17.1光波,光源,光的相干叠加和非相干叠加
光学干涉原理：光波在空间中的叠加和消除
光学干涉原理：光波在空间中的叠加和消除
光学干涉是一种波动现象，涉及光波在空间中相遇、叠加和干涉的过程。
以下是光学干涉的基本原理：
相干光源：干涉需要来自相干光源的光波，即频率相同、相位关系恒定的光波。
例如，来自同一光源的波或者来自相干光源的波。
波前：光波传播时，可以用波前来表示波的位置。
波前是在相同相位的波的集合，可以是平面波前、球面波前等。
相位差：相位差是指两个波前上某一点的相位差异。
这是干涉中非常关键的概念，因为相位差的大小将决定叠加波的相对增强或抵消。
干涉条件：干涉现象发生的条件是两个或多个波前相交并在某一点上产生干涉。
为了产生明显的干涉，波的相位差需要满足特定的条件，通常为整数倍的波长。
光程差：光程差是两个波前上某一点的光程之差。
光程差和相位差之间存在关系，光程差等于相位差除以波数。
光程差的变化导致相位差的变化，从而影响干涉。
干涉条纹：当两个波相遇并满足干涉条件时，它们会发生叠加，形成交替的明暗条纹，被称为干涉条纹。
明条纹对应波的增强相位差，暗条纹对应波的抵消相位差。
干涉模式：干涉模式的形成取决于波的相位差的空间分布。
如果相位差随空间的变化是规律的，那么就会形成一定的干涉图样，比如干涉环或干涉条纹。
光学干涉的应用非常广泛，包括干涉测量、干涉显微镜、干涉光栅等。
这些应用都依赖于光波的干涉特性，通过调控光程差、波源相干性等因素，实现对光的精密操控和测量。
相干叠加和非相干叠加
相干叠加和非相干叠加
相干叠加和非相干叠加都是波的叠加方式，不同的是它们在波的相位关系方面存在区别。
相干叠加是指两个或多个波的相位关系保持不变或变化规律相同的情况下进行叠加。
在相干叠加中，各个波的振幅和相位都会对叠加结果产生影响。
如果两个波的相位相同，它们的振幅将相加并产生增强效应；如果它们的相位相反，振幅将相消并产生消减效应。
因此，相干叠加可以产生干涉现象，如双缝干涉和杨氏双缝干涉等。
非相干叠加是指两个或多个波的相位关系随机或变化规律不同的情况下进行叠加。
在非相干叠加中，各个波的振幅对叠加结果产生影响，但相位差对叠加结果的影响几乎可以忽略不计。
因此，非相干叠加不产生干涉现象，如光源的自然发光和热辐射等都是非相干光。
在非相干叠加中，各个波之间相互独立，叠加后的结果是各个波的简单加和。
相干现象的基本原理
相干现象的基本原理相干现象是光学中一种重要而复杂的现象，其基本原理是光波的叠加和干涉。
在光的传播过程中，当两束或多束光波相遇时，它们会发生干涉现象，这种干涉现象就被称为相干现象。
相干现象广泛应用于光学、物理等领域，如干涉仪、光栅、光波导等。
一、光波的叠加光波的叠加是相干现象的基础。
当两束或多束光波在空间中相遇时，它们会叠加在一起，形成新的光波。
光波的叠加是指两个或多个光波的振幅相加，其中正相加会使振幅增大，负相加会使振幅减小。
二、相干性相干性是指两束或多束光波在空间和时间上的关系。
在干涉现象中，如果两束或多束光波的频率、相位、波长等都相等或相差一个整数倍时，它们就具有相干性。
相干性是决定相干现象产生的关键因素。
三、干涉现象当两束或多束相干光波相遇时，它们会发生干涉现象。
干涉可以分为波前干涉和波动干涉。
波前干涉是指不同光源发出的光波经过空间中的不同路径传播后，在某一点上相遇，产生干涉现象。
波动干涉是指单一光源发出的光波经过不同路径传播后，在某一点上相遇，产生干涉现象。
