1、2018/9/25,1,大学物理专题讲座,主讲人 冯杰,第十一讲 光学的理论体系与波动光学的讨论,2018/9/25,2,第十一讲 光学的理论体系与波动光学的讨论,一、光学的理论体系和研究内容,1、几何光学 线 直线传播、反射、折射、成像 应用光学 2、波动光学 波 干涉、衍射、偏振、光速介质波 3、量子光学 粒子 黑体辐射、光电效应、康普顿效应 光子、德布罗意波概率波 波粒二象性4、现代光学 光子学 激光、光纤通信、非线性光学 集成光学、信息光学、 超快速光学,2018/9/25,3,二、普通物理光学的内容,绪论 光学发展简史 第1章 光的干涉 第2章 光的衍射 第3章 几何光学的基本原理
2、第4章 光学仪器的基本原理 第5章 光的偏振 第6章 光的吸收、散射和色散 第7章 光的量子性 第8章 现代光学基础,2018/9/25,4,三、四大类波的叠加,1、同频率、振动方向相同简谐波的叠加： 干涉、衍射驻波,2、不同频率、振动方向相同简谐波的叠加： 拍、波包、脉冲、光调制,交流与讨论：驻波是如何形成的？,交流与讨论：什么是拍？拍是如何形成的？,2018/9/25,5,3、同频率、不同振动方向简谐波的叠加、 有一定的相位差对于分量的叠加： 椭圆偏振光、圆偏振光或线偏振光,交流与讨论：什么是线偏振光？ 圆偏振光如何形成的？,4、不同频率、不同振动方向简谐波的叠加、 有一定的相位差(频率成
3、比例)对于分量的叠加： 李萨如图形,交流与讨论：李萨如图形是什么样的？ 物理学上，“混沌”的含义是什么？,2018/9/25,6,四、惠更斯菲涅耳原理,(1) 次波 + 次波相干叠加,偏离原来的传播方向,意义及问题,(1) 用波动的观点解释了光的衍射现象(2) 解决了衍射光强分布的定量计算问题(3) 复杂衍射物的数学计算非常困难,形成不同方向的强度分布,衍 射 花 样,平行光,衍射光,2018/9/25,7,交流与讨论：为什么惠更斯次波是相干的？,交流与讨论：什么是相干叠加与不相干叠加？,交流与讨论：为什么机械波（声波等）都很容易 实现干涉，而光的干涉不那么容易 实现？,2018/9/25,8
4、,五、相干叠加的三个必要条件,1、光源S1和S2某时刻的振动,假设任意时刻,设 /,注意：,空间某点P 的合振动,2、光传播到空间某点P 的振动,2018/9/25,9,空间某点P 的合振幅典型情况,2018/9/25,10,3、空间某点P 任意时刻合振幅,设 /,注意：,空间某点P 的合振动,4、空间某点P 任意时刻光强度,2018/9/25,11,注意：这是矢量的点乘！,实际上：,2018/9/25,12,眼睛或仪器观测P点的结果是,关键是考察P点的相位差 是否与时间有关,2018/9/25,13,(1) 效果1：如果 与时间无关，即,=,；相消，当,；相长，当,相干叠加：视场有明、暗相间
5、的光强分布！,则P 点光强为,2018/9/25,14,(2) 效果2 ：若 与时间有关，则：,结果形成不相干叠加!,一定有：,则，,视场一片明亮,2018/9/25,15,5、相干叠加的必要条件,振动方向平行, 频率相同, 不随时间变化 相位差恒定,交流与讨论：如果人眼睛具有光频率的分辨本领， 我们的眼前是什么景象？,2018/9/25,16,六、时间相干性光源的单色性问题,1、干涉条纹的可见度V,定义式：,其中,干涉条纹的可见度与相位差的关系,2018/9/25,17,2、光源的非单色性对V的影响时间相干性： *假设只含有两个波长,V=1,V=1,V0,只含有两个波长非单色光源干涉强度分布
6、周期性变化,2018/9/25,18,当,相邻波长亮纹之间的间距正好错开半个条纹的间隔，V=0。错开一个条纹的间隔，又V=1, 与+第k级条纹之间的距离是, 第k级条纹间隔（宽度）是,杨氏双缝实验, 实验验证钠(Na)黄光的等倾干涉实验 589.0nm和 589.6nm,2018/9/25,19,3、光源的非单色性对V的影响 *假设有无数个波长,5,5,V=1,V = 0=0=0,含有无数波长的非单色光源干涉条纹,2018/9/25,20,6,7,2,3,4,5,非单色光干涉条纹之特点: 能够分辨级次有限, 逐渐模糊。,绿线：波长重叠；红条纹：级次重叠；,光源的非单色性对条纹视见度的影响,蓝红
7、之间被各色光的干涉条纹填满了 ！,V = 0=0=0,2018/9/25,21,与+波长亮纹之间的距离正好等于一个条纹的间隔时，V=0,当 时，视见度V = 0,杨氏双缝实验, 实验验证白光等倾干涉实验, 与+第k级条纹之间的距离是, 第k级条纹间隔（宽度）是,2018/9/25,22,复色光源的干涉条纹中间零级是白光，其它各级是彩色的，而且，随着级次的增加，条纹逐渐模糊可见度降低,0, 实验验证白光等倾干涉实验：,2018/9/25,23,当 ，求得,代入,我们用相干长度和相干时间来描述光源的时间相干性,求得 的物理意义是什么？,讨论与交流：由,得,相干长度,相干时间,4、时间相干性的定义,
