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

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)動規(guī)律的分析等。⑦非線性光學(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、受激拉曼散射、受激布里淵散射、飛秒激光……三、對光本性的認(rèn)識1、萌芽時期（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，我國春秋戰(zhàn)國時期，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?？巳R門德(Cleomedes)和托勒密(C.Ptolemy，公元90-168年)研究了光的折射現(xiàn)象，最先測定了光通過兩種介質(zhì)分界面時的入射角和折射角。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，并描述過透鏡焦點(diǎn)的位置。無論就時間還是就科學(xué)性來講，《墨經(jīng)》稱得上是有關(guān)光學(xué)知識的最早記錄。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)時期即將到來。2、幾何光學(xué)時期（16世紀(jì)初~19世紀(jì)初）

這一時期可以稱為光學(xué)發(fā)展史上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在這個時期，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)光的直線傳播性質(zhì)，提出了光是微粒流的理論?；莞狗磳獾奈⒘Ｕf，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。這一時期中，在以牛頓為代表的微粒說占統(tǒng)治地位的同時，以惠更斯為代表的波動說也初步提出來了。3、波動光學(xué)時期（19世紀(jì)初~20世紀(jì)初）

19世紀(jì)初，初步發(fā)展起來的波動光學(xué)的體系已經(jīng)形成。1801年楊氏最先用干涉原理令人滿意的解釋了白光照射下薄膜顏色的由來并做了著名的“楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)”，還第一次成功的測定了光的波長。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)界面上反射時的偏振現(xiàn)象。隨后菲涅耳和阿拉果對光的偏振現(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年的理論研究說明光是一種電磁現(xiàn)象。這個理論在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)時期（20世紀(jì)中~20世紀(jì)末）4、量子光學(xué)時期（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，開始了量子光學(xué)時期。1905年愛因斯坦發(fā)展了普朗克的能量子假設(shè)，把量子論貫穿到整個輻射和吸收過程中，提出了杰出的光量子（光子）理論，圓滿地解釋了光電效應(yīng)，并被后來的許多實(shí)驗(yàn)（例如康普頓效應(yīng)）證實(shí)。至此，人們一方面通過光的干涉、衍射和偏振等光學(xué)現(xiàn)象證實(shí)了光的波動性；另一方面通過黑體輻射、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)、非線性光學(xué)、瞬態(tài)光學(xué)、光纖通信、光信息存儲、受激拉曼散射、受激布里淵散射……等。6、光子時代（21世紀(jì)）

光子學(xué)作為一門新興科學(xué)，它研究光子的產(chǎn)生、放大、傳輸、控制和探測，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)展趨勢有兩個：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，并充分吸收了光并行處理的特點(diǎn)，它的運(yùn)算速度將會成千倍地增加，信息存儲能力可望獲得極大的提高，甚至可能代替人腦的部分功能。沒有20世紀(jì)光學(xué)的巨大進(jìn)步，就沒有今天信息社會的到來。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)家對光學(xué)的評價“增加我們對光和光子的認(rèn)識就意味者我們對物質(zhì)世界的認(rèn)識和自由度”?！叭绻覀兡芾斫夤饽茏杂勺栽诘目刂乒狻⒗霉?，我們對物質(zhì)就能自由操作了，也許我們能在本質(zhì)上認(rèn)識物質(zhì)世界和宇宙了”?！拔覀儗夂凸庾诱J(rèn)識和利用前進(jìn)一小步，人類社會就前進(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的疊加光波的疊加雙光束干涉多光束干涉

§1-1波動的獨(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

波面：某一時刻波場中振動相位相同的點(diǎn)的集合。等相面/波陣面波線：表示波動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，只要擾動不十分強(qiáng)烈（強(qiáng)度較?。?，且所處介質(zhì)為線性介質(zhì)，則各波可以保持其原有的傳播特性，即頻率、振幅、振動方向等不變，并在離開相遇區(qū)后仍按原來的行進(jìn)方向繼續(xù)前進(jìn)，彼此無影響。

疊加性

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

干涉：振動強(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振動方向相同；②振動頻率相同；③相位相同或相位保持恒定。能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的波稱為相干波，相應(yīng)的波源稱為相干波源。與機(jī)械波類似，光波也有的干涉現(xiàn)象。干涉現(xiàn)象是波動形式所獨(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沿同一直線的簡諧振動

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