大物第25.1講相干光

1、第五篇波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)研究光的波動(dòng)性。包括光的干涉、光的衍射和光的偏振。序光的波動(dòng)性一.光本質(zhì)的認(rèn)識(shí)過(guò)程1.微粒說(shuō)與波動(dòng)說(shuō)之爭(zhēng)1850年5月6日，F(xiàn)oucault的實(shí)驗(yàn)證明惠更斯牛 頓 光是按照慣性定律沿直線飛行的微粒流光是在一種特殊彈性介質(zhì)中傳播的機(jī)械波傅科：陀螺儀的發(fā)明者波動(dòng)說(shuō)的主要依據(jù)：楊氏干涉泊松亮斑光速測(cè)量：1850年5月6日，F(xiàn)oucault的實(shí)驗(yàn)證明傅科：陀螺儀的發(fā)明者光速測(cè)量方法齒輪法當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)速由零而逐漸加快時(shí)，在E處將看到閃光。當(dāng)齒輪每秒轉(zhuǎn)數(shù)為，齒輪總數(shù)為n，一個(gè)齒輪到另一個(gè)齒輪的間隙所需要的時(shí)間為t,則：得到同時(shí) 在斐索實(shí)驗(yàn)中，齒輪每秒轉(zhuǎn)數(shù)為=12.6周/秒，齒輪總數(shù)為n=

2、720，距離2l=17.27km,求得C=315300500kms從光源s所發(fā)出的光通過(guò)半鍍銀的鏡面后，經(jīng)過(guò)透鏡L射在繞O軸旋轉(zhuǎn)的平面反射鏡M1上O軸與圖面垂直光從M1反射而會(huì)聚到凹面反射鏡M2上， M2的曲率中心恰在O軸上，所以光線由M2對(duì)稱(chēng)地反射，并在s1點(diǎn)產(chǎn)生光源的像當(dāng)M2的轉(zhuǎn)速足夠快時(shí)，像S1的位置將改變到S2，相對(duì)于可視M2為不轉(zhuǎn)時(shí)的位置移動(dòng)了s的距離可以推導(dǎo)出光速值： 傅科旋轉(zhuǎn)鏡法測(cè)光速SS1S2M1M2L二、光學(xué)分類(lèi)幾何光學(xué)物理光學(xué) 波動(dòng)光學(xué) 量子光學(xué)現(xiàn)代光學(xué) 激光、全息光學(xué)、非線性光學(xué)、 付里葉光學(xué)、光信息、光通訊2. 光學(xué)理論發(fā)展過(guò)程17世紀(jì)19世紀(jì)1860年20世紀(jì)初微粒說(shuō)

3、波動(dòng)說(shuō)機(jī)械波電磁波(以太)電磁波(真空) 波粒二象 麥克斯韋的電磁理論指出，人們眼睛通常所能感知的光其實(shí)是一種電磁波。電磁波是橫波，由兩個(gè)相互垂直的振動(dòng)矢量即電場(chǎng)矢量 和磁場(chǎng)矢量 來(lái)表示。對(duì)于沿 z 軸正向傳播的平面電磁波，其波動(dòng)方程為 在光波中，對(duì)人的眼睛和感光儀器產(chǎn)生作用的是電場(chǎng)矢量 ，因此我們常常將 稱(chēng)為光矢量， 的振動(dòng)又常稱(chēng)為光振動(dòng)。在下面的討論中，我們將主要討論 振動(dòng)。三、電磁波理論的一般結(jié)果可見(jiàn)光頻率范圍可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍單色光只含單一波長(zhǎng)的光復(fù)色光含多種波長(zhǎng)的光準(zhǔn)單色光光波中包含波長(zhǎng)范圍很窄的的光 400 450 500 550 600 650 760nm紫 藍(lán) 青 綠 黃 橙 紅1

4、.光譜手機(jī)信號(hào)頻率：在800到1800MHz之間 電離輻射：電離輻射是一切能引起物質(zhì)電離的輻射總稱(chēng) 太陽(yáng)光中的可見(jiàn)光就是波長(zhǎng)連續(xù)分布的白光白光通過(guò)三棱鏡時(shí)發(fā)生色散形成一個(gè)連續(xù)光譜有些物質(zhì)的光譜是分立的線光譜下圖是氦（He）的光譜 嚴(yán)格的單色光是不存在的，任何光源發(fā)出的光都有一定的頻率范圍，且每種頻率的光所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度是不同的。 以波長(zhǎng)（頻率）為橫坐標(biāo)，光強(qiáng)度為縱坐標(biāo)畫(huà)出的如右圖所示的曲線稱(chēng)為光譜曲線（譜線）。譜線所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍越窄，譜線就越尖銳，光的單色性就越好。 設(shè)最大強(qiáng)度I0 對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為0 ,用強(qiáng)度下降到I0 一半的兩點(diǎn)之間的波長(zhǎng)范圍 作為譜線寬度。 鈉光燈、汞燈等普通光源譜線寬度的數(shù)量

