第十一章波动光学

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1、第十一章波动光学本章前言◆本章学习目标1、由原子或分子发光特点理解普通光源是非相干光源。2、了解几种获得相干光的方法。3、掌握计算明、暗条纹的光程差条件。4、理解薄膜干涉是由膜的上、下两表面分别反射的两束光的干涉。5、理解等厚干涉条纹的特征及实际中的应用。6、理解光的衍射与单缝衍射明、暗条纹的角位置。7、理解光栅衍射公式。8、理解自然光和线偏振光，理解马吕斯定律及布儒斯特定律。了解线偏振光的获得方法和检验方法。◆本章教学内容1、光的相干性2、光程与光程差3、光的干涉(分波面干涉、分振幅干涉）4、光的衍

2、射（单缝衍射、光栅衍射）5、光的偏振（马吕斯定律、布儒斯特定律）◆本章重点薄膜干涉明、暗纹的计算、单缝衍射明、暗纹的计算及光栅公式。◆本章难点1、理解光程概念，掌握光程差与相位差的关系及光的干涉加强和减弱的条件。2、掌握干涉条纹的分布规律。3、了解光栅衍射条纹的形成及特点。4、理解马吕斯定律和布儒斯特定律§11—1光的相干性光程一、光源发射光波的物体，也即光波的源称为光源。普通光源发光的机理是原子（或分子）的自发辐射。原子、分子在吸收能量后处于一种不稳定的激发态，即使没有任何外界作用，它们也会自发地回

3、到低激发态或基态，同时向外发出光波。可见光源和我们前面学过的机械波的波源有很大的区别，机械波的波源往往是一个振动的物体，而光源却是千千万万的原子随几地、此起彼伏地发光。二、光波光波是电磁波，是相互激发的电场E的波和磁场H的波。通常我们用电场E作为光的代表，称为光矢量。之所以选取电场，一方面是由于电场E和磁场H是紧密相关的，如前所述，如果确定了电场，则磁场也能随即确定。另一方面是在人的视觉以及光化学反应中，电场的作用是主要的。光波有间断性，不是连续的。一个原子的一次发光的时间极短，一般在–11–810~

4、10s，发出的光波的长度也比较短，把发光时间乘以光速可知，光波的长度大约在毫米到米的范围，我们把这一段光波称为一个光波列。见下图（a）。光波有独立性，在自发辐射中，每一次发光都是随几进行的，各光波列的传播方向、振动方向、相位和发出的时间都是随几的。也即是说，在同一个光源发出的光中，不同原子同时发出的光，以及同一个原子不同时发出的光，在叠加的时候都是独立的、不相干的，如下图（b）。(a)普通光路的各原子或分子(b)波列的叠加所出的光波波列彼此完全独立光波列因此，在现实生活中我们发现两个完全相同的光源所发

5、光线照射在同一个区域时并没有干涉条纹出现也就是这个原因。三、光的相干性怎样才能实现光的干涉呢？实现光干涉的基本思想是将光源发出的各个光波列分别分解成两个子光波列，然后让两个子光波列在同一个区域相遇而发生干涉。由于在相遇区域内的两个子光波列是从同一个光波列分解出来的，它们的频率和偏振方向完全相同。而在相遇地点的相位差决定于两个子光波列在分开后路程和介质环境，若能保证光源的各个光波列被分解后两个子光波列的路程和介质环境都是一样的，则所有光波列在干涉地点的干涉结果都是相同的，因此干涉图样就是稳定的。比如，一

6、个光波列分解后的两个子光波列在某点处是干涉加强（明条纹），则所有其它光波列在该点的干涉都是加强（明条纹）。所以，从同一光波列分解出来的子光波列形成的光束互称为相干光。四、获得相干光的方法怎样获得相干光呢？即怎样从一个光波列中分解出两个子光波列呢？具体做法有两种：一种叫分阵面法，即从同一个光波列的波阵面上取出两个子光波列作为相干光源，它们发出的光在空间相干，如后面将要分析和讨论的杨氏双缝干涉。另一种叫分振幅法，把同一光源发出的光射到介质表面后，经反射和折射，强度“一分为二或一分为四”，然后再让其在空间相

7、遇，相互叠加而产生干涉，如后面将要分析和讨论的薄膜干涉。下图（a）表示分波阵面（获得相干光）法，（b）表示分振幅（获得相干光）法。(a)光波通过两个裂缝解出两(b)一个光波列经过薄膜两个界面个子光波列的两次反射获得的两个子光波五、光程和光程差在分析和讨论光的干涉过程时，必须考虑光在不同介质中传播的问题，例如光穿过透镜时的情况。由于光在不同介质中的波速和波长不相同，光干涉的情况比前面在机械波中的讨论要复杂一些。先分析光的波长在介质中变化的情况。介质的折射率定义为真空光速与介质中光速的比，故有其中λ表示光

8、在真空中的波长，表示介质中的波长。由于，所以即光在介质中的波长比真空中的波长要短一些。下面分析一束光在介质中传播时光振动的相位差。设有一束光在空间传播，沿光线设立x轴，A和B为x轴上两点，光在AB之间的路程（波程）为x，即B点比A点距离波源要远x这么一段长度，见下图（a）。若AB之间是真空或空气，则AB之间光振动的时间差，即B点的光振动比A点在时间上要落后；AB之间光振动的相位差，即B点比A点在相位上要落后，其中λ为光在真空中的波长。若AB之间是折射率为