波动光学
光的本性
• 光的电磁理论——波动性：
干涉、衍射、偏振
• 光的量子理论——粒子性：
黑体辐射、光电效应、康普顿效应
▲ 几何光学： 以光的直线传播规律为基础，
研究各种成象光学仪器的理论。
▲ 波动光学： 研究光的电磁性质和传播规律， 特别是干涉、衍射、偏振的理论和应用。
▲ 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。
波动光学和量子光学，统称为物理光学
光的干涉
1 光的相干性 2 双缝干涉 3 薄膜干涉 4 迈克尔逊干涉仪
光的相干性
一、 光的电磁理论 当光经过物质时, 物质中的电子受到光波中的电
场作用比磁场作用强得多,人们把电场 E 矢量称为光 矢量，E 振动称为光振动.
光的颜色 红 橙 黄
各色光在真空中的波长
I 2I0
4.相干条件、相干光源
(1)频率相同
相干条件 (2)相位差恒定
(3)光矢量振动方向平行
2020/11/26
四、 普通光源发光机制的特点
1. 光源 光波的振源：原子或分子.
(1) 热辐射
两 普通光源 自发辐射 (2) 电致发光
大
(3) 光致发光
类
(4) 化学发光
光
源 激光光源 受激辐射
2020/11/26
2. 普通光源发光的两个特点
(1) 间歇性：
各原子发光是间歇的, 平均发光时间 约为10-8～10-11s，所 发出的是一段长为 L= c的光波列.
(2) 随机性:
每次发光是随机的，所发出各波列的振动方向和振动初 相位都不相同.
波列
··
独立（不同原子发的光）
独立（同一原子先后发的光）
波列长 L = c
我们称 nr为与介质中路程 r相应的光程 L
光程是光的等效真空路程，光在介质中传播的路程r 等效于光在真空中传播的路程nr
r1 r2 ri rn n1 n2 ni nn
光通过多种媒质时
L (niri )
光程差： L2 L1
相位差： 2
典型相位差与光程差：
— 真空中波长
[例]计算图中光通过路程 r1 和 r2 在P点的相差。
S1 n
r1 r2
S2 b
·P 2
r2 b nb r1
2
r2
r1 n 1b
2、介质对干涉条纹的影响
S1
r1
d
r2
S2
P
设无介质时，P为k级明纹
x
O
2
r2
r1
2k
设有介质时，P变为k’级明纹
2
r2 r1 b nb
2
r2
r1
n
1 b
2k
n 1b (k k) k
结论：自发辐射过程所发出的光不是相干光.
2020/11/26
3. 受激辐射和光的放大
1917年，爱因斯坦为了导出普朗克黑体辐射公式，从理 论上预言了原子发生“受激辐射”的可能性.
结论：
h E2 E1
h
诱发光子
E2
受激辐射光子
h
h
诱发光子
E1
受激辐射过程所发出的光是相干光.
2020/11/26
4. 相干光的获得方法
E1 E10cos(t 1)
E2 E20cos(t 2 )
S1
r1
P
r2
S2
E E1 E2 E0 cos(t )
式中： E0 E120 E220 2E10E20 cos(2 1)
光强：
2020/11/26
I
E02
1
0
E02dt
E120
E220
2E10 E20
1
cos dt
n2 1b n1 1b
n1
n2 n1 b
n2
O
由题意 n2 n1 b (5 0)
P
b 5 5 48001010 8106 m 8 m
n2 n1 1.70 1.40
3 . 透镜不会产生附加光程差
Aa Bb Cc
a
F·
A
b
B
c
C
F·
F
A、B、C 或 a、b、c都在同相面上。
I1 I2 I0
I 4I0
(2k 1)π , k 0,1,2,3...
如果
I Imin I1 I2 2 I1I2
I1 I2 I0
I 0
2020/11/26
3. 非相干叠加 若 在时间τ内等概率地分布在0 ~ 2π, 则干涉项：
cos 0
I I1 I2
如果
I1 I2 I0
波长(nm) 光的颜色
760－620 620－600 600－580
绿 蓝－靛
紫
波长(nm) 580－490 490－450 450－400
2020/11/26
沿着 z 方向传播的单色平面电磁波可以表示为：
Ex
E0cos[(t
z) u
]
Hy
H0cos[(t
z) u
]
x
E
O
y
H
u
z
式中：ω 为单色光波的角频率
0
I I1 I2 2
I1
I2
c1oscos dt 0
干涉项
2. 相干叠加 若 恒定，则干涉项： cos cos
(1) 干涉加强
I I1 I2 2 I1 I2 cos 2kπ , k 0,1,2,3...
如果 (2) 干涉减弱
I Imax I1 I2 2 I1I2
u 为单色光波在介质中相位的传播速率
u 1 c
r r
折射率为：
nc u
r
单色光波在介质中传播时波长为: ' u c
n n
2020/11/26
二、光的单色性 单色光——只含单一频率的光 复色光——不同频率单色光的混合：白光
利用分光镜测量光源的光谱
三、 光的相干性 1. 光波的叠加
(1) 分波前法（分波面干涉法） 当从同一个点光源或线光源发出的光波到达某平面时，
由该平面(即波前)上分离出两部分.
(2) 分振幅法（分振幅干涉法） 利用透明薄膜的上下两个表面对入射光进行反射，产生
的两束反射光.
1
23
2020/11/26
5.光程
在S1后加透明介质薄膜，干涉条纹如何变化？
P
S1
r1
x
d
r2
O
S2
1. 光程 为方便计算光经过不同介质时引起的相差，
引入光程的概念。
真空中： a· b·
r
b
a
2
r
— 真空中波长
介质中：
a· b· n
b
a
2π
r
r 介质 — 介质中波长
uT c T
nn
2 π nr
光在介质中传播路程r和在真空中传播路Δk=-(n-1)b/λ 条纹移动距离Δk·Δx
例 一双缝装置的一个缝为折射率1.40的薄玻璃片遮盖，另一 个缝为折射率1.70的薄玻璃片遮盖，在玻璃片插入以后，屏上 原来的中央极大所在点，现在为第+5级明纹所占据。假定 λ=480nm，且两玻璃片厚度均为b，求b值。
解：两缝分别为薄玻璃片遮盖后，两束相干光到达O点处 的光程差的改变为