大學光學光的干涉

Optics光學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！---------費因曼緒論

二、光學的分類

物理光學

光學是研究光的產(chǎn)生、發(fā)射、傳播、接收、光與物質(zhì)相互作用的學科，是物理學的一個重要分科。一、什么是光學

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，是因為眼睛接受物體發(fā)射、反射或散射的光。1．幾何光學（GeometricalOptics）以光的直線傳播等實驗定律為基礎，用幾何學方法研究光學儀器成象的規(guī)律和消除像差的方法及特殊光學儀器的設計原理等。光學的這一分支稱為幾何光學。3.現(xiàn)代光學

①激光光學：激光物理、激光技術、激光應用等。②全息光學：光學全息與信息處理等。③晶體光學：光波在晶體中的傳播及晶體的電光效應等。④集成光學：集成光路理論及制造等。

2．物理光學（PhyciccalOptics）以光的波動性和粒子性為基礎，研究光現(xiàn)象的基本規(guī)律。波動光學——研究光的波動性即干涉、衍射、偏振的學科。量子光學——用光的量子理論研究光與物質(zhì)相互作用的微觀機制、遵從的規(guī)律及其應用的學科。⑤傅立葉光學：光學傅立葉分析、傅立葉變換等。⑥激光光譜學：物質(zhì)微觀結構及分子運動規(guī)律的分析等。⑦非線性光學：光學介質(zhì)與強光的相互作用。瞬態(tài)光學、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、對光本性的認識1、萌芽時期（遠古-15世紀末、16世紀初）光學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。克萊門德(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成望遠鏡的可能性，并描述過透鏡焦點的位置。無論就時間還是就科學性來講，《墨經(jīng)》稱得上是有關光學知識的最早記錄。比希臘數(shù)學家歐幾里德所著的《光學》早100多年。到15世紀末和16世紀初，凹面鏡、凸面鏡、眼鏡、透鏡以及暗箱和幻燈等光學元件的相繼出現(xiàn)，預示幾何光學時期即將到來。2、幾何光學時期（16世紀初~19世紀初）

這一時期可以稱為光學發(fā)展史上的轉折點。在這個時期，建立了光的反射定律和折射定律，奠定了幾何光學的基礎。同時為了提高人眼的觀察能力，人們發(fā)明了光學儀器，第一架望遠鏡的誕生促進了天文學和航海事業(yè)的發(fā)展，顯微鏡的發(fā)明給生物學的研究提供了強有力的工具。到17世紀中葉，基本上已經(jīng)奠定了幾何光學的基礎。17世紀下半葉，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、波動光學時期（19世紀初~20世紀初）

19世紀初，初步發(fā)展起來的波動光學的體系已經(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“楊氏雙縫干涉實驗”，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行了研究。1845年法拉第揭示了光學現(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年被赫茲的實驗所證實。至此，確立了光的電磁理論。

電磁波的波譜為：宇宙射線10-10—10-8μmγ射線10-8—10-4μmX射線10-5—10-1μm光波10-3—101μm軟X射線10-3—1.5X10-1μm真空X射線1.5X10-1—0.25μm紫外線0.25—0.4μm可見光

0.39—0.77μm紫390—450nm靛—藍450—492nm綠492—577nm黃577—597nm橙597—622nm紅620—770nm近紅外線0.77—1.5μm中紅外線1.5—15μm遠紅外線15—1000μm微波10—103mm短波103—105mm中波105—106mm長波107—mm

光的電磁理論在整個物理學的發(fā)展中起著很重要的作用，它指出光和電磁現(xiàn)象的一致性，使人們在認識光的本性方面向前邁出了一大步。5、現(xiàn)代光學時期（20世紀中~20世紀末）4、量子光學時期（20世紀初~20世紀中）

19世紀末到20世紀初，光學的研究深入到光的發(fā)生、光和物質(zhì)相互作用的微觀機制中，開始了量子光學時期。1905年愛因斯坦發(fā)展了普朗克的能量子假設，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，并被后來的許多實驗（例如康普頓效應）證實。至此，人們一方面通過光的干涉、衍射和偏振等光學現(xiàn)象證實了光的波動性；另一方面通過黑體輻射、光電效應和康普頓效應等又證實了光的量子性——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，使光學在理論上和技術上有了新的突破，從此，光學進入了現(xiàn)代光學時期。光學與許多科學技術領域緊密結合，相互滲透，派生出許多嶄新的分支學科。如激光光學、全息光學、晶體光學、集成光學、傅立葉光學、激光光譜學、非線性光學、瞬態(tài)光學、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）

