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1、,第12章,光学,光学-研究 光的现象;光的本性;光与物质相互作用.,20世纪60年代激光问世后，光学有了飞速的发展，形成了现代光学。,几何光学：以光的直线传播规律为基础，研究各种光学仪器的理论。,量子光学：以光的量子理论为基础，研 究光与物质相互作用的规律。,波动光学：以光的电磁波本性为基础，研究传播规律，特别是干涉、衍射、偏振的理论和应用,2-5-1 光的单色性、相干性,一、光矢量,2-5-1 光的单色性、相干性,一、光矢量,12-2 光的单色性、相干性,光是一种电磁波，因此光就是电磁场中电场强度E和磁场强度H的周期性变化在空间的传播，或者说，E矢量和H矢量的振动在空间的传播。,一、光矢量
2、,12-2 光的单色性、相干性,光是一种电磁波，因此光就是电磁场中电场强度E和磁场强度H的周期性变化在空间的传播，或者说，E矢量和H矢量的振动在空间的传播。研究表明，在光波中引起光效应的，即对人的眼睛或照相底片等感光器件起作用的，主要是电场强度E.,一、光矢量,光是一种电磁波，因此光就是电磁场中电场强度E和磁场强度H的周期性变化在空间的传播，或者说，E矢量和H矢量的振动在空间的传播。研究表明，在光波中引起光效应的，即对人的眼睛或照相底片等感光器件起作用的，主要是电场强度E.把E矢量称为光矢量，把E矢量的振动称为光振动。,12-2 光的单色性、相干性,一、光矢量,光是一种电磁波，因此光就是电磁场
3、中电场强度E和磁场强度H的周期性变化在空间的传播，或者说，E矢量和H矢量的振动在空间的传播。研究表明，在光波中引起光效应的，即对人的眼睛或照相底片等感光器件起作用的，主要是电场强度E.把E矢量称为光矢量，把E矢量的振动称为光振动。通常意义上的光是指可见光，为人眼能感受到的电磁波，波长范围 380-780 nm。,12-2 光的单色性、相干性,一、光矢量,光是一种电磁波，因此光就是电磁场中电场强度E和磁场强度H的周期性变化在空间的传播，或者说，E矢量和H矢量的振动在空间的传播。研究表明，在光波中引起光效应的，即对人的眼睛或照相底片等感光器件起作用的，主要是电场强度E.把E矢量称为光矢量，把E矢量
4、的振动称为光振动。通常意义上的光是指可见光，为人眼能感受到的电磁波，波长范围 380-780 nm。光的颜色是光在人眼中产生的视觉效果。,12-2 光的单色性、相干性,视觉对不同波长的相对灵敏度,单色光：频率恒定的一列无限长正弦（或余弦）光波。,二、光的单色性,原子中一次量子跃迁的持续发光时间的数量级为,秒，是一个有限长的正弦波列，,波列长度为,10,8,0.03,不是严格的单色光。,单色光：频率恒定的一列无限长正弦（或余弦）光波。,3m,二、光的单色性,原子中一次量子跃迁的持续发光时间的数量级为,秒，是一个有限长的正弦波列，,波列长度为,10,8,0.03,不是严格的单色光。,单色光：频率恒
5、定的一列无限长正弦（或余弦）光波。,3m,二、光的单色性,只能说是准单色光:在某个中心频率（波长）附近有一定频率（波长）范围的光。,衡量单色性好坏的物理量是谱线宽度,谱线宽度,衡量单色性好坏的物理量是谱线宽度,例:普通单色光:10-2 10 0A,谱线宽度,衡量单色性好坏的物理量是谱线宽度,例:普通单色光:10-2 10 0A激光：10-8 10-5 A,谱线宽度,衡量单色性好坏的物理量是谱线宽度,例:普通单色光:10-2 10 0A激光：10-8 10-5 A可见光 103A,谱线宽度,造成谱线宽度的主要原因：,1.自然增宽：由能级自然宽度形成。,造成谱线宽度的主要原因：,1.自然增宽：由能
6、级自然宽度形成。,原子处在激发态有一定的寿命，,E-能级宽度,Eh,=,E1+E2,h,造成谱线宽度的主要原因：,1.自然增宽：由能级自然宽度形成。,2.多普勒增宽：分子、原子的热运动引起.,原子处在激发态有一定的寿命，,E-能级宽度,Eh,=,E1+E2,h,造成谱线宽度的主要原因：,1.自然增宽：由能级自然宽度形成。,2.多普勒增宽：分子、原子的热运动引起.,3.碰撞增宽：碰撞可增加原子能级宽度.,原子处在激发态有一定的寿命，,E-能级宽度,Eh,=,E1+E2,h,三、光的相干性,三、光的相干性,光叠加时能产生干涉现象,则光是相干的。,三、光的相干性,光叠加时能产生干涉现象,则光是相干的