四、干涉的类型干涉现象可分为两种类型：构成干涉和破坏干涉。
构成干涉是指两束或多束光波在相遇处会相互加强或相互减弱，产生明暗交替的条纹或干涉图样。
破坏干涉是指两束或多束光波相互叠加后会彼此消除或部分消除，不会产生干涉图样。
五、应用领域相干现象的应用非常广泛。
在光学领域，相干现象是干涉仪的基础理论，干涉仪可以用于测量非常小的长度、角度和折射率等物理量。
光栅也是相干现象的重要应用之一，利用光波的干涉现象可以实现光栅的制作和应用。
另外，相干现象还广泛应用于光学成像、光学信息处理、光学通信等领域，对于提高光学器件的性能和实现高精度测量具有重要作用。
总结：相干现象是光学中重要的现象之一，它是光波叠加和干涉的结果。
相干性是决定相干现象产生的关键因素，而干涉现象可分为波前干涉和波动干涉。
在应用上，相干现象广泛应用于光学、物理等领域，并在干涉仪、光栅等设备中发挥着重要的作用。
光的叠加与分析
光的叠加与分析光是我们生活中不可或缺的一部分，它使得我们看到周围的世界，它给予了我们色彩和光影的变化。
在光的世界中，一个有趣而重要的现象是光的叠加与分析。
本文将探讨光的叠加原理以及相关的分析方法。
光的叠加原理是指当两束或多束光线相遇时，会产生干涉现象。
这是由于光波的特性决定的，当光线相遇时，它们会互相影响，使得光的强弱、亮度和颜色发生变化。
光线的叠加可以分为两种类型，即相干叠加和非相干叠加。
相干叠加是指光线之间存在固定的相位差，这种叠加使得光线增强或抵消，形成明暗条纹。
著名的Young双缝实验就是相干叠加现象的经典案例。
当一束光通过两个微小的缝隙后，在屏幕上形成明暗相间的干涉条纹，这是由于两束光线的相干叠加造成的。
非相干叠加则是指光线之间没有固定的相位差，在时间和空间上都是随机的。
这种叠加使得光线的亮度增强，但不会形成干涉条纹。
常见的非相干叠加现象包括散射和衍射，例如阳光穿过云层时的云影、荧光灯的光线等。
在光的分析中，对光的叠加进行分析有助于我们了解其特性和行为。
其中一个重要的方法是使用干涉仪。
干涉仪是一种用于观察光的干涉现象的仪器，常见的干涉仪有迈克尔逊干涉仪和马赫-曾德尔干涉仪。
这些仪器利用光的干涉现象，通过观察干涉条纹的形成和变化，来研究光的波动性和相干性。
另一个常用的分析方法是光谱分析。
光谱分析是将光线通过光栅或棱镜分离成不同波长的光组成，称为光谱。
通过观察和记录不同波长的光线的强度和位置，我们可以获得光的波长、频率、颜色等信息。
光谱分析在物理、化学、天文学等领域有着广泛的应用。
除了干涉仪和光谱分析，还有其他一些分析技术和方法，如衍射、偏振、相位调制等。
这些方法在光学仪器、光通信等领域发挥着重要的作用。
总结起来，光的叠加与分析是研究光的特性和行为的重要手段。
通过对光的叠加现象的观察和分析，我们可以深入理解光的波动性、干涉现象和光谱特性。
这些知识的应用不仅在科学研究中具有重要意义，也对技术和工程领域有着广泛的应用前景。
17.1光波,光源,光的相干叠加和非相干叠加
2 折射率 n
是光在真空中的波长
17.1光波、光源、光的相干和非相干叠加
二 光源及其发光特点 1 光源 能发出一定波长范围的电磁辐射的物体 2 光源的分类 (1) 根据物体辐射的频率来分 (2) 根据发光的方法来分 热光源:白炽灯,太阳 冷光源:化学发光(磷氧化时发光) 电致发光(霓虹灯、闪电) 光致发光(日光灯)
(k 0,1,2...)
