大學(xué)光學(xué)光的干涉課件

Optics光學(xué)我想知道這是為什么，我想知道這為什么。我想知道為什么我想知道這是為什么。我想知道究竟為什么我非要知道我為什么想知道這是為什么！---------費(fèi)因曼緒論

二、光學(xué)的分類(lèi)

物理光學(xué)

光學(xué)是研究光的產(chǎn)生、發(fā)射、傳播、接收、光與物質(zhì)相互作用的學(xué)科，是物理學(xué)的一個(gè)重要分科。一、什么是光學(xué)

光是一種重要的自然現(xiàn)象，我們之所以能看到客觀世界中的景象，是因?yàn)檠劬邮芪矬w發(fā)射、反射或散射的光。⑤傅立葉光學(xué)：光學(xué)傅立葉分析、傅立葉變換等。⑥激光光譜學(xué)：物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)及分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析等。⑦非線(xiàn)性光學(xué)：光學(xué)介質(zhì)與強(qiáng)光的相互作用。瞬態(tài)光學(xué)、光纖通信、光信息存儲(chǔ)、受激拉曼散射、受激布里淵散射、飛秒激光……三、對(duì)光本性的認(rèn)識(shí)1、萌芽時(shí)期（遠(yuǎn)古-15世紀(jì)末、16世紀(jì)初）光學(xué)的起源可追溯到古代，我國(guó)春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，墨翟（前468~前376）及其弟子所著的《墨經(jīng)》中，就記載著光的直線(xiàn)傳播（影的形成和針孔成像等）和光在鏡面（凹面和凸面）上的反射等現(xiàn)象，并提出了一系列經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，把物和像的位置及其大小與所用鏡面的曲率聯(lián)系起來(lái)?？巳R門(mén)德(Cleomedes)和托勒密(C.Ptolemy，公元90-168年)研究了光的折射現(xiàn)象，最先測(cè)定了光通過(guò)兩種介質(zhì)分界面時(shí)的入射角和折射角。培根(R.Bacon，公元1214-1294年)提出用透鏡校正視力和采用透鏡組構(gòu)成望遠(yuǎn)鏡的可能性，并描述過(guò)透鏡焦點(diǎn)的位置。無(wú)論就時(shí)間還是就科學(xué)性來(lái)講，《墨經(jīng)》稱(chēng)得上是有關(guān)光學(xué)知識(shí)的最早記錄。比希臘數(shù)學(xué)家歐幾里德所著的《光學(xué)》早100多年。到15世紀(jì)末和16世紀(jì)初，凹面鏡、凸面鏡、眼鏡、透鏡以及暗箱和幻燈等光學(xué)元件的相繼出現(xiàn)，預(yù)示幾何光學(xué)時(shí)期即將到來(lái)。2、幾何光學(xué)時(shí)期（16世紀(jì)初~19世紀(jì)初）

這一時(shí)期可以稱(chēng)為光學(xué)發(fā)展史上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在這個(gè)時(shí)期，建立了光的反射定律和折射定律，奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)。同時(shí)為了提高人眼的觀察能力，人們發(fā)明了光學(xué)儀器，第一架望遠(yuǎn)鏡的誕生促進(jìn)了天文學(xué)和航海事業(yè)的發(fā)展，顯微鏡的發(fā)明給生物學(xué)的研究提供了強(qiáng)有力的工具。到17世紀(jì)中葉，基本上已經(jīng)奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)。17世紀(jì)下半葉，牛頓根據(jù)光的直線(xiàn)傳播性質(zhì)，提出了光是微粒流的理論?；莞狗磳?duì)光的微粒說(shuō)，從聲和光的某些現(xiàn)象的相似性出發(fā)，認(rèn)為光是在“以太”中傳播的波。這一時(shí)期中，在以牛頓為代表的微粒說(shuō)占統(tǒng)治地位的同時(shí)，以惠更斯為代表的波動(dòng)說(shuō)也初步提出來(lái)了。3、波動(dòng)光學(xué)時(shí)期（19世紀(jì)初~20世紀(jì)初）

