5102相干光 、光源的发光特性 光源( (ight source的最基本发光单元是分子、原子 1普通光源:自发辐射 波列:一个原子每一次发光只能发出一段长度有限、频率一定和振动方向 定的光波,这一段光称为一个波列。这一跃迁过程所经历的时间很短,约为108s。 发光时间r~108秒 能级跃迁辐射 波列 入→ V=(E2-Er/h 波列长L=rc 辐射跃迁与波列 E 态 跃迁 自发辐 原子能级及发光跃迁 个原子发光是间歇的,不同原子发光是独立 独立指前后发光间隔、频率、相位关系、振动方向和传播方向均独立。普通光由 光源中许多原子发出的相互独立的波列组成 2激光光源:受激辐射 E 完全一样 V=(E2-E1/h (频率、相位、振动方向) Er 激光光源发光(受激辐射
1 §10.2 相干光 一、光源的发光特性 光源(light source)的最基本发光单元是分子、原子。 1 普通光源：自发辐射 波列：一个原子每一次发光只能发出一段长度有限、频率一定和振动方向一 定的光波，这一段光称为一个波列。这一跃迁过程所经历的时间很短，约为 10-8 s。 一个原子发光是间歇的，不同原子发光是独立的 独立指前后发光间隔、频率、相位关系、振动方向和传播方向均独立。普通光由 光源中许多原子发出的相互独立的波列组成。 2 激光光源：受激辐射 原子能级及发光跃迁 基态 激 发 态 E n 自发辐射 P 2 1 发光时间 ～10-8 秒 = (E2-E1)/h E1 E2 能级跃迁辐射 波列 波列长 L = c 辐射跃迁与波列 = (E2-E1)/h E1 E2 完全一样 (频率、相位、振动方向) 激光光源发光(受激辐射) 跃迁
激光发出的波列完全相同。 3光矢量 光一般指的是电磁波谱中可见光区域的电磁波;可见光波长范围:076 光密介质和光疏介质是由折射率划分的 电场强度E和磁场强度H的同步振动构成了电磁波。电磁波中能引起视觉和使 感光材料感光的原因主要是振动着的电场E。所以将我们关心的电场振动称为光 振动,场强称为光矢量。若两束光的光矢量满足相干条件,则它们是相干光,相 应的光源叫相干光源 二、相干和非相干叠加 光波方程(波函数) 2丌r E=E cos ot 式中 E一一任意时刻的电振动位移 Φ。一初相位 E一电振动振幅 λ一一光波波长 O一一圆频率 讨论点到原点距离 上式对应的光波是理想的平面简谐波,是一个无限长的余弦波。 光波的光强:光强即光波的能流密度 即 I∝A 同频率的两列光波叠加 E1=E0 E2=E0 2丌r; E1o +E20+ 2E1oExo cos Ao 合振幅 相位差 △=啊o-g0-2(2-) 合光强 1∝E=E+E3+2E1E20co(2-)
2 激光发出的波列完全相同。 3 光矢量 光一般指的是电磁波谱中可见光区域的电磁波；可见光波长范围：076－ 0.40m。光密介质和光疏介质是由折射率划分的。 电场强度E和磁场强度H的同步振动构成了电磁波。电磁波中能引起视觉和使 感光材料感光的原因主要是振动着的电场E。所以将我们关心的电场振动称为光 振动，场强称为光矢量。若两束光的光矢量满足相干条件，则它们是相干光，相 应的光源叫相干光源。 二、相干和非相干叠加 光波方程（波函数） 式中： E——任意时刻的电振动位移 Ф0——初相位 E0——电振动振幅 λ——光波波长 ω——圆频率 r——讨论点到原点距离 上式对应的光波是理想的平面简谐波，是一个无限长的余弦波。 光波的光强：光强即光波的能流密度 即 同频率的两列光波叠加 合振幅 相位差 合光强 2 2 2 0 10 20 10 20 2 1 I E E E E E = + + − 2 cos( ) E10 E20 E0 1 2 0 2 cos o r E E t = − + 1 2 2 2 I uA = 2 I A 1 1 0 1 2 cos o r E E t = − + 2 2 0 2 2 cos o r E E t = − + 2 2 2 10 20 10 20 E E E E E = + + 2 cos 10 20 2 1 ( ) 2 r r = − − −
称2√2cos△φ为相干项 1.光的非相干叠加 因为两个非相干光源之间无固定的相位差,g2-9。不固定,ΔΦ随时间作随机 变化,即以相同的概率取0-2n间的所以值,所以在一个周期内的平均值 cos△dod=0 其中相干项cos(2-an)=0; 所以 Ⅰ∝E2=E2+E2 或I 证明: (E2+E2+2E0E20cos△ +E202+2E1 s△t =E102+E202+2E10E20 cOS =E,+E 2.光的相干叠加 对于相干光源,ΔΦ固定且与时间无关, △p=-0-=,( (-仅是空间的 函数 所以1=l1+12+2√12cos(g2-9) 证明: E10+E202+2E10E2 E12+E2+2E10E2 dt E2+2E0E20Cos△ 3.相干光叠加后的光强