17.1光波、光源、光的相干和非相干叠加
讨论
光程差变化的常见情况
(1)真空中加入厚 d 的介质、产生附加光程差
d
n
r
[( r d ) nd ] r (n 1)d
(2)光由光疏介质(n较小)射到光密介质(n较 大)界面上反射时附加 2 光程差
17.1光波、光源、光的相干和非相干叠加
17.1光波、光源、光的相干和非相干叠加
三 获得相干光源的方法 1 分波阵面法 它是将同一波阵 面上两个不同部 分作为相干光源. 如: 杨氏双缝, 洛埃镜， 菲涅耳双镜等
波阵面分割法
s1
光源 *
s2
17.1光波、光源、光的相干和非相干叠加
2 分振幅法 它是将透明薄膜两 个面的反(或透)射 光作为两个相干光 源 如:薄膜干涉 迈克耳孙干涉仪
六 薄透镜的性质
透镜不引起附加的光程差
A o B
A
F
焦平面
F
'
B
17.1光波、光源、光的相干和非相干叠加
可见光的频率、波长范围 颜色
红
中心频率 (×1014Hz)
4.5
中心波长 ( nm )
660
波长范围 ( nm )
780—622
橙
黄 绿 青
光的相干叠加
光程差每改变1个波长，条纹移动1个间隔
干涉条纹的反衬度（可见度）
• 反衬度的定义：在接收屏上一选定的区域 中，取光强最大值和最小值，有
IM Im
IM Im
I M ( A1 A2 ) 2 , I m ( A1 A2 ) 2
2 A1
2 A1 A2
A2
A12 A22 1 ( A1 )2
R1 S1
•
O
R2
S2
S1
h
S2 b
• R1 S1
R2
S2
向
O
上 移
动
？
O
0
L (R2 r2 ) (R1 r1) 0
条纹位移x与 点源位移s的 关系
单色点光源 s •
R1 s1 d
R2 s2 R
r1
r2
D
x
·
x
0
z
定点考察0
L (R2 r2 ) (R1 r1) 0
R s; D d
或条纹的
fx
1 x
空间频率 (空间周期 性的直观）
fy
1 y
x Y y
4.3 惠更斯—菲涅耳原理
• 一．光的衍射现象 • 波绕过障碍物继续传播，也称绕射 。 • 二．次波 • 光波是振动的传播，波在空间各处都引起
振动。 • 波场中任一点，即波前上的任一点，都可
视为新的振动中心。 • 这些振动中心发出的光波，称为次波。
A1
cos
(2
n1r1
t 01)
2 A2 cos(k2r2 t 02 )
A2
cos(2
n2r2
t
02 )
P(x, y, z) r1
S1
光波的叠加 物理光学 教学 讲义
光波的叠加物理光学教学讲义光波的叠加物理光学教学讲义第一节光波的叠加概述1. 光的波动性光既可以被看作是一束由粒子构成的粒子流，也可以被看作是一种波动的现象。
在物理光学中，我们将光视为一种波动，通过光的波动性可以解释和预测光的各种现象。
2. 光波的叠加原理光波的叠加原理是指当两个或多个光波相遇时，它们的振幅将叠加在一起形成新的光波。
具体说来，如果两个光波的相位差为整数倍的波长，它们的振幅将相加，形成增强的光波；如果相位差为奇数倍的波长，它们的振幅将相消，形成减弱的光波。
3. 光的干涉和衍射光的干涉是指两个或多个光波相遇形成干涉图样的现象。
光的衍射是指光通过绕过障碍物或通过狭缝时产生的弯曲和扩散现象。
干涉和衍射是光波叠加现象的典型表现。
第二节光的干涉叠加1. 杨氏双缝干涉实验介绍杨氏双缝干涉实验的原理和装置，包括光源、双缝、屏幕和观察装置等。
讲解双缝干涉的干涉图样，解释干涉条纹的形成原因。
2. 干涉条纹的特性和解释解释干涉条纹的亮暗规律，讲解干涉条纹的等倾和等厚条纹。
解释波的叠加和相位差的概念，引出双缝干涉的相长干涉和相消干涉。
3. 劈尖光的干涉介绍劈尖光的准直性和运动方向，讲解劈尖光的产生和观察方法。
讲解劈尖光与非劈尖光的干涉差异，解释劈尖光的干涉条纹。
第三节光的衍射叠加1. 单缝衍射介绍单缝衍射实验的原理和实验装置，包括光源、单缝、屏幕和观察装置等。