19世紀(jì)初，初步發(fā)展起來(lái)的波動(dòng)光學(xué)的體系已經(jīng)形成。1801年楊氏最先用干涉原理令人滿(mǎn)意的解釋了白光照射下薄膜顏色的由來(lái)并做了著名的“楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)”，還第一次成功的測(cè)定了光的波長(zhǎng)。1815年菲涅耳用楊氏干涉原理補(bǔ)充了惠更斯原理，形成了人們所熟知的惠更斯—菲涅耳原理。1808年馬呂斯偶然發(fā)現(xiàn)光在兩種介質(zhì)界面上反射時(shí)的偏振現(xiàn)象。隨后菲涅耳和阿拉果對(duì)光的偏振現(xiàn)象和偏振光的干涉進(jìn)行了研究。1845年法拉第揭示了光學(xué)現(xiàn)象和電磁現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系。麥克斯韋在1865年的理論研究說(shuō)明光是一種電磁現(xiàn)象。這個(gè)理論在1888年被赫茲的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。至此，確立了光的電磁理論。

5、現(xiàn)代光學(xué)時(shí)期（20世紀(jì)中~20世紀(jì)末）4、量子光學(xué)時(shí)期（20世紀(jì)初~20世紀(jì)中）

19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，光學(xué)的研究深入到光的發(fā)生、光和物質(zhì)相互作用的微觀機(jī)制中，開(kāi)始了量子光學(xué)時(shí)期。1905年愛(ài)因斯坦發(fā)展了普朗克的能量子假設(shè)，把量子論貫穿到整個(gè)輻射和吸收過(guò)程中，提出了杰出的光量子（光子）理論，圓滿(mǎn)地解釋了光電效應(yīng)，并被后來(lái)的許多實(shí)驗(yàn)（例如康普頓效應(yīng)）證實(shí)。至此，人們一方面通過(guò)光的干涉、衍射和偏振等光學(xué)現(xiàn)象證實(shí)了光的波動(dòng)性；另一方面通過(guò)黑體輻射、光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)等又證實(shí)了光的量子性——粒子性。

激光的發(fā)明，為人類(lèi)提供了定向性、單色性、相干性很好的高亮度光源，使光學(xué)在理論上和技術(shù)上有了新的突破，從此，光學(xué)進(jìn)入了現(xiàn)代光學(xué)時(shí)期。光學(xué)與許多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域緊密結(jié)合，相互滲透，派生出許多嶄新的分支學(xué)科。如激光光學(xué)、全息光學(xué)、晶體光學(xué)、集成光學(xué)、傅立葉光學(xué)、激光光譜學(xué)、非線(xiàn)性光學(xué)、瞬態(tài)光學(xué)、光纖通信、光信息存儲(chǔ)、受激拉曼散射、受激布里淵散射……等。6、光子時(shí)代（21世紀(jì)）

光子學(xué)作為一門(mén)新興科學(xué)，它研究光子的產(chǎn)生、放大、傳輸、控制和探測(cè)，以及將這些技術(shù)應(yīng)用于能量產(chǎn)生、通信、信息處理等學(xué)科。21世紀(jì)光子學(xué)的發(fā)展由量變到質(zhì)變，其發(fā)展趨勢(shì)有兩個(gè)：一是光子技術(shù)將從光電混合技術(shù)向全光化的方向發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)全光通訊系統(tǒng)、全光計(jì)算機(jī)、全光網(wǎng)絡(luò)而奮斗。光計(jì)算機(jī)，由于采取了光信息存儲(chǔ)，并充分吸收了光并行處理的特點(diǎn)，它的運(yùn)算速度將會(huì)成千倍地增加，信息存儲(chǔ)能力可望獲得極大的提高，甚至可能代替人腦的部分功能。沒(méi)有20世紀(jì)光學(xué)的巨大進(jìn)步，就沒(méi)有今天信息社會(huì)的到來(lái)。二是微米尺度的光子學(xué)向納米光子學(xué)發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)光子器件與電子器件的共集成?？茖W(xué)家對(duì)光學(xué)的評(píng)價(jià)“增加我們對(duì)光和光子的認(rèn)識(shí)就意味者我們對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)和自由度”?！叭绻覀兡芾斫夤饽茏杂勺栽诘目刂乒?、利用光，我們對(duì)物質(zhì)就能自由操作了，也許我們能在本質(zhì)上認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界和宇宙了”?！拔覀儗?duì)光和光子認(rèn)識(shí)和利用前進(jìn)一小步，人類(lèi)社會(huì)就前進(jìn)一大步”。第一章光的干涉(Opticalinterference)教學(xué)思路光的電磁理論波動(dòng)的疊加光波的疊加雙光束干涉多光束干涉