光子學作為一門新興科學，它研究光子的產(chǎn)生、放大、傳輸、控制和探測，以及將這些技術應用于能量產(chǎn)生、通信、信息處理等學科。21世紀光子學的發(fā)展由量變到質(zhì)變，其發(fā)展趨勢有兩個：一是光子技術將從光電混合技術向全光化的方向發(fā)展，為實現(xiàn)全光通訊系統(tǒng)、全光計算機、全光網(wǎng)絡而奮斗。光計算機，由于采取了光信息存儲，并充分吸收了光并行處理的特點，它的運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世紀光學的巨大進步，就沒有今天信息社會的到來。二是微米尺度的光子學向納米光子學發(fā)展，最終實現(xiàn)光子器件與電子器件的共集成?？茖W家對光學的評價“增加我們對光和光子的認識就意味者我們對物質(zhì)世界的認識和自由度”。“如果我們能理解光能自由自在的控制光、利用光，我們對物質(zhì)就能自由操作了，也許我們能在本質(zhì)上認識物質(zhì)世界和宇宙了”?！拔覀儗夂凸庾诱J識和利用前進一小步，人類社會就前進一大步”。五、怎樣才能學好光學師生配合

認真?zhèn)湔n因材施教重點突出方法先進為人師表要求嚴格

課前預習

認真聽講做好筆記

課后復習

完成作業(yè)每章總結

平時成績包含：考勤，課堂筆記，課堂提問，作業(yè)，每章總結，期中測試，課程論文。

實驗提出假說形成理論反復實驗

四、光學研究的方法

第一章光的干涉(Opticalinterference)教學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波動的獨立性、疊加性和相干性復習：一、諸自由眉空間織平面磨電磁結波(El醒ec削tr刊om作ag艷ne聯(lián)ti娛c涉wa香ve份s)的性合質(zhì)1.橫波、同位相（即在任何時刻、任何地點它們都是同步變化）平面礙電磁惠波的星波函煮數(shù)與抹平面坑簡諧飲波形沿式相獄同：3.

和成比例§1望-1波動漢的獨譽立性膨、疊犁加性才和相其干性5.電磁訪波的能流演密度改矢量能流密度的平均值：4.

波速:真空中:c=伯2.襯99販7幼92秩4巨58帝×1慘08m/膊s所以光波:特定朵波段岡的電接磁波二、上電磁維波譜Th做e礎el婚ec讀tr銷om增ag柄ne仍ti德c菠sp淡ec箭tr乖um三、綱光波1.可見極光范參圍=4.5×1014～7.3×1014Hz光頻波段：2．光欠的速反度與田折射快率）λ=0.39μm—0.76μm之間（因為所以物理儀器檢測到的光強I是由能流密度大小決決定的，即玻印亭矢量S的平均值：

3.光的壯強度協(xié)（輻馳照度猛）在同一介質(zhì)中相對光強:在光正波的拼兩個岔場量行和喉中，棄對人通眼和煤感光駛儀器足起主串要作用的常電矢投量巾，司因此掀將旗稱素為光矢論量。四.單色響平面坡光波扁球退面波波面顫與波丙線波面句：某戒一時纖刻波愈場中便振動相位挪相同的點景的集據(jù)合。等相察面/波陣辛面波線隆：表怕示波宮動能獲量傳嶺播的泊幾何蠶徑跡單色跡平面士光波波面字為平傍面的尊波單色:該波受只有束單一璃頻率,即簡掃諧波.球面蘭波波面栗為球毅面的襪波WavefrontsrEklOPAperfectsphericalwave獨立盡性五、查機械削波的雷獨立粱性和陰疊加閱性幾列賀波在繭空間瞞相遇液時，軋只要擾動缺不十停分強腸烈（強荒度較幕?。?，且闊所處麥介質(zhì)陽為線駐性介結質(zhì)，濾則各鄉(xiāng)豐波可摘以保休持其擴原有紫的傳技播特坑性，忙即頻率農(nóng)、振饒幅、惱振動珍方向郵等不夢變，并幅在離舌開相梢遇區(qū)菊后仍樣按原低來的駕行進儲方向盲繼續(xù)蓬前進外，彼章此無飽影響腳。疊加笑性波在疫相遇蔬的區(qū)太域內(nèi)袍，任沒一點仙處質(zhì)還點的政振動倉為各膜列波蜓單獨說在該徒點引零起的網(wǎng)振動櫻的合箱振動密，即半在任影一時店刻，長該點擁處質(zhì)年點的來振動拘位移且合位愚移為厲各波接分別寸單獨償傳播閣時在幸該點減引起傷的位配移的閉矢量誤和。干涉：振半動強補度按即空間隨周期愿性變抬化。干涉花圖樣：在咸疊加烘區(qū)域區(qū)內(nèi)，航各點忠處的默振動御強度仙有一遇定的姥非均版勻分刮布的甩整體遭圖象挨。六、氧波的貞干涉①振阿動方舍向相脖同；②振訂動頻煎率相宵同；③相蘆位相宏同或誕相位貧保持淘恒定代。能產(chǎn)蹈生干臺涉現(xiàn)活象的灑波稱態(tài)為相干篩波，相季應的趣波源俊稱為相干浪波源。與機掠械波牙類似槐，光諷波也立有的智干涉液現(xiàn)象漁。干涉?zhèn)€現(xiàn)象薯是波名動形司式所妄獨具隊的重坡要特容征之奔一。例：四水波基的干參涉相干妥？為什曲么通蹈常的溜獨立倆光源謝無干悄涉現(xiàn)葉象（擁稱不防相干禁）只有顏光源烏