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1、概述：人们对光的认识经历了一个否定之否定 过程。,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,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、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
2、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。,但从20 世纪50年代起光学的发展仍是“方兴未 艾，前途无限”傅里叶光学更新经典光学。,出现了“相干
3、光学”、“纤维光学”、“全息光学与全息技术”.它是既年轻又古老的科学。也是现代技术的基础,光学分类：,1）几何光学-研究光的直线传播及光学仪器的 制造；,2）波动光学-研究光的波动性；,3）量子光学-研究光与物质的相互作用。,1、光源,冷光源：,A）普通 光源,电致发光-电场激发；,光致发光-由X射线、放射线、 、可见光激发；,热光源-由热能激发,B）激光光源,激光器,由受激幅射产生的光,化学发光-由化学能激发（萤火虫）,2、普通光源发光的机理,1）光波是同时刻大量原子、分子发光的总和。每个原子发光是独立的，与其它原子发光无关，不同原子发光没有固定的相差。,2）每个原子发光是短暂的（10-9s
4、）波列，两次发光之间没有固定的相位差。,3）两独立光源S1,S2发光不产生干涉现象（可以同频率，同振向）,由于相应波列1、1，2、2,3、3，,4、4的相差不能保持恒定，使得P点的光强瞬时万变，因而看不到干涉现象，只有平均光强，I=I1+I2,设S1P=S2P,两波源在P点相差,1、光程,由波动方程，并设光在真空中传播，初相为零，有：,c为真空中光速,设光在某种媒质中传播，初相为零，有：,v为媒质中光速,若光在真空中传播的距离 所引起的周相改变与光在媒质中传播距离r引起的周相改变相同，即,光程：光在某种媒质中传播的几何距离r乘以该媒质的 折射率n，称为光程（nr),意义：可以把光在媒质中传播的
5、问题置换成光在真空 中的传播。,2、周相差与光程差的关系,设有两列同频率的光波在不同媒质中传播，初相均为零，波动方程为,分别为该单色光在两种媒质中的波长,则周相差为：,其中，,所以周相差与光程差关系为：,3、薄透镜近轴光线的等光程性,P,Q,一点光源P发出的光经薄透镜汇聚于Q点,这事实说明：,在薄透镜的光路中，由P点发出的光线经透镜聚焦于Q点，则这些光线的光程是相等的。（几何路径不相等）,当P点移至无限远,焦点,焦平面,4、反射光的周相突变和额外光程差,透射光1、2情况和反射光相反。,若 或 则1、2两反射光之间有因反射而引起的额外光程差,反射光1和2,透射光1和2,无额外光程差,无额外光程差
6、,有额外光程差,有额外光程差,有额外光程差,有额外光程差,无额外光程差,无额外光程差,1、光波,光以波动形式传播，是电磁波,可见光波长-,1)人眼对于颜色的感觉是由光波的频率决定的。,2）引起眼睛视觉效应和光化学效应的是光波场 中的电场。,2、光波传播的独立性和叠加性,独立性：光波相遇叠加后，仍按原来特性传播。叠加性：相遇区域各点光振动是光振动的合成。,叠加性以独立性为前提,相干光：能够产生干涉现象的光。 满足相干条件：频率相同、振动方向相同、相位差 恒定,3、光的非相干叠加和相干叠加,设两个同频率单色光波传播到空间某点的光矢量为：,则合成振动光矢量：,其中：,在观察的时间间隔 （ 远大于光振
7、动的周期）内平均光强 I 正比于,1）、非相干光的叠加,由于光振动时断时续，在所观察的时间 内，相位差 没有固定值，多次经历了 的一切可能值，因此,这种合光强等于分别照射时光强的总和，是非相干叠加,例如：两盏灯的照射。,2）、相干光的叠加,两相干光相遇，振动的相位差为恒定值，与时间无关。,叠加后的光强为：,4、获得相干光的一般方法,1）分波阵面法2）分振幅法：,1、杨氏双缝干涉实验,1）、实验装置及现象,单缝,双缝,屏,若为白色光入射,2）、定量分析,(1)条纹分布情况：,求屏上任一点P的振动：,如图，设光源S到 的距离相等，则任一时刻光波在 处振动周相相同，是一对相干光源。,P点距 的距离分
