绪言

一、光学的研究内容

•研究光的本性；
•光的产生、传输与接收规律；
•光与物质的相互作用；
•光学的应用。

二、光的两种学说

牛顿的微粒说
光是由发光物体发出的遵循力学规律的粒子流。

惠更斯的波动说
光是机械波，在弹性介质“以太”中传播。

三、光的本性

•光的电磁理论——波动性：
干涉(12)、衍射(13)、偏振(14)
•光的量子理论——粒子性：
黑体辐射、光电效应、康普顿效应

四、光学的分类

•几何光学
以光的直线传播和反射、折射定律为基础，研究光学仪器成象规律。
•物理光学
以光的波动性和粒子性为基础，研究光现象基本规律。
波动光学—光的波动性：研究光的传输规律及其应用的学科
量子光学——光的粒子性：研究光与物质相互作用规律及其应用的学科

12.1 光源 光的相干性

12.1.1 光源

一.光源的发光机理

普通光源的各原子或分子所发出的光波是持续时间约为的波列，彼此完全独立

光源的发光原理：发光过程是原子的外层电子进行能级跃迁的过程。




特点：同一原子发光具有瞬时性和间歇性、偶然性和随机性，而不同原子发光具有独立性。
结论：普通光源发出的光波不满足相干条件，不是相干光，不能产生干涉现象。

二.光的颜色与光谱
光是可以引起视觉的电磁波。
颜色：不同频率引起不同的颜色感觉。

单色光：指具有确定的单一频率的光。
光单色性的度量：谱线宽度。
一束光，设其中心强度为处的波长为，则光强下降到处所对应的两点处的波长差称为谱线宽度。

三.光强
能引起眼睛视觉效应和照相底片感光作用的是光波中的电场。
光学中常把电场强度代表光振动，并把矢量称为光矢量。光振动指的是电场强度随时间周期性地变化。
光强：不同的振幅引起不同的强度感觉。

12.1.2 光的相干性

两个频率相同、光矢量E方向相同的光源所发出的光振幅和光强分别为和。在空间点相遇，合成光振幅和光强分别为

:两光振动在点的相位差

一.非相干叠加
频率相同、振动方向相同。

来自两个独立光源的两束光，或同一光源不同部位所发出的光，叠加后的光强等于两光束单独照射时的光强之和，故观察不到干涉现象。

二.相干叠加
频率相同,振动方向相同，相位差恒定。


三. 相干光
1．什么是光的干涉现象
两束光的相遇区域形成稳定的、有强有弱的光强分布。
2．相干条件
①振动方向相同
②振动频率相同
③相位相同或相位差保持恒定
3 ．相干光与相干光源
两束满足相干条件的光称为相干光
相应的光源称为相干光源
4．普通独立光源获得相干光的两种方法
•原理：
将同一光源上同一点或极小区域发出的一束光分成两束，让它们经过不同的传播路径后，再使它们相遇，它们是相干光。
•方法：
分波阵面法：把光波的阵面分为两部分
杨氏双缝干涉、菲涅耳双棱镜、洛埃镜
分振幅法：利用两个反射面产生两束反射光
薄膜干涉（劈尖干涉、牛顿环）

12－2 杨氏双缝干涉

一、杨氏双缝干涉

1、杨氏简介

托马斯·杨（Thomas Young） 英国物理学家、医生和考古学家，光的波动说的奠基人之一 波动光学：杨氏双缝干涉实验 生理光学：三原色原理 材料力学：杨氏弹性模量 考古学 ：破译古埃及石碑上的文字

2、杨氏双缝干涉实验装置

1801年，杨氏巧妙地设计了一种把单个波阵面分解为两个波阵面以锁定两个光源之间的相位差的方法来研究光的干涉现象。杨氏用叠加原理解释了干涉现象，在历史上第一次测定了光的波长，为光的波动学说的确立奠定了基础。
3、干涉明、暗条纹条件


波程差




白光照射时，出现彩色条纹

4、双缝干涉光强分布

二 其他分波阵面干涉装置

1.菲涅耳双面镜

菲涅尔双面镜：结论与杨氏双缝干涉相同，只不过只在屏上部分区域出现条纹。
2.洛埃镜

洛埃镜：结论与杨氏双缝干涉相反，且只在屏幕上半部分区域出现条纹。

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.

明、暗纹位置
考虑到反射光有半波损失，所以波程差为

(1) 明纹：

(2) 暗纹：

相邻明（暗）纹间距
（杨氏、洛埃镜都属于分波阵面干涉）

12-3 光程与光程差

光程：光在媒质中的几何路程与该媒质折射率的乘积 。



:光在真空中的波长


平行光束经过透镜后汇聚于焦点或者焦平面上的一点，平行光通过透镜后各光线的光程相等。
结论：在各光线的垂线后，光程差为零，即透镜不带来附加光程差。
（1）光程差为零只说明光程相等，并不是几何路程相等。
（2）垂线之后（图中虚线）光程差为零。

12.4 薄 膜 干 涉

薄膜干涉：扩展光源投射到透明薄膜上，其反射光或透射光的干涉。
阳光下的肥皂泡
白光下的油膜
镜头镀膜

12.4.1 薄膜干涉

12.4.2 增透膜与增反膜

12－5 劈尖干涉 牛顿环

一、劈尖干涉

1、劈尖干涉的实验装置

2、结论

3 劈尖干涉的应用

二、牛顿环

1、实验装置

12.6 迈克耳孙干涉仪

迈克耳孙干涉仪的应用
•迈克耳孙干涉仪的两臂中便于插放待测样品，由条纹的变化测量有关参数，精度高。
•在光谱学中，应用精确度极高的近代干涉仪可以精确地测定光谱线的波长极其精细结构；
•在天文学中，利用特种天体干涉仪还可测定远距离星体的直径以及检查透镜和棱镜的光学质量等等。