十八章波动光学

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1、第18章波动光学Chapter17WaveOptics第一丝光线照临大地，新的一天开始了！光：light地球的母亲！万物生长靠太阳光的认识过程（1）15世纪以前：各民族有不同的看法！惠更斯的波动学说和牛顿的微粒学说（2）16、17和18世纪：1）光的机械微粒学说（17世纪---18世纪末）代表：牛顿对立面：惠更斯--波动说分歧的焦点：光在水中的速度1850年佛科（Foucauld）测定微粒说开始瓦解概述：人们对光的认识经历了一个否定的否定过程2）光的机械波动说（19世纪初--后半世纪）英国人杨（T.uoung)和法国人菲涅尔(A.T.Fresnel)通过干涉、

2、衍射、偏振等实验证明了光的波动性及光的横波性。性质：弹性机械波，在机械以太中传播。3）光的电磁说（19世纪的后半期---）19世纪后半期Maxwell建立电磁理论，提出了光的电磁性，1887年赫兹用实验证实。性质：电磁波在电磁以太中传播4）光的量子说（20世纪初---）电磁波动说在解释“热幅射实验”及“光电效应”等实验遇到困难。1900年普朗克提出了“热幅射量子理论”爱因斯坦提出了光子理论，将光看成一束粒子流。与电磁波动说相抗衡。二者各自统治着自已的领域。1924年法国人德布罗意（De.Broglie)大胆地提出了“物质波”的概念，尔后薛定谔、海森伯等人创建了

3、量子力学，又将二者统一起来。光是一个复杂性的客体，它的本性只能通过它所表现的性质来确定，它的某些方面象波而另一方面象微粒（波粒二象性）。但它既不是波，也不是微粒，也不是二者的混合体。以后如何？天知，地知，我不知，你不知，让我们耐心等待吧！第一部分光的干涉1.光源的发光近代物理理论表明,分子或原子都处在具有一定能量的能级上.处于激发态的分子或原子回到低能级时会辐射出电磁波.但所辐射的电磁波只有短短的一列,人眼感觉到的光波是大量分子或原子发光的总结果.§18-1光源光的相干性=(E2-E1)/hE1E2能级跃迁辐射波列波列长L=c独立(不同原子发的光)·独立(

4、同一原子先后发的光)2.光的相干性普通光源：电灯、手电筒、煤油灯等发出来的光，没有干涉现象发生，为什么？因为它们不是相干波源，发射的光波不是相干波，所以普通光相遇，没有干涉现象发生。光源发光机理（非激光光源）（1）单个激发态原子一次发射的光波是一段频率一定、振动方向一定、有限长的光波（通常称为光波列）；=(E2-E1)/hE1E2能级跃迁辐射波列波列长L=c（2）一个原子不同时间发光的频率、振动方向不同，在相位上没有故定关系；（3）光源所有的原子发光时间不同，不同原子发光的频率、振动方向都是随机的，在相位上更没有故定关系因此：这样的原子（分子）集体发射的光

5、线，为一束包含‘多成分’的光。为非相干光源。独立(不同原子发的光)·独立(同一原子先后发的光)光束2.光程、光程差和相干长度光程：光走过的几何路径的长度与媒质的折射率的乘积:ABC光程差：两列光波的光程之差：如图：两列长度有限的相干波传递到媒质中一点，应满足什么条件才肯定会干涉？光程差不能太大，把能够产生干涉现象的最大光程差称为‘相干长度’。显然，相干长度等于一个波列的长度。不相遇总之：光的干涉除满足同频率、同振动方向、相位差恒定以外，还要满足：光程差：L（相干长度）在相遇区发生干涉形成稳定的振幅分布——干涉花样光学装置波列a波列a1波列a23.普通的光源

6、，怎样构成相干光？根据分束的方法不同，干涉分为两类：分波阵面法；分振幅法。4）相干光的产生方法分波阵面法*光源分振幅法一、杨氏双缝实验1、杨氏双缝实验：分波阵面获得相干光§18-2分波阵面法产生的波的干涉2、回忆波的干涉叠加规律根据叠加原理可知，P点处振动方程为P其中相位差当1=2时则有此时位相差的数值仅决定于两相干波源到P点的路程差δ，称为波程差。■当振动最强。■当振动最弱。3.干涉明暗条纹的位置P点处的波程差在D>>d,D>>x，即很小时p·r1r2xx0xIxxDdoSS1S2双缝干涉的明暗纹条件x干涉明条纹的位置中央明条纹；第一级明条纹;

7、第二级明条纹;第一级暗条纹;第一级暗条纹;干涉暗条纹的位置（2）两相邻明纹或暗纹的间距都是即干涉条纹等距对称地分布。4.条纹特点和一些常用结论（1）明暗条纹对中央明条纹对称分布；讨论条纹间距与的关系;若变化，则将怎样变化？一定时，一定时，若变化，则将怎样变化？1）2）条纹间距与的关系如何？一定时，（3）有两种光波同时通过双缝：形成两套干涉图样；如用白光，会出现彩虹。中央明条纹重叠；波长短的靠近中央；其它级次可能会重叠：（4）实验的重大意义：证明了光是一种波动，并第一次测定了光的波长！·例1以单色光照射到相距为0.2mm的双缝上,双缝与屏幕的垂直距离为1m.(1

8、)从第一级明纹到同侧的第四级明纹的距离