3 称 为相干项。 1. 光的非相干叠加 因为两个非相干光源之间无固定的相位差， 20 −10 不固定，ΔФ随时间作随机 变化，即以相同的概率取0－2п间的所以值，所以在一个周期内的平均值 其中相干项 cos( 20 −10 ) = 0 ； 所以 2 20 2 10 2 I E0 = E + E 或 1 2 I = I + I 证明： 2. 光的相干叠加 对于相干光源，ΔФ固定且与时间无关， 仅是空间的 函数， 所以 1 2 1 2 2 1 I I I I I = + + − 2 cos( ) 证明： 3. 相干光叠加后的光强 1 2 1 2 I I I I I = + + 2 cos 1 2 2 cos I I 0 1 cos 0 T dt T = 10 20 2 1 ( ) 2 r r = − − − ( ) 2 2 2 10 20 10 20 0 2 2 10 20 10 20 0 2 2 2 10 20 10 20 0 2 2 2 10 20 10 20 0 2 2 10 20 1 2 cos 1 2 cos 2 cos 2 2 sin T T E E E E E dt T E E E E dt T E E E E tdt E E E E t E E = + + = + + = + + = + + = + 2 2 2 10 20 10 20 0 2 2 10 20 10 20 0 2 2 10 20 10 20 1 2 cos 1 2 cos 2 cos T T E E E E E dt T E E E E t dt T E E E E = + + = + + = + +
令00=0o=0 对应的波程差为△p=n(-)=x△6,46称为波程差 Ⅰ=l,+Ⅰ,+2 ±2k丌(k=01,2,…),干涉相长 △=±(2k+1)x(k=0.2,…),干涉相消 ±k(k=0,1,2,…干涉相长 ±(2k+1)(k=012,…),干涉相消 综上所述:我们把能产生相干叠加的两束光称为相干光,相干叠加必须满足 振动频率相同,方向相同,相位差恒定的条件。 相干条件:两相干光满足频率相同,振动方向相同,相位差恒定。 三、普通光源获得相干光的途径 普通光源发光特点:每个原子一次发光只能发出频率一定、振动方向一定而 程度有限的光波(波列),即原子发光有无序性。所以同一个原子先后发出的波 列之间、不同原子发出的波列之间都没有固定的相位关系,振动方向和频率也不 尽相同,故两个独立的普通光源发出的光不是相干光。 普通光源:白炽灯、钠光灯、太阳等光源,是相对激光而言的。 1分波阵面法( method of dividing wave front):从同一波阵面上取出两部分作为 相干光源,即用分光束获得相干光;如杨氏实验等 2分振幅法( method of dividing amplitude):将一普通光源上同一点发出的光,利 用反射或折射等方法使它“一分为二”,沿两条不同的路径传播并相遇,这时原 来的每一个波列都分成了频率相同、振动方向相同,相位差恒定的两部分,当它 们相遇时,就能产生干涉现象。其原理是利用反射、折射把波面上某处的振幅分 成两部分,再使它们相遇从而产生干涉现象。如薄膜干涉等。 光源
4 令 20 10 = = 0 对应的波程差为 ( 2 1 ) 2 2 r r = − = ， 称为波程差。 1 2 1 2 2 1 I I I I I = + + − 2 cos( ) ，干涉相消 ，干涉相长 ( 0,1,2, ) ( 0,1,2, ) (2 1) 2 = = + = k k k k ，干涉相消 ，干涉相长 ( 0,1,2, ) ( 0,1,2, ) (2 1) = = + = k k k k 综上所述：我们把能产生相干叠加的两束光称为相干光，相干叠加必须满足 振动频率相同，方向相同，相位差恒定的条件。 相干条件：两相干光满足频率相同，振动方向相同，相位差恒定。 三、普通光源获得相干光的途径 普通光源发光特点：每个原子一次发光只能发出频率一定、振动方向一定而 程度有限的光波（波列），即原子发光有无序性。所以同一个原子先后发出的波 列之间、不同原子发出的波列之间都没有固定的相位关系，振动方向和频率也不 尽相同，故两个独立的普通光源发出的光不是相干光。 普通光源：白炽灯、钠光灯、太阳等光源，是相对激光而言的。 1 分波阵面法 (method of dividing wave front)：从同一波阵面上取出两部分作为 相干光源，即用分光束获得相干光；如杨氏实验等。 2 分振幅法(method of dividing amplitude)：将一普通光源上同一点发出的光，利 用反射或折射等方法使它“一分为二”，沿两条不同的路径传播并相遇，这时原 来的每一个波列都分成了频率相同、振动方向相同，相位差恒定的两部分，当它 们相遇时，就能产生干涉现象。其原理是利用反射、折射把波面上某处的振幅分 成两部分，再使它们相遇从而产生干涉现象。如薄膜干涉等。 * 光源 1 s 2 s
分波面法 分振幅法 p 薄膜 用普通光源获得相干光的典型途径 四、干涉讨论的问题 1)相干光是谁 2波程差(光程差)计算 3)条纹特点(形状、位置、分布、条数、移动等) 4)光强公式、光强曲线
5 四、干涉讨论的问题 1)相干光是谁 2)波程差(光程差)计算 3)条纹特点(形状、位置、分布、条数、 移动等) 4)光强公式、光强曲线 · p * S 薄膜 分振幅法 p * S 分波面法 用普通光源获得相干光的典型途径 ·