第25.1讲 相干光

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1、波动光学研究光的波动性。包括光的干涉、光的衍射和光的偏振。序一.光本质的认识过程1.微粒说与波动说之争傅科：陀螺仪的发明者光是按照惯性光是在一种特定律沿直线飞殊弹性介质中行的微粒流传播的机械波siniu水siniu空气sinrusinru空气水u水u空气牛顿惠更斯u水u空气1850年5月6日，Foucault的实验证明u水u空气2.光学理论发展过程17世纪19世纪1860年20世纪初微粒说机械波电磁波电磁波波动说(以太)(真空)波粒二象二、光学分类几何光学物理光学现代光学波动光学激光、全息光学、

2、非线性光学、量子光学付里叶光学、光信息、光通讯三、电磁波理论的一般结果麦克斯韦的电磁理论指出，人们眼睛通常所能感知的光其实是一种电磁波。电磁波是横波，由两个相互垂直的振动矢量即电场矢量E和磁场矢量H来表示。对于沿z轴正向传播的平面电磁波，其波动方程为zEEcos(t)xx0uzHHcos(t)yy0u在光波中，对人的眼睛和感光仪器产生作用的是电场矢量E，因此我们常常将E称为光矢量，E的振动又常称为光振动。在下面的讨论中，我们将主要讨论E振动。1.光谱1414可见光频率范围7.510~3.

3、910Hz可见光波长范围4000~7600Å400450500550600650760nm紫蓝青绿黄橙红单色光—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的光太阳光中的可见光就是波长连续分布的白光白光通过三棱镜时发生色散形成一个连续光谱有些物质的光谱是分立的线光谱下图是氦（He）的光谱严格的单色光是不存在的，任何光源发出的光都有一定的频率范围，且每种频率的光所对应的强度是不同的。以波长（频率）为横坐标，光强度为纵坐标画出的如右图所示的曲线称为光谱曲线（谱线）。谱线所对应的波长范围越窄

4、，谱线就越尖锐，光的单色性就越好。设最大强度I0对应的波长为λ0,用强度下降到I0一半的两点之间的波长范围作为谱线宽度。钠光灯、汞灯等普通光源谱线宽度的数量级为10-1~10－3；激光谱线宽度的数量级为10－9（m）。人眼对可见光的响应2.光强：光波的平均能流密度称为光强，用I表示。2IE0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2IE03.光速光波的传播速度（相速度）决定于介质的性质181在真空中光速为c2.99810ms0011c在介质中光速为u

5、0r0rrr定义该介质的折射率为nrrc则介质中光速又可表为un由于一般有n1因此通常情况下光在介质中的传播速度要小于在真空中的传播速度。4.波长当光源和观察者相对于介质静止时，光波的频率仅仅取决于光源，与介质无关；而光的波长不仅决定于发光物体，还决定于介质的折射率，因此同一光源发出的光在不同介质中传播时，具有相同的频率，但是具有不同的波长。在真空中c在介质中unc/n因此光在介质的波长为nn光在介质中的波长是它在真空中波长的n分之一12.1光源、光的相干一、光源性光源普通光源

6、激光光源热光源冷光源利用热能激发的利用化学能、电光源称为热光源能或光能激发的例如火、太阳、称为冷光源，例白炽灯等；如磷光、辉光等1.光源的发光机理不同光源的激发方式不同，其发光机理也不相同。热光源向高能级跃迁大量的低能级原子、分E2子（或离子）在热能的激发下跃迁至高能级激发态。E1激发态是不稳定的，原子在激发态上的平均寿命只有大约10-10s，因此原子会自发地向低能级或者是基态能级跃迁。向低能级跃迁在跃迁过程中，每个原E2子将多余的能量以电磁波形EE式向外辐射，如果辐射频率21E1h处在可见光波段，就称之为自

7、发辐射“发光”。原子发光的时间极短。仅仅只有10-8s，在空间上形成有限长度的波列。波列810秒波列长L=c光源的最基本发光单元是分子、原子或离子由于各单元发光是彼此独立的，互不相关的，因此在同一时刻不同单元所发出的电磁波列具有不同的振动方向，不同的频率和不同的相位。另外原子发光具有间歇性，因此即使是同一原子在不同时刻所发的电磁波列的频率，振动方向和相位也不尽相同。普通光源的自发辐射n4频率不同321·独立(不同原子发的光)·独立(同一原子先后发的光)•发光具有间隙性•发光具有随机性我们通常所见到的光波，

8、就是大量的电磁波列彼此迭加之后的结果。由此可见，普通光源所发出的光一般是复合光，具有不同的频率成份。另外，光矢量没有确定的振动方向和确定的相位关系。激光光源由热激发或场激发至高能级的原子通过自发辐射进入亚稳态，形成粒子数分布反转。E3E亚稳能级2完全一样(频率、相位、振动方向)EE21E1（以及传播方向)h受激辐射二、光的相干性对于机械波，两列振