干叠加
I=I1+I2
8
3.相干光的获得： ①原则：将同一光源同一点发出的光波列，即某个原子某次 发出的光波列分成两束，使其经历不同的路径之后相遇叠加。 ②方法：分波面—杨氏劈尖干涉，牛顿环）。
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➢ 普通热光源：两个独立的光源，或同一光源的不同部分发 出的光，不满足相干条件。
➢ 单色光源：两个独立的单色光源，或同一单色光源的不同 部分发出的光，也不满足相干条件。
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理由如下：
设两束单色光在空间某一点的光矢量分别为E1和E2，即
E1 E10 cos(t 1)
1
2
r1
10
E2 E20 cos(t 2 )
•光振动指的是电场强度随时间周期性地变化。
E
E0
cos[(2 t
2
r
)
0 ]
•光的强度(即平均能流密度) I∝E02
5
三、光的相干性
1、波的相干性
非相干叠加：
I=I1+I2（如两手电光柱叠加）
相干叠加：
I=I1+I2+2 I 1I2 cos
( A A12 A22 2A1A2 cos )
2、光的相干性
一、光源
凡能发光的物体称为光源。 1、按发光的激发方式光源可分为
热光源－利用内能发光，如白炽灯、碳火、太阳等。 冷光源－利用化学能、电能、光能发光，如萤火、磷火、 辉光等。 作为光学光源的是热光源。
2、发光机制
热光源的发光过程是原子的外层电子进行能级跃迁的过程。
① 对单个原子 一个外层电子跃迁一次，就发出频率一定，振动位相一
1
I1I2 0
相干光所具备的条件
相干光所具备的条件
1.光源要具有相干性：即光源发出的光波要具有相同的频率、波长和相位，这样才能形成相干光束。
2. 光束要保持相干：在光束传输过程中，要尽量避免散射、吸收、干扰等因素对光束的影响，以保持光束的相干性。
3. 光路要稳定：光路的稳定性对于保持光束相干性至关重要，必须确保光路中的光学元件位置和角度不变，以保证光束传输的稳定性。
4. 光学元件要优良：光学元件的质量对于保持光束相干性也非常重要，需要选择高质量的光学元件，并保持其表面的平整度和光洁度。
以上条件都是相干光所必须具备的，只有满足这些条件，才能获得高质量的相干光束，以进行各种应用。
- 1 -。
部分相干光源的空间相干性测量与分析
部分相干光源的空间相干性测量与分析部分相干光源，它与激光一样具有良好的方向性，高的亮度，但是从总体来说几乎是空间完全非相干的。
这样的光源具有独特的优点，没有散斑噪声，具有非常好的传输特性，能有效的克服大气湍流带来的光强扰动的影响，广泛的用于成像、照明、指示和大气通讯等领域。
1 实验原理部分相干光的最主要的特征在于空间上的部分相干性，即光屏上两个点之间距离越大，相干性越小。
如对于部分相干的Collet-Wolf 光源，相干性g(ρ) 与两点间距离ρ之间满足：易看出标准差σg 就是它的相干性衰减的一个尺度，超过这个尺度相干性迅速衰减。
对于其他的部分相干光，迅速衰减的特性与之类似。
图 1部分相干光源在迈克尔逊干涉仪中，一束入射光分为两束，经反射后进行干涉。
通过调节两束干涉光的光程和反射时的倾角来得到不同的干涉图样。
本实验在它的基础上作了如图1所示的修改：图 2 部分相干光相干性测量光路1. 将单纯的激光光源换为由激光和旋转毛玻璃组合成的部分相干光源。
2. 为了观察到其部分相干的特性，利用柱透镜对分束后的某一束光进行了竖直方向的反转。
2 实验内容2.1 实验仪器图2中每个元件具体参数如下：•激光器为波长为532nm 的半导体激光器•L1 为焦距为15mm 的凸透镜•L2 为焦距为50mm 的凸透镜•G 为毛玻璃及其步进电机•F 为直径可调的光阑•M1 和M2 为平面镜•CL1 为焦距为2cm 的水平放置的柱透镜2.2 实验操作调整各光学元件，使其共轴，光轴平行于光学平台。
调整最下方的平面镜的位置及倾角，使CCD 图像上的条纹最粗，这时两个分光路等光程且两平面镜互相垂直。
再调节该平面镜，使两平面镜在水平或竖直方向存在一定的夹角，以获得不同间距的竖直、水平或倾斜的条纹。
加上旋转的毛玻璃，观察实验现象上的差别。
