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。
主要内容有光的干涉、衍射、偏振等。
cos dt 0
0
I I1 I2
叠加后光强等与两光束单独照射时的光强之和， 无干涉现象
可见，相干条件之一是两光的“位相差恒定”
（2）相干叠加
满足相干条件的两束光叠加后
I I1 I2 2 I1I2 cos
位相差恒定，有干涉现象
若 I1 I2
I

2I1(1
cos
y1 A1 cos( t 1)
y2 A2 cos(t 2)
在相遇点 P的合振动 yP y1P y2P Acos(t )
(3)合振动强弱空间分布规律
式中 A A12 A22 2 A1A2 cos f (r)
干涉项
满足:
21
2

1
如：太阳、白炽灯、烧红的铁棒等。
电致发光 对光源物质采用电激发，使电能直接转化为光能 ： 的过程称为电致发光。
如：闪电、霓虹灯、发光二极管等的发光。
光致发光 对光源物质采用光激发而引起的发光过程。
如：日光灯（Hg蒸汽被击穿导电后发出紫外线，紫外线 激发管壁上的荧光粉发射可见光）； 夜光表（表针或表盘上的磷光物质被光线照射时吸 收光能后，能够在一段时间内持续发光）。
1900年普朗克提出辐射能量的量子化理论 ，成功地解释了黑体辐射问题。1905年爱因 斯坦提出光量子理论，圆满地解释了光电效 应。爱因斯坦的结论于1923年被康普顿的散 射实验所证实。
爱因斯坦（Einstein ）
光既有波动性，又有粒子性，即具有波粒二象性， 光的波动性与粒子性分别是光的本性的近似描述和 模型。
量子光学——以光的粒子性为基础，研究光与物质相互作用 规律及其应用的学科
§10.1光源及光的相干性
一、光源 1、光源的发光机理 光源的最基本发光单元是分子、原子
能级跃迁辐射 E2
= (E2-E1)/h E1Βιβλιοθήκη 波列波列长L = c
10 8 秒
2、两类光源
• 发光的间隙性
1）普通光源：自发辐射 • 发光的随机性
用 I 表示。
I

E
2 0
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：
I

E
2 0
二、光的相干性
1. 波的叠加原理 — 独立性与叠加性
2. 波的干涉 (1)干涉现象： 两频率相同、光矢量振动方向相
同的光相遇而叠加产生光强相互加 强或削弱的分布的现象。
(2) 波相干叠加
波源振动
大学物理
第10章 波动光学
§10.1光源及光的相干性 主讲教师：张卫平教授
光彩炫丽的世界
光的微粒说和波动说
光是一种粒子!
光是一种波!
牛顿(Newton)
惠更斯(Huygens)
1668年英国科学家牛顿（Newton）提出光的微粒说 ， 1678年荷兰物理学家惠更斯（Huygens）提出光的波 动说。两种学说的争论持续了几个世纪，起初微粒说占优 ，到19世纪初，人们对光本质的认识逐渐趋向于波动说。
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4、光源的单色性 单色光——只含单一波长的光。 复色光——含多种波长的光。 准单色光——光波中包含波长范围很窄的成分的光
5、光强 光波是电磁波。 光波中参与物质相互作用（感光作用、生理作
用）的是电场强度矢量E ，其称为光矢量。 E 矢量的振动称为光振动。
光强：在光学中，通常把平均能流密度称为光强，
2π
r2


r1

2k

2
S1
A
满足:
A1 21
A22最1强2(π干r2涉相r1 长 ) (2k
1)
S S2
A A1 A2 最弱 (干涉相消) 当 2 1 (波源初相相同) 上述条件简化为 r2 r1

式中 k 0,1,2,

)

4I 1cos 2

2
2k I 4I1
( 2k 1 ) I 0
I
5 3 O
1860年，麦克斯韦总结出麦克斯韦方程组，得出电磁波在 真空中传播的速度等于光速 c ，从而预言光是一种电磁波。 1888年赫兹用实验证实了麦克斯韦的预言。
19世纪末到20世纪初，光学的研究深入到光的发生、光和 物质的相互作用的微观结构中。一些新的实验，如热辐射、光电 效应和康普顿效应等，用经典电磁波理论都无法解释。
I

1


0 ( I1 I2 2
I1I2 cos )dt
I1 I2 2
I1I2

1

cos dt
0
I I1 I2 2
I1I2

1

cos dt
0
（1）非相干叠加
独立光源的两束光或同一光源的不同部位所发出
的光的位相差“瞬息万变”
1