1、波动光学,光学研究简史,1.光的几何性质最早记录在公元前400年的墨经中。,2.光本质的认识过程：,17世纪微粒说与波动说之争。,麦克斯韦电磁理论证明光波是一种电磁波。,20世纪初光电效应、康普顿效应证实光具有粒子性。,19世纪初杨氏双缝实验、光速的测定；,光学的分类,1.几何光学,2.物理光学,3.现代光学,以光的直线传播为基础，研究光成像问题。,波动光学：以光的波动性为基础，研究光的传播。（干涉、衍射、偏振）,量子光学：以光的粒子性为基础，光的发射与产生，以及与某些物质的相互作用。,激光、全息光学、非线性光学、付里叶光学、光信息、光通讯,基础知识,一.光的电磁理论,2. 都在各自的平面内振
2、动。,1.光波是电磁波, 相互垂直.,3.光效应是电矢量的作用，讨论光现象只考虑电矢量的变化情况，电矢量称为光矢量。,光波表达式,相位，决定E的瞬时状态。,初相位，t0时的相位大小。,角频率（rad/s）,相位差,振幅,频率,波长,光强：,相位差,二.光的独立传播原理和迭加原理,2.光的迭加原理：当几束光同时照射到某点 ，该点的光强度应由各束光独立在该点形成的光矢量 E 的矢量和所决定。,1.光的独立传播原理：各束光的相互重叠并不影响各自的传播特性。,条纹明暗通过振动加强还是减弱判断，而振动情况由两个振动的相位之差决定。,1 光的干涉,一.光的相干性,1.光的干涉现象,两列或以上的光波在相遇区
3、域出现稳定的明暗分布的现象。,光矢量振动方向相同、频率相同、相位差恒定。,2.相干条件,3.相干光、相干光源,满足相干条件的光称为相干光，光源称为相干光源。,4.相干光的获取,光源的最基本发光单元是分子、原子,普通光源：自发辐射,发光的随机性,发光的间隙性,普通光源发光机理,相干光的获得方法,分波阵面法,分振幅法,通常是把同一光源同一部分发出的光分成两束(或多束)，然后再使它们相遇，就成为了相干光。,（分波阵面法）,二.杨氏双缝干涉,1.实验现象,S1、S2到S的距离相等,S1光线在P点,S2光线在P点,2.条纹明暗条件,P点的振动,条纹明暗通过振动加强还是减弱判断，而振动情况由两个振动的相位
4、之差决定。,相位差,加强,减弱,加强,减弱,暗纹,明纹,光 强 分 布 图,1,3,2,4,1,3,2,4,1,3,2,3,2,1,暗纹,明纹,K称为条纹级次,明纹：K0，中央明纹；K1，一级明纹,暗纹：K0，一级暗纹；K1，二级暗纹,相邻明纹间距( 中心对中心 ),x =,0,xk,xk +1,暗纹宽度：两相邻明纹间距,相邻暗纹间距( 中心对中心 ),x =,0,xk,xk +1,明纹宽度：两相邻暗纹间距,x = Dd ，, 很小，x 大到用眼睛分辨，才会,观测到干涉条纹，因此要求 d 很小。,x = Dd ，相邻明条纹和相邻暗条纹等间 距，与干涉级k无关。,采用白光照射，呈彩色条纹。,3.