8、别为 ，则到达P点的光程差为：,若,若,根据干涉相长条件知，P点处是明条纹,P点处是暗条纹,显然中央O点是明纹,（2）条纹位置：,A、B分别为缝 在屏上投影点，三角形 有如下关系：,（3）条纹间距：,相邻亮纹或暗纹中心的间距为：,同一干涉图样中，干涉条纹等间距。,注： 在干涉实验中，不仅关心干涉条纹的静态分布，还 要关心条纹的移动和变化。导致条纹变动的因素主要有 （1）光源的移动 （2）装置结构的变动 （3）光路中介质的变化 （4）光源波长变化,有薄膜时O点光程差：,光程差的改变为：,解： （1）放在 光路上，若O处仍为明纹。无薄膜时O点光程差：,例1：在杨氏双缝实验中，如果用折射率为n，厚度
9、为e的透明薄膜放在 光路或 光路上，干涉条纹将如何移动？若O处仍为明纹,干涉条纹移动了多少级?,则,有薄膜时O点光程差：,（2）放在 光路上，若O处仍为明纹。无薄膜时O点光程差：,光程差的改变为：,则,总之，不论薄膜放在上缝光路还是下缝光路，都会使该光路的光程差变大，改变量为 。条纹会向放薄膜的一方移动，由 可求出移动条纹的级数。,*2、菲涅尔双面镜,可以证明：,M1 M2为夹角为 平面反射镜,S,* 3、菲涅耳双棱镜,P,P,* 4、洛埃镜实验,平面反射镜,此处总为暗纹，说明光也产生半波损失！,（明纹）,（暗纹）,*什么条件下发生半波损失：,2）光是正入射（i=0）， 或掠入射（i=90o）
10、,n1,1）当光从光疏媒质进入光密媒质时，（从折射 率小的媒质进入折射率大的媒质）有“半波损 失”,n2,正入射,掠入射,n1 n2,n1 n2,1、薄膜干涉公式,物理模型：表面平行的介质薄膜（厚度为e），折射率为 ，薄膜处于介质 中，另有单色光源S，透镜。,讨论光线a,因此光线 的光程差为：,由图知：,由折射定律有：,代入下式,得：,因此薄膜干涉的相干相长和相消条件为：,注意：,1）透射光也将产生干涉，且反射光加强时，透射光减弱，反射光减弱时，透射光加强。,2)计算光程差时，是否要计入附加光程差/2，要依薄膜及周围介质而定。,，无附加光程差/2,，有附加光程差/2,3）如e一定，则对应不同的
11、入射角有不同的干涉 级。（入射角 相同的光线产生同一级干涉条 纹）这种干涉叫等倾干涉。,4）如入射光的入射角 一定，则对应不同的厚 度有不同的干涉 级。（厚度相同的地方产生 同一级干涉条纹）这种干涉叫等厚干涉。,2、等厚干涉 (尖劈薄膜的干涉),设每一干涉条纹对应的薄膜厚度分别为：,明纹,暗纹,1）、条纹分布：,2）、条纹对应 (任意折射率为n)的薄膜厚度：,明纹,暗纹,由上式可得：,明纹,暗纹,即在尖劈棱边处出现0级暗纹。,3）、条纹间距：,相邻的亮纹（或暗纹）对应的空气厚度差为：,则相邻的亮纹（或暗纹）的间距：,（对应空气尖劈n=1）,（对应空气尖劈n=1）,A）劈尖的等厚干涉条纹是等间距
12、的；,结论：,B）劈尖的棱角 越小，条纹间距越宽；,被检体,被检体,1）检查平面与直角：,尖劈干涉的应用：,被检体,被检体,标准角规,标准角规,纸,2）测量微小厚度和微小厚度变化,测量微小厚度变化：,薄膜厚度增加时，条纹下移，厚度减小时条纹上移。,薄膜的 增加时，条纹下移， 减小时条纹上移。,显然，从视场中移动了m个条纹，薄膜厚度改变了：,条纹从上向棱边移动！,条纹从棱边向上移动！,厚度增加,厚度减小,应用举例：-干涉膨胀仪,装置,C：铟钢作成的，热 膨胀极小；,M：被检体。,原理：,温度增高t时，数出条纹移动的条数m，则：,样本增高,热膨胀系数：,A-曲率半径很大的平凸镜,装置：,B-平面光
13、学玻璃,A,B,干涉图样：,半反射镜,显微镜,r,随着r的增加而变密！,3、牛顿环及其应用,1）、干涉条纹的分布：,设n=1，由垂直入射时的干涉条件得：,故中心是暗纹。 随着级数的增大，干涉条纹变密。,得：,如果在曲率半径很大的平凸镜和平面光学玻璃之间充满任意折射率为n的介质，牛顿环半径表达式如何？,如果在曲率半径很大的平凸镜和平面光学玻璃之间充满任意折射率为n的介质，则：,对于暗纹：,所以测得透镜的曲率半径为：,2）、求透镜的曲率半径（已知光波长 ）,3、已知透镜曲率半径，可求光波长,干涉条纹的级次决定于入射光的入射角的干涉。,干涉成因：,薄膜,透镜,扩展光源,“1”,“2”,“3”,“4”