7、。,相干条件,三、光的相干性,光叠加时能产生干涉现象,则光是相干的。,频率相同振动方向一致相位差恒定,相干条件,两个独立的光源不可能成为一对相干光源,钠光灯A,钠光灯B,两束光不相干！,三、光的相干性,光叠加时能产生干涉现象,则光是相干的。,频率相同振动方向一致相位差恒定,相干条件,两个独立的光源不可能成为一对相干光源,原因：原子发光是随机的，间歇性的，两列 光波的振动方向不可能一致，周相差 不可能恒定。,钠光灯A,钠光灯B,两束光不相干！,三、光的相干性,光叠加时能产生干涉现象,则光是相干的。,频率相同振动方向一致相位差恒定,相干条件,两个独立的光源不可能成为一对相干光源；即使利用同一光源上
8、两个不同的部分，也不可能得到相干光源。,钠光灯A,两束光不相干！,三、光的相干性,为了利用普通光源(除激光外)获得相干光，其基本方法是把由同一光源上同一点发出的光，设法分成两部分。方法有两种：,为了利用普通光源(除激光外)获得相干光，其基本方法是把由同一光源上同一点发出的光，设法分成两部分。方法有两种：1、从光源发出的同一列波的波面上分割出两个微小的部分(例如双孔干涉)，这两个微小部分可以看作两个子光源，它们发出的光是相干光。这种用分割波面而获得相干光的方法称为分波面法。,2、设法把同一波列(一个分子或原子在持续时间内发出的光波)的光波通过反射或折射等过程，分成两束光波(例如薄膜干涉)。显然，
9、这两列光波是相干光波，它们的能量是从同一波列的光波分出来的，由于波的能量和振幅平方成正比，所以这种产生相干光的方法叫做分振幅法。,2、设法把同一波列(一个分子或原子在持续时间内发出的光波)的光波通过反射或折射等过程，分成两束光波(例如薄膜干涉)。显然，这两列光波是相干光波，它们的能量是从同一波列的光波分出来的，由于波的能量和振幅平方成正比，所以这种产生相干光的方法叫做分振幅法。激光（laser:light amplification by stimulated emission of radiation，受激辐射光放大）是目前最理想的相干光源，,2、设法把同一波列(一个分子或原子在持续时间内发
10、出的光波)的光波通过反射或折射等过程，分成两束光波(例如薄膜干涉)。显然，这两列光波是相干光波，它们的能量是从同一波列的光波分出来的，由于波的能量和振幅平方成正比，所以这种产生相干光的方法叫做分振幅法。激光（laser:light amplification by stimulated emission of radiation，受激辐射光放大）是目前最理想的相干光源，它不仅同一光源上同一点发出的是相干光，,2、设法把同一波列(一个分子或原子在持续时间内发出的光波)的光波通过反射或折射等过程，分成两束光波(例如薄膜干涉)。显然，这两列光波是相干光波，它们的能量是从同一波列的光波分出来的，由于波
11、的能量和振幅平方成正比，所以这种产生相干光的方法叫做分振幅法。激光（laser:light amplification by stimulated emission of radiation，受激辐射光放大）是目前最理想的相干光源，它不仅同一光源上同一点发出的是相干光，而且同一光源上两个不同的部分也具有很好的相干性，,2、设法把同一波列(一个分子或原子在持续时间内发出的光波)的光波通过反射或折射等过程，分成两束光波(例如薄膜干涉)。显然，这两列光波是相干光波，它们的能量是从同一波列的光波分出来的，由于波的能量和振幅平方成正比，所以这种产生相干光的方法叫做分振幅法。激光（laser:light amplification by stimulated emission of radiation，受激辐射光放大）是目前最理想的相干光源，它不仅同一光源上同一点发出的是相干光，而且同一光源上两个不同的部分也具有很好的相干性，甚至两个独立激光器的光波也能相干。,