讲解单缝衍射的衍射图样，解释衍射图样的特性和规律。
2. 衍射级别和衍射极大解释衍射级别和衍射极大的概念，讲解衍射极大的定量计算方法。
解释衍射级别的关系，引出衍射极大的间隔公式。
3. 衍射光栅的原理和应用介绍衍射光栅的结构和制作方法，讲解光栅的分光作用和解析度的概念。
讲解光栅的应用，包括光谱仪、分光计和光学信息存储等。
第四节光波的叠加应用1. 全息术介绍全息术的原理和实验装置，讲解全息图样的形成过程和观察方法。
讲解全息术的应用，包括全息照相、全息显微术和全息存储等。
第1节 光波的相干叠加(1)
第 1 节光波的相干叠加一、光源 1、原子发光图像 物体发光的原因是原子中电子的跃迁，处于激发态的电子不稳定，它会向低能级跃迁，能量以电磁波的形式发散出来，这就是原子发光。
即使是同一个原子，不同时刻发出的电磁波，其相位和振动方向一般不同。
所以同一光源不同点发出的光线，一般不是相干光。
两个普通光源发出的光，一般也不是相干光。
2、光的相干条件以及双光束干涉的强度分布 几列波在空间相遇时，只要各自的扰动不十分强烈，且所处介质具有线性响应特性，则各波可以保持其原有的传播特性，即频率、振幅、振动方向等不变，并在离开相应区域后 仍按各自原来的行进方向独立地前进，彼此无影响。
当几列波在同一空间传播时，相遇的区域内各点将同时参与每列波在该点的扰动。
合扰动等于各列波单独在该点产生的扰动的线性叠加。
说明：（1）对于机械波而言，即介质质点的振动；对光波而言，即电场强度矢量的变化。
（2）所谓线性叠加，对于标量波而言，叠加波的波函数等于参与叠加的各列波的 波 函数的代数和；对于矢量波而言，叠加波的波函数等于各列波波函数的矢量和。
（3）线性叠加性质以独立传播性质为前提条件，是波动方程具有线性性质的必然 结 果。
波动方程是否满足线性条件取决于波的扰动强度和所处介质的响应特性。
波的扰动强度 较小或该介质对扰动有线性响应，即线性叠加性质及独立传播性质均成立；波的扰动强度较 大或介质对扰动有非线性响应，两都将不再成立。
定义光强为：。
两列波在空间中的 P 点相遇，可求得合振动矢量与强度：（1）当两列波的振动方向垂直时，，此时：（2）当两列波的振动方向平等时，，此时：（3）干涉的意义： 假设：某时刻两列同频率且振动方向平行的矢量波，在空间相遇点 P 的振动状态：1其中：这说明，瞬时叠加强度不仅与两列波各自的强度大小有关，而且还与两列波在叠加 点的相位差有关。
相位差不同，叠加强度的大小不同。
因此，相遇区的瞬时叠加强度将呈现 出一种非均匀分布。
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17.1光波、光源、光的相干和非相干叠加
2 光程差与相位差的关系 假设有两个频率为 的相干光源 S1和 S 2 , 初相相同, 其振动方程为
E1 E10 cos(2t )
E2 E20 cos(2t )
在相遇点引起的分振动为：
E1P E10 cos[2 (t
1
2 P
17.1光波、光源、光的相干和非相干叠加
四 相干条件 1 必要条件: 两光波的频率相同、振动方向相同或有 相同的振动分量、在相遇点有恒定的相差 2 充分条件： 两光波到达相遇点的光程差不能太大、 在相遇点的光振动矢量的振幅相差也不能 太大
17.1光波、光源、光的相干和非相干叠加
五 光程、光程差、光程差和相位差的关系 1 光程: 光在介质中走过的路程 r 和介质折射 率 n的乘积,即nr c r nr r c v v 介质中光通过某一几何路程的光程等于在 相同时间内光在真空中通过的路程 采用光程的概念,相当于把光在不同介质 中走的路程折算为光在真空中的路程,这样 便于比较光在不同介质中所走路程的长短
622—597
597—577 577—492 492—470
蓝
紫
7.0
7.3
430
410
