第14章 光的干涉与衍射.ppt

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1、第13章波动光学绪论3.量子光学：从光量子性质出发研究光的辐射及光与物质的相互作用的问题。光学：是研究光的性质、光的传播以及它与物质相互作用规律的学科。根据研究光的性质和规律的不同层次，可以把光学分为以下三个分支1.几何光学：几何光学主要是从直线传播，折射、反射定律等实验定律出发，基于光线模型讨论光的传播规律，是关于光的传播的唯象理论主要用于处理光学成像问题。2.波动光学：以光波这一模型研究光的波动性的干涉、衍射、偏振等的学科。13.1光的电磁理论光现象是自然界最重要的现象之一，然而，光到底是什么？人类对光本性的系统探讨始于17世纪，主要有两个对立的学说——光的波动学说和微粒学说。

2、以牛的为代表的微粒学说认为光是按照惯性定律沿直线飞行的粒子流。很容易的解释了光的直线传播定律,并能对光的反射,折射作一定的解释。与牛顿同一时代的荷兰物理学家惠更斯是光的微粒说的反对者，他创立了光的波动学说，提出“光同声一样，是以球形波面传播”，认为光是在一种特殊弹性媒质中传播的机械波，并且是纵波。但未被广泛接受。直到19世纪初光的干涉、衍射等实验现象陆续发现，并利用基于波动理论的惠更斯一菲涅耳原理对其进行了13.1.1光的微粒学说与波动学说之争圆满解释，并认为光是横波。到19世纪中叶，光的波动学说战胜了微粒学说。13.1.2光的电磁理论旧波动理论和微粒学说一样，都是建立在机械论的基

3、础之上，把光现象看作是一种机械运动过程，认为光是在某种特殊弹性介质一“以太”中传播的弹性波。这就产生一系列矛盾。1865年，麦克斯韦建立起经典电磁理论体系，预言了电磁波的存在，指出电磁波的速度与光速相同，认为光是一种电磁现象，即光是看得见的电磁波，把光现象与电磁现象做了完美的统一。爱因斯坦在1905年创立狭义相对论，根本上否定了“以太”的存在，光波可以在自由空间传播。根据麦克斯韦电磁波理论，电场强度矢量与磁感应强度矢量周期性变化在空间的传播形成电磁波。电磁波中能引起视觉和使感光材料感光的原因主要是振动着的电场强度，并把电场的振动称为光振动，电场强度称为光矢量。1.可见光范围光波是看

4、得见的电磁波，其波长在3900nm~760nm之间，频率在7.5×1014~4.1×1014Hz之间。这个范围之间的光波就是可见光。人眼感知的颜色由频率决定。表13.1.1可见光七彩颜色对应的波长和频率范围光色波长范围(nm)中心频率(Hz)中心波长(nm)红760~622660橙622~597610黄597~577570绿577~492550青492~450460兰450~435440紫435~390410真空中的光速为：相对光强介质中的光速为：2描述光波动性的基本量介质的折射率为：光波的频率只与光源有关，与介质无关，但介质中的波长将缩短为：13.2光源光波的叠加1.光源能发光的

5、物体称为光源。13.2.1光源普通光源的发光机制光源的分类：光致发光：由光激发引起的发光现象热光源：利用热能激发的光源电致发光：由电能直接转换为光能化学发光：由化学反应引起的发光现象激光光源普通光源以后讨论的光波如不特别说明都是普通光源发出的。2.普通光源的发光机制普通光源在受激跃迁辐射过程中，以自发辐射为主普通光源的发光特点：a.原子发光的时间很短，只有秒——间歇性。b.各原子发光是随机的，无固定相位差——随机性。c.不同原子或同一原子的相继发光是独立的——独立性。原子能级及发光跃迁基态激发态跃迁自发辐射普通光源中的原子辐射出的大量长度有限、频率不等、振幅不同的光波波列，这些波列

6、的叠加就形成具有一定波长或频率范围、波列长度有限的光波，是复色光。普通光源也称为非单色光源。13.2.2光波的叠加设从单色光源、发出频率相同、振动方向相同的两列简谐光波，在同一均匀介质中传播至空间任意点P处相遇时，其光矢量振动方程分别为1.光波的叠加在P点叠加形成光波的振幅为其中为两列光波的相位差，有P12r1r2··光强是对时间求平均值，即因此合光强取决于干涉项下面分别讨论。(1)非相干叠加若两列光波是分别由独立的普通光源发出，由于光源发光的随机性，两列光波的初位相差也将瞬息万变，则观测到的光强是两列光波单独存在时光强的和，这种叠加就是非相干叠加。(2)相干叠加若这种现象称为光的

7、干涉，形成的空间周期性的分布图像称为干涉花样恒定，就仅是位置的函数，则此时，光强将是位置的函数。光波在空间不同的区域的叠加，将形成强弱分布稳定的光强分布，即为相干叠加(a)相长干涉（明）(b)相消干涉（暗）由此干涉明暗条件如果如果(c)若相位差为其他任意值时，光强介于明暗之间。如果（3）相干条件（产生稳定干涉图样）(a)光矢量振动方向平行(b)频率相同(c)相位差恒定13.2.3从普通光源获得相干光的方法把同一原子在同一时刻所发出的一列光波设法分为几列，这几列光波源自