图 3 平行入射时相位差为0和π的模拟结果图 4倾斜入射时的模拟和实验结果3 数据处理及其分析3.1 不同情况下的条纹对比度特性没有加毛玻璃时，如图5所示，是普通的迈克尔逊干涉图样。
杨氏干涉实验
P
n1
i
D
n2
n3
A
C
B
e
0 2e n2 n1 sin i
2 2 2
（2）附加光程差δ′
• 当n1 < n2 < n3或（n1 > n2 > n3 ）时， 称
反射条件相同。
0
• 当n1 > n2 < n3 或 （n1 < n2 > n3 ）时，称
反射条件不同。
2
c
b
a
F
三、分波阵面干涉
将点光源发出的波阵面分割成两部分，使它 们分别通过某些光学装置，经反射、折射或衍射后 再在一定的区域里叠加而产生干涉，这种方法称为 分波阵面法。
用分波阵面法产生的光干涉，称为分波阵面干涉。 1、杨氏双缝实验 干涉条纹为一条列等间距的平行直条纹。
杨氏干涉实验：
S*
S1 * S2 *
2
k 0,1,2 明纹 k （2k 1) k 0,1,2 暗纹 2
式中： λ 为光在真空中的波长。
4、理想透镜不会产生附加光程差 在干涉和衍射装置中，经常要用到薄透镜， 可以证明，两束光线经过理想透镜时，不会产生 附加光程差。
A B C
1、波长与媒质的关系
/ n
式中： 光在媒质中的波长，n为媒质的折射率， 为光在真空中的波长。
2、光程
L nl
式中：n为媒质折射率，l 为光波在该媒质中所经 历的几何路程。
若光波先后通过几种媒质，则
L ni li
光程的物理意义：
光在介质中传播的路程l ，折算成光在相同 时间内在真空中传播的路程 n l。 3、光程差与相位差的关系 两束相干光的光程之差，称为光程差。 L2 L1 两相干光的相位差为 干涉条件：
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1
一、光源 1.普通光源的发光机理 凡能发光的物体称为光源。 按发光的激发方式光源可分为： 热光源—由热能激发，如白炽灯、碳火、太阳等。 冷光源—由化学能、电能或光能激发，如萤火、磷 火、日光灯等。
第13章 光的干涉
13–1 光源 光的相干性
2
2.光的颜色和光谱 光的颜色与频率、波长对照表
第13章 光的干涉
13–1 光源 光的相干性
3
3、光强
光学中常把电场强度E代表光振动，并把E矢量 称为光矢量。
光振动指的是电场强度随时间周期性地变化
E E0 cos[(2t
2
r ) 0 ]
I∝E02
光的强度(即平均能流密度)
第13章 光的干涉
13–1 光源 光的相干性
4
二、光的相干性
E E E 2E10 E20 cos
2 2 10 2 20
1 2 P
I I1 I 2 2 I 1I 2 cos
在观察时间τ内，人所感觉到的为光强I，
I
1
0
( I1 I 2 2 I1 I 2 cos )dt
I1 I 2 2 I1 I 2
光色 波长范围(Å) 频率范围(Hz)
红 橙 黄 绿 青 蓝 紫
7 6 5 5 4 4 4
600～6 220～5 970～5 770～4 920～4 500～4 350～3
220 970 770 920 500 350 900
3.9× 1014～4.7× 1014 4.7× 1014～5.0× 1014 5.0× 1014～5.5× 1014 5.5× 1014～6.3× 1014 6.3× 1014～6.7× 1014 6.7× 1014～6.9× 1014 6.9× 1014～7.7× 1014
第13章 光的干涉
1
0
cos dt
13–1 光源 光的相干性
5
讨论 2.相干叠加
1.非相干叠加
I I1 I 2
I I1 I 2 2 I 1I 2 cos
2
若I1＝I2， I 2 I1 (1 cos ) 4 I1 cos 2 2k 干涉相长 I max 4I1
(2k 1) 干涉相消
I min 0
第13章 光的干涉
13–1 光源 光的相干性
6
相干光的产生
波阵面分割法
振幅分割法s1光源Fra bibliotek*s2
第13章 光的干涉
13–1 光源 光的相干性
7
单色激光光源不同原子所发的光具有相干性
激光束干涉实验
第13章 光的干涉