14、,光线“1”、“2”不是相干光！,屏,*4、等倾干涉,对于不同倾角的光入射：,可以看出：,入射角 越小，光程差越大，条纹越在中心。,明纹,暗纹,干涉公式：,结论：,1）不同的入射角的光线 对应着不同干涉级 的 条纹，倾角相 同的光 线产生相同干涉级条纹（等倾干涉）。,2）入射角越小，光程差越大；即越靠近中心，干 级越高。,讨论：,1）若膜厚发生变化：,当膜厚增加时：,圆形干涉条 纹向外扩展,明纹,盯住某条明纹，不变，,条纹向外扩,e增加， 增大，,当膜厚减小时：,明纹,盯住某条明纹，不变，,条纹向里收缩,e减小， 减小，,圆形干涉条 纹向里收缩,2）如光源由不同频率组成，则将出现彩色条纹。,若
15、白光入射：,由红到紫的彩色条纹。,明纹,一定，,大，,大，,大,小，条纹靠中心,3）等倾干涉定域在无限远，只能通过透镜或将 眼调到聚焦无限远才能看到.,薄膜,透镜,屏,扩展光源,“1”,“2”,“3”,“4”,“1”、“2”、“3”“4”光线之间虽非相干光，但在同一倾角下，加强则同时加强。减弱则都减弱,L-透镜,G1-半涂银镜,G2-补偿透镜,M1、 M2反射镜,迈克尔逊干涉仪,1）构造及光路图：,E-眼及望远镜,M1,M2,G1,G2,L,E,M1,E,M1,M2,G1,G2,L,当M2移动半个波长时，视场中将看到一条条纹移过。,M1与M2不严格垂直时：,光程差改变为多少？,迈克尔逊干涉仪的
16、应用：,测量微小长度的变化；,测量光波长。,当M2移动半个波长时，光程差改变一个波长，视场中将看到一条条纹移过。,历史上迈克尔逊曾用此干涉仪测定红隔线的波长：,150C.1atm的干燥空气中,1927年国际会议规定：,1983年国际17届计量会议规定：,C为光速,1960年国际会议规定：,1、问题的提出：,1）单色光入射时，只能在中央条纹附近看到 有限的为数不多的几条干涉条纹。,2）单缝或双缝宽度增大时，干涉条纹变得模糊起来。,为什么？,指由原子一次发光所持续的时间来确定的光的相干性问题-,1)两波列的光程差为零（,可产生相干叠加。,2)两波列的光程差较小，小于波列长度,能参与产生相干叠加的波
17、列长度减小,干涉条纹变模糊了！,P,若是明纹，则明纹不亮；若是暗纹；暗纹不暗,原因：,3)两波列的光程差较大，大于波列长度,波列不能在P点叠加产生干涉。,干涉条纹消失了！,原因：,P,此乃高干涉级条纹看不清或消失的原因之一,1）波列长度L又称相干长度。L越长，光波的相干叠加长度越长，干涉条纹越清晰，相干性也越好。,注意：,2）原子一次发光的时间t称为相干时间。,t越大，相干长度越长，相干性越好，因此用这种原子一次持续发光的时间来描述这种相干性故称为时间相干性。,3）相干长度与谱线宽度有如下关系：,为谱线中心频率,为谱线宽度,可以证明：,证明：,光的单色性越好，光的 相干长度就越长，光的 时间相
18、干性也就越好。,结论：,例2：如图所示的斜形薄膜，其他条件不变。（1）当上面BB平行地向上移或AA平行地向下移动；（2）当上面BB平行的向下移或AA平行地向下移动；（3）当增大AA与BB的夹角时试分别讨论上述三种情况下条纹会发生什么变化？,B,解：每一明（暗）条纹对应一定厚度，相应一定的k值。设p点处厚度为 e ，对应k值。,（1）BB平行上移（或AA平行下移），P处厚度增加，相应k值增加，可观察到原来高一级的条纹（k+1）将向左移动到P处，而P处的k级条纹将向左移到p处。随厚度增加，条纹不断向左移动。,（2）同理可知，将向右移动。,例3：牛顿环装置中，当透镜与玻璃板间充以某种液体时，第10个明环的直径由1.40cm变为1.27cm，求该液体的折射率。,解：由明环公式知，空气中：,设液体折射率为n，有,所以有：,例4：把折射率n=1.40的透明薄膜放入迈克尔逊干涉仪的一臂，如果用钠光作光源， ，则可看到产生了7个条纹的移动，试求薄膜的厚度？,解：设薄膜的厚度为d，则插入薄膜以后，光程差增加有：,若以水银灯为光源，,则,