14-5光波及相干条件

以光的直线传播性质为基础、研究光在透明介质中传播的光学称为几何光学几何光学的基本定律：1.光的直线传播定律(TheLawofRectilinearPropagationofLight）2.光的独立传播定律(TheLawoftheAlonePropagationofLight)3.光的反射和折射定律(TheLawofReflectionandRefractionofLight)反射定律i=in1sini=n2sinr折射定律iirn1n2几何光学光程：折射率乘以光经过的路程光在介质中传播所需要的时间＝光程/真空中光速费马原理2.费马原理：『给定的两点间，光沿光程平稳的路径传播。』平稳：极值(极大、极小)或者为稳定值。反射定律？8波动光学光学(optics)是研究光(电磁波)的行为和性质，以及光和物质相互作用的学科。光是一种电磁波，同时，光具有波粒二象性，传统的光学只研究可见光，现代光学已扩展到对全波段电磁波的研究。光的本性也是光学研究的重要课题。微粒说把光看成是由微粒组成，人们发现了许多不能用直进性解释的现象，例如干涉、衍射等，用光的波动性就很容易解释。我们通常把光学分成几何光学和波动光学。几何光学以光直线传播为基础研究光在透明介质传播问题，它利用光线的概念、折射、反射定律来描述光在各种媒质中传播的途径，它得出的结果通常总是波动光学在某些条件下的近似或极限。波动光学是从光的波动性为基础研究光传播问题，主要研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在各向异性的媒质中传插时所表现出的现象。17-18世纪是光学发展史上的一个重要时期。伽利略、开普勒发明了天文望远镜，斯涅尔、笛卡儿导出了光的折射定律和反射定律。对于光的本质存在争论，牛顿支持光的微粒学说，它可以说明光的反射和折射规律，并认为光在水中的传播速度比空气中的速度大。惠更斯支持光的波动学说，它也能解释光的反射和折射规律，并能说明双折射现象，但是认为光在水中的传播速度比空气中的速度小。1850年傅科从实验中测定了光在水中的传播速度比空气中的速度小，法拉第、麦克斯韦证明了光是电磁波。爱因斯坦用光量子理论解释了光电效应实验。因此光具有波粒二相性。11§14-5光波及相干条件s108tctl光波列长度l一、光波产生感光和生理作用的是电场强度.光源的最基本发光单元是分子、原子=(E2-E1)/hE1E2能级跃迁辐射EzH0光是电磁波12普通光源：··结论：普通光源发光具有独立性、随机性、间歇性(1)一个分子(或原子)在一段时间内发出一列光波,发光时间持续约10－8~10－10s.(间歇性)(2)同一分子在不同时刻所发光的频率、振动方向不一定相同。（随机性、独立性）(3)各分子在同一时刻所发光的频率、振动方向、相位也不一定相同.(独立性、随机性)称为准单色光13光强20200022121EcnEHESI电矢量的振动称为光振动E同一种介质中光强的相对分布20EI波函数yAtkxcos()沿r方向传播电磁波电场分量表示为)cos(00trkEE一列沿x方向传播的平面简谐波的波函数14复数形式)(00)(~t-ωrkieE,trE或ttrkrEEtrEii)(i0e)(~ee),(~0其中)(i00e)(~rkErE（复振幅）)(i00e)(~rkErE矢量形式发散球面波)cos(),(00tkrrEtrE15二、光程(opticalpath)光在介质中传播时，光振动的相位沿传播方向逐点落后。光传播一个波长的距离，相位变化2。相位差在分析光的干涉时十分重要，为便于计算光通过不同介质时的相位差，引入“光程”的概念。16真空中lπ2Δ介质中xπ2Δ由vcfvcn,得n所以nxl此式表示，光在折射率为n的介质中传播x路程所引起的相位变化,与在真空中传播nx的路程所引起的相位变化相同。根据这个道理，我们把光传播的路程与所在介质折射率的乘积，定义为光程。lx两式相比得17n1x1n2x2nmxm…………一般式iiixnL光在多种介质中传播时，总的光程等于光所经过的介质的折射率与相应路程的乘积之和18Sacb··S·FABC·FABCaBc透镜不引起附加光程差(等光程性)19三、相干条件(coherentcondition)1S2SP1E2E1r2rP点合振动)(~)(~)(~2211rErEPE)(i02)(i0102220111eerkrkEEP点光强)](*~)(*~[)](~)(~[)(*~)(~)(2121PEPEPEPEPEPEPI)(cos)()(2)()(0201202201PPEPEPEPE)(cos)()(22121PPEPEIIP点相位差()()Pkrkr22110201相遇处的光强与它们之间的相位差δ有关当cos0时II1+I2当cos0时II1+I220由光波的叠加而引起光强重新分布的现象，称为光的干涉。干涉项)(cos)()(20201PPEPE干涉项不为零的叠加，称为相干叠加⑶具有固定的相位关系。相干条件：⑴频率相同；⑵存在互相平行的振动分量；21光强决定于干涉项中的[k2r2k1r1]因子krkrrrnrnrll221122112211212222()()光程差12lll在相遇处各点的光强决定于两列光波到达该点的光程差。获得相干光波的方法：在介质中相位(振动状态)相同的各点在一个曲面(或平面)上，叫做波面(或等相面)。分振幅法分波面法