5、干涉条纹特点：,D,d一定时，由条纹间距可算出单色光的波长。,其中一条光线经过折射率为n的介质，干涉条纹是否有变化？,干涉条纹,P,*,*,相干光的位相差,三.光程与光程差,光程表示在相同的时间内光在真空中通过的路程。即将光在介质中走过的路程，折算为光在真空中的路程。,光程：,光程差（两光程之差）,光在真空中的波长,光线经过多种介质,加强,减弱,加强,减弱,条纹明暗条件,四.劳埃镜,半波损失 ：光从光速较大的介质射向光速较小的介质时反射光的相位较之入射光的相位跃变了 ， 相当于反射光与入射光之间附加了半个波长的波程差，称为半波损失.,P,M,利用薄膜上下两个表面对入射光的反射和折射，可在反射方
6、向(或透射方向)获得相干光束。,1.等倾干涉,均匀透明介质n1,五.薄膜干涉,(分振幅法),上下表面平行,厚度为e 均匀介质n2 (n2 n1),反射光2,3为两束相干光,透射光4,5为两束相干光,A,光路图,讨论反射光2,3的干涉情况:,(n2 n1),光线2与光线 3的光程差为：,干涉明暗,干涉条件,加强,减弱,干涉明暗与级次由何决定？,由入射角i决定,同一入射角i的光线,等倾干涉,同样的,同一干涉级次K,图象：明暗相间的同心圆环，间距不等。,讨论透射光4,5的干涉情况:,反射光的光程差与透射光的光程差刚好相差,同一入射角光线,反射光干涉加强,透射光干涉减弱,明,暗,透射光和反射光干涉具有
7、互补性 ，符合能量守恒定律.,增透膜和增反膜,增透膜-利用薄膜上、下表面反射光的光程差符合相消干涉条件来减少反射，从而使透射增强。,增反膜-利用薄膜上、下表面反射光的光程差满足相长干涉，因此反射光因干涉而加强。,例题1.一平行平面肥皂膜， 折射率为1.33，厚度为0.32微米，如用白光垂直照射，观察反射光，问肥皂膜成什么颜色？,解：,i = 0 n1=1,反射增强,呈现绿色,可见光波长范围 400700nm,问：若反射光相消干涉的条件中取 k=1，膜的厚度为多少？此增透膜在可见光范围内有没有增反？,例2已知用波长 ，照相机镜头n3=1.5，其上涂一层 n2=1.38的氟化镁增透膜，光线垂直入射
8、。,解：,反射光相消,反射光经历两次半波损失,光程差不再加 。,此膜对反射光相干相长的条件：,可见光波长范围 400700nm,波长412.5nm的可见光有增反。,此增透膜在可见光范围内有没有增反？,满足n1n3(或n1 n2 n2n3(或n1 n2 n3),附加 的讨论,存在附加程差,不存在附加程差,2.等厚干涉,现象,平行单色光垂直照射空气劈尖，上、下表面的反射光将产生干涉，厚度为e 处，两相干光的光程差为,夹角很小的两个平面所构成的薄膜,干涉条件,干涉明暗与级次由何决定？,由厚度e决定,同一厚度处,等厚干涉,同样的,同一干涉级次K,加强,减弱,棱边处e=0,条纹特征,出现暗条纹,=/2,
9、加强,减弱,明暗条纹对应的厚度e,明纹,暗纹,任意相邻明条纹对应的厚度差：,任意相邻明条纹(或暗条纹)之间的距离 l (条纹宽度)为：,明纹：,任意相邻暗条纹对应的厚度差与明纹对应厚度差一致。,条纹等间距,在入射单色光一定时，劈尖的楔角愈小，则l愈大，干涉条纹愈疏； 愈大，则l愈小，干涉条纹愈密。,当用白光照射时，将看到由劈尖边缘逐渐分开的彩色直条纹。,每一条纹对应劈尖内的一个厚度，当此厚度位置改变时，对应的条纹随之移动.,干涉条纹的移动,等厚干涉的应用,2）测膜厚,1）干涉膨胀仪,3）检验光学元件表面的平整度,4）测细丝的直径,3.牛顿环,由一块平板玻璃和一平凸透镜组成,光程差,暗纹,等厚干涉,牛顿环实验装置,牛顿环干涉图样,S,光程差,暗纹,r,牛顿环条纹半径,3.应用例子:可以用来测量光波 波长，用于检测透镜质量，曲率半径等.,1.反射光中观测中心是暗斑不是暗点,2.属于等厚干涉，但条纹间距不等,明环半径,暗环半径,讨论,