5、級(jí)為10-1 103 ；激光譜線寬度的數(shù)量級(jí)為109（m）。 人眼對(duì)可見(jiàn)光的響應(yīng) 在波動(dòng)光學(xué)中，主要討論的是相對(duì)光強(qiáng)，因此在同一介質(zhì)中直接把光強(qiáng)定義為光波的平均能流密度稱(chēng)為光強(qiáng)，用 I 表示。2.光強(qiáng)：3.光速光波的傳播速度（相速度）決定于介質(zhì)的性質(zhì)在真空中光速為定義該介質(zhì)的折射率為則介質(zhì)中光速又可表為由于一般有 因此通常情況下光在介質(zhì)中的傳播速度要小于在真空中的傳播速度。在介質(zhì)中光速為4. 波長(zhǎng) 當(dāng)光源和觀察者相對(duì)于介質(zhì)靜止時(shí)，光波的頻率僅僅取決于光源，與介質(zhì)無(wú)關(guān)；而光的波長(zhǎng)不僅決定于發(fā)光物體，還決定于介質(zhì)的折射率，因此同一光源發(fā)出的光在不同介質(zhì)中傳播時(shí)，具有相同的頻率，但是具有不同的波長(zhǎng)。

6、在真空中在介質(zhì)中因此光在介質(zhì)的波長(zhǎng)為光在介質(zhì)中的波長(zhǎng)是它在真空中波長(zhǎng)的 n 分之一 光的干涉第十二章12.1 光源 、光的相干性一、光源利用化學(xué)能、電能或光能激發(fā)的稱(chēng)為冷光源，例如磷光、輝光等光源普通光源熱光源冷光源利用熱能激發(fā)的光源稱(chēng)為熱光源例如火、太陽(yáng)、白熾燈等；激光光源1.光源的發(fā)光機(jī)理不同光源的激發(fā)方式不同，其發(fā)光機(jī)理也不相同。熱光源 大量的低能級(jí)原子、分子（或離子）在熱能的激發(fā)下躍遷至高能級(jí)激發(fā)態(tài)。E1E2向高能級(jí)躍遷 激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，原子在激發(fā)態(tài)上的平均壽命只有大約 10-10 s ，因此原子會(huì)自發(fā)地向低能級(jí)或者是基態(tài)能級(jí)躍遷。 在躍遷過(guò)程中，每個(gè)原子將多余的能量以電磁波形式向外

7、輻射，如果輻射頻率處在可見(jiàn)光波段，就稱(chēng)之為“發(fā)光”。E1E2向低能級(jí)躍遷自發(fā)輻射 原子發(fā)光的時(shí)間極短。僅僅只有 10-8 s ，在空間上形成有限長(zhǎng)度的波列。波列波列長(zhǎng)L = c 由于各單元發(fā)光是彼此獨(dú)立的，互不相關(guān)的，因此在同一時(shí)刻不同單元所發(fā)出的電磁波列具有不同的振動(dòng)方向，不同的頻率和不同的相位。另外原子發(fā)光具有間歇性，因此即使是同一原子在不同時(shí)刻所發(fā)的電磁波列的頻率，振動(dòng)方向和相位也不盡相同。光源的最基本發(fā)光單元是分子、原子或離子普通光源的自發(fā)輻射獨(dú)立(不同原子發(fā)的光)獨(dú)立(同一原子先后發(fā)的光) 發(fā)光具有隨機(jī)性 發(fā)光具有間隙性頻率不同 我們通常所見(jiàn)到的光波，就是大量的電磁波列彼此迭加之后的

8、結(jié)果。由此可見(jiàn)，普通光源所發(fā)出的光一般是復(fù)合光，具有不同的頻率成份。另外，光矢量沒(méi)有確定的振動(dòng)方向和確定的相位關(guān)系。 激光光源完全一樣(頻率、相位、振動(dòng)方向)（以及傳播方向)受激輻射E1E2 亞穩(wěn)能級(jí)E3由熱激發(fā)或場(chǎng)激發(fā)至高能級(jí)的原子通過(guò)自發(fā)輻射進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)，形成粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)。二、光的相干性頻率相同光矢量方向相同考察：兩束光在 p 點(diǎn)相遇 對(duì)于機(jī)械波，兩列振動(dòng)方向相同的同頻率的簡(jiǎn)諧波一定相干，但是用兩個(gè)獨(dú)立的同頻率的單光源卻不一定能獲得光的干涉圖樣。 考慮這兩個(gè)同頻率單色光在空間 p 點(diǎn)的光矢量大小分別為 原子（或分子、離子）發(fā)光時(shí)間極短，人眼和感光儀器所感覺(jué)到的光強(qiáng)應(yīng)該是瞬時(shí)光強(qiáng)在一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的平均值，即：則合成后 合成后的光強(qiáng)分布1. 非相干疊加獨(dú)立的兩只普通光源發(fā)出的光束或同一光源的不同部位所發(fā)出的光束疊加后光強(qiáng)等與兩光束單獨(dú)照射時(shí)的光強(qiáng)之和 無(wú)干涉現(xiàn)象所以初相差 “瞬息萬(wàn)變”,可以是0到2間的任意值2. 相干疊加滿足相干條件的兩束光, 由于初相差恒定 有干涉現(xiàn)象若干涉相長(zhǎng)干涉相消則對(duì)于空間指定點(diǎn)第三項(xiàng)成為干涉項(xiàng)對(duì)于相干光源，若干涉結(jié)果可以直接用波程差討論干涉相長(zhǎng)干涉相消其中滿足相干條件的光稱(chēng)為相干光。產(chǎn)生相干光的光源稱(chēng)為相干光源。光的相干條件光矢量的振動(dòng)方向相同，頻率相同，初相差恒定。分割波振面分割振幅3.獲得相干光的方法 利用普通光源獲得相干光的方法的基本原