470—455
455—390
2
i
L 3
1
A
P
C 4 E 5
B
17.1光波、光源、光的相干和非相干叠加
要使从同一波列分离出来的两列波能够 重叠并发生干涉,两个波列到达相遇点的光程 差不能太大. 能够产生干涉现象的最大光程差称为相 干长度,相干长度等于一个波列的长度 氪的一种同位素 Kr 38发出的红光的波列 长度为700 mm ,氦氖激光器产生的激光的相干 长度,从理论上可达几十公里
17.1光波、光源、光的相干和非相干叠加
一 光的电磁理论 1 光速c 真空中的光速
c
1
1
0 0
c 2.998 10 m.s
8
光在介质中传播的速度为
v 1
c
r r
cv
17.1光波、光源、光的相干和非相干叠加
r E E 0 cos (t ) v 平面电磁波方程 r H H 0 cos (t ) v 光波是横波,具有偏振性
17.1光波、光源、光的相干和非相干叠加
三 获得相干光源的方法 1 分波阵面法 它是将同一波阵 面上两个不同部 分作为相干光源. 如: 杨氏双缝, 洛埃镜， 菲涅耳双镜等
波阵面分割法
s1
光源 *
s2
17.1光波、光源、光的相干和非相干叠加
2 分振幅法 它是将透明薄膜两 个面的反(或透)射 光作为两个相干光 源 如:薄膜干涉 迈克耳孙干涉仪
2 折射率 n
是光在真空中的波长
17.1光波、光源、光的相干和非相干叠加
二 光源及其发光特点 1 光源 能发出一定波长范围的电磁辐射的物体 2 光源的分类 (1) 根据物体辐射的频率来分 (2) 根据发光的方法来分 热光源:白炽灯,太阳 冷光源:化学发光(磷氧化时发光) 电致发光(霓虹灯、闪电) 光致发光(日光灯)
光矢量: E 矢量能引起人眼视觉和底片 感光,叫做光矢量. : 400 ~ 760nm 可见光的范围 14 14 : 7.5 10 ~ 4.3 10 Hz
17.1光波、光源、光的相干和非相干叠加
光在真空中的速率 c与在介质中的速率 v 之比,称为该介质相对于真空的折射率,简称 折射率 c n v v c c n n n
E2 P E20 cos[2 (t r2
S1
r1 n1
P
1
r1
) ]
) ]
S2
r2 n2
2
17.1光波、光源、光的相干和非相叠加
在两列波在 P点的相位差为： r2 r1 2 ( ) 2 1 2 1 n1 n2
2 ( r2 r1 ) 2 n2 r2 n1r1 2 2 1
六 薄透镜的性质
透镜不引起附加的光程差
A o B
A
F
焦平面
F
'
B
17.1光波、光源、光的相干和非相干叠加
可见光的频率、波长范围 颜色
红
中心频率 (×1014Hz)
4.5
中心波长 ( nm )
660
波长范围 ( nm )
780—622
橙
黄 绿 青
4.9
5.3 5.5 6.5
610
570 540 480
17.1光波、光源、光的相干和非相干叠加
3 普通光源发光的特点 普通光源发光特点: 原子发光是断续的, 每次发光形成一个短短的波列,各原子每次发 光相互独立,各波列互不相干.
最显著的特点:间歇性和随机性
每个原子发光的持续时间很短,约为109 s 发出的波列长度只有0.1m 的数量级,并且各 个波列的振动方向,频率和相位一般是不相 同的
其中 : n2 r2 n1r1 为光程差(注意其计算)
17.1光波、光源、光的相干和非相干叠加
3 干涉条件 干涉加强:
2
2 k
2
2k 或
k (k 0,1,2...)
2
干涉减弱:
( 2k 1)
2
(2k 1) 或
(k 0,1,2...)
17.1光波、光源、光的相干和非相干叠加
讨论
光程差变化的常见情况
(1)真空中加入厚 d 的介质、产生附加光程差
d
n
r
[( r d ) nd ] r (n 1)d
(2)光由光疏介质(n较小)射到光密介质(n较 大)界面上反射时附加 2 光程差
17.1光波、光源、光的相干和非相干叠加