8、2018/9/25,24,原子发出有限长的光波列,光源的单色性,5、原子发光有限的波列长度与光源的单色性,2018/9/25,25,七、空间相干性光源的几何线度问题,1、什么是空间相干性,空间相干性就是对一般的普通光源（所谓的非相干光源），通过对干涉装置的空间几何参数控制，使其能够实现干涉的最小几何线度,空间相干性的示意图,2018/9/25,26,由于光源线度扩展为b，其上M点发出的光到 达屏上P 点的光程差为,当l d，且l b时，有,2、光源线度 b 对干涉条纹影响的分析,光源线度 b 对干涉条纹影响,2018/9/25,27,零级亮条纹, k 级亮条纹,(1) M点发出的光产生各级亮条
9、纹的位置,光源线度 b 对干涉条纹影响,2018/9/25,28,零级亮条纹, k 级亮条纹,零级亮纹由于源点M和N的影响 而上下移至X和X处，即由O点向 两边各扩展了而使错开的间隔为,条纹的视见度V为零,(2) N点发出的光产生各级亮条纹的位置,2018/9/25,29,各级亮纹原来的间距（宽度）为,当零级展宽 ，,当零级展宽 ，,条纹的视见度V为零,条纹的视见度V为零,(2) N点发出的光产生各级亮条纹的位置,即 时，和,即 时，,2018/9/25,30,2018/9/25,31,当零级展宽 ，即 时，,条纹的视见度比较好，0V1,一般要求满足,2018/9/25,32,八、全息照相,（
10、一）概述,1、普通照相,4、全息照片,2、全息照相,相干光源干涉，相位转化为光强分布，全息片(相位、强度),人眼睛观察：灰雾状负片,高倍显微镜：高密度条纹的干涉（衍射）花样,相干光照射：呈现立体的实像、立体的虚像和立体的赝像。,普通光源反射、折射，记录光强，平面像（振幅，无相位信息）,3、全息照相的条件,相干光源；防振；高分辩率记录材料,2018/9/25,33,（二）全息照相的基本原理,1、波前记录 全息照片的摄制, 被摄物反射的物光波前,物光相位,全息照片的摄制,物光振幅 ,物光波O,参考光波R,2018/9/25,34, 被反射镜反射的参考光波前,被反射镜反射的参考光与物光的相位差,感光
11、片的摄制,物光波O,参考光波R,全息照片的摄制,2018/9/25,35,全息底片的感光材料的特性,干涉项：物光之振幅 o(x ,y) 和相位 (x ,y)被参考光R(x , y) 调制,物光O 与参考光R 相干叠加之光强,2018/9/25,36,全息照片(图)的制作流程 曝光、显影、定影,2、全息底片感光材料,（三）全息照片的摄制与再现,布置好物光和参考光；摄制曝光、显影、定影；方法与普通摄影无异,1、摄制：,2018/9/25,37,3、再现：用拍摄时所用参考光照射全息照片(图), 再现原理：全息照片(图)的衍射, 再现全息照片(图)的衍射花样 光强和相位的分布T(x , y), T 1
12、 零级 T 2 虚像T 3 (A , )的信息 实（赝）像T 4 与入射光性质相同 立体图 凸凹与实像相反,赝像,立体像, 再现方法：相干光照射全息照片(图),2018/9/25,38,1、与原物有相同的立体效果,2、全息照片的每一部分都可以再现原物的立体像,3、同一底片可以多次曝光，拍摄多个物体的全息图 将每次参考光的入射方向稍作改变,4、用接触法复制全息照片，工艺简便,（五）全息照相的一些应用,1、全息干涉测量,2、全息显微术,3、全息技术在海洋学中的应用,4、全息照片制作光学元件,（四）全息照相的特点,交流与讨论：全息照片与普通底片的区别是什么？,2018/9/25,39,2018/9/
13、25,40,1、与原物有相同的立体效果,2、全息照片的每一部分都可以再现原物的立体像,3、同一底片可以多次曝光，拍摄多个物体的全息图 将每次参考光的入射方向稍作改变,4、用接触法复制全息照片，工艺简便,（五）全息照相的一些应用,1、全息干涉测量,2、全息显微术,3、全息技术在海洋学中的应用,4、全息照片制作光学元件,（四）全息照相的特点,交流与讨论：全息照片与普通底片的区别是什么？,2018/9/25,41,1、资料详实，论证充分；杜绝抄袭；2、准确、科学，具有启发性；3、不少于2500字；4、图文并茂，图要清楚；5、公式用3.0公式编辑器书写,不要用扫描或图形；6、按学术论文格式(不要求翻译摘要和关键词)；7、完成时间2011/1/1前；8、交电子稿：Word文档，5号宋体，单倍行距；9、发送地址：10、邮件文件名请写清楚班级、姓名等主题。,大学物理专题论文作业要求,2018/9/25,42,END-12,问题与讨论,2、姚启均等 光学； 王楚等 光学； 章志鸣等 光学； 赵凯华 光学；高等教育出版社,参考书目,1、 光源S 到S 1和S 2距离l 1及S 1和S 2到观察屏P 的距离l2对光源 的空间相干性产生什么样的影响？2、光源发光的波列长度对 时间相干度的影响。3、为什么全息照片与原物有相同的立体效果？,1、高文琪，光学 南京大学出版社,