§1-1波動(dòng)的獨(dú)立性、疊加性和相干性復(fù)習(xí)：5.電磁波的能流密度矢量能流密度的平均值：4.

波速:真空中:c=2.99792458×108m/s所以光波:特定波段的電磁波

二、電磁波譜Theelectromagneticspectrum三、光波1.可見(jiàn)光范圍=4.5×1014～7.3×1014Hz光頻波段：2．光的速度與折射率

）λ=0.39μm—0.76μm之間（因?yàn)樗运?單色平面光波球面波波面與波線(xiàn)

波面：某一時(shí)刻波場(chǎng)中振動(dòng)相位相同的點(diǎn)的集合。等相面/波陣面波線(xiàn)：表示波動(dòng)能量傳播的幾何徑跡單色平面光波波面為平面的波單色:該波只有單一頻率,即簡(jiǎn)諧波.

球面波波面為球面的波

WavefrontsrEklOPAperfectsphericalwave獨(dú)立性

五、機(jī)械波的獨(dú)立性和疊加性幾列波在空間相遇時(shí)，只要擾動(dòng)不十分強(qiáng)烈（強(qiáng)度較?。?，且所處介質(zhì)為線(xiàn)性介質(zhì)，則各波可以保持其原有的傳播特性，即頻率、振幅、振動(dòng)方向等不變，并在離開(kāi)相遇區(qū)后仍按原來(lái)的行進(jìn)方向繼續(xù)前進(jìn)，彼此無(wú)影響。

疊加性

波在相遇的區(qū)域內(nèi)，任一點(diǎn)處質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)為各列波單獨(dú)在該點(diǎn)引起的振動(dòng)的合振動(dòng)，即在任一時(shí)刻，該點(diǎn)處質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)位移合位移為各波分別單獨(dú)傳播時(shí)在該點(diǎn)引起的位移的矢量和。

干涉：振動(dòng)強(qiáng)度按空間周期性變化。干涉圖樣：在疊加區(qū)域內(nèi)，各點(diǎn)處的振動(dòng)強(qiáng)度有一定的非均勻分布的整體圖象。六、波的干涉①振動(dòng)方向相同；②振動(dòng)頻率相同；③相位相同或相位保持恒定。能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的波稱(chēng)為相干波，相應(yīng)的波源稱(chēng)為相干波源。與機(jī)械波類(lèi)似，光波也有的干涉現(xiàn)象。干涉現(xiàn)象是波動(dòng)形式所獨(dú)具的重要特征之一。

例：水波的干涉七、相干與不相干疊加兩個(gè)沿同一直線(xiàn)的簡(jiǎn)諧振動(dòng)

在觀察的間隔內(nèi)，合振動(dòng)平均強(qiáng)度（平均光強(qiáng)I）：1、相干疊加：（電磁振動(dòng)不中斷）干涉相長(zhǎng):光強(qiáng)度(合振動(dòng)平均強(qiáng)度）達(dá)到最大值。干涉相消:光強(qiáng)度(合振動(dòng)平均強(qiáng)度）達(dá)到最小值。干涉項(xiàng)2、不相