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第二章 光的性质2.1光的电磁理论 2.2光的干涉 2.3光的衍射 2.4光的偏振 2.5光的吸收、色散和散射 2.6光的量子性 2.7激光2.1 光的电磁理论 1 波动基本方程￿￿ 1865年麦克斯韦在总结前人实验的基础上， 得出麦克斯韦方程组，并预言电磁波的存在 在无源空间可得到光在非磁性的、各向同性 的极化介质中传输的波动方程式 2￿￿ 亥姆霍兹方程￿￿由麦克斯韦方程组的微分形式，可以推导真 空中亥姆霍兹方程 l3￿￿ 电磁波的性质l真空中的电磁波具有以下性质：l(1)电磁波是横波l(2)E和H同位相￿￿l(3)E和H幅值成正比￿￿l(4)电磁波的传播速度与光相同，表明光波也 是一种电磁波l(5)电磁场的能量和能流可以用能量密度和能 流密度来描述 l 1￿￿ 光的相干性l(1) 光矢量l在光波中，产生感光作用与生理作用的 主要是电场强度E，所以电矢量E称为光 矢量2.2 2.2 光的干涉光的干涉 l(2) 光的相干性￿￿l干涉现象是波动过程的基本特征之一l由频率相同，振动方向相同，位相相同或 位相差保持恒定的两个相干波源所发出的 波是相干波，在两束相干波相遇的区域里 ，有些点振动始终加强，有些点的振动始 终减弱或完全抵消，即产生干涉现象。

l光波也具有相干性l(3) 获得相干光的基本方法￿￿l一般光源发出的光是不相干的，但是可以采用下列两种方法来获得相干光：l① 分波阵面法￿￿l② 分振幅法 2￿￿ 杨氏双缝实验和洛埃镜实验 (1) 杨氏双缝干涉￿￿杨氏双缝实验是最早利用单一光源形成 两束相干光，从而获得干涉现象的典型 实验它是利用分波阵面法获得的￿￿ (2) 洛埃镜实验￿￿洛埃镜实验不但显示了光的干涉现象， 而且还显示了当光由光疏媒质射到光密 媒质并在其表面反射时，反射光的位相 发生了变化 l3￿￿薄膜干涉￿￿l(1) 光程与光程差￿￿l折射率n与光波在该媒质中传播的几何路 程r的乘积nr叫做光程l两束相干光在不同媒质中传播时，对干 涉加强(亮纹)和减弱(暗纹)条件起决定作 用是这两束光的光程差 l(2) 薄膜干涉￿￿l在日常生活中，常常看到水面上的油膜或肥皂 泡导在日光照射下出现美丽的花纹，这些都是薄膜的干涉现象l薄膜干涉原理在实际中的应用非常广泛，例如 全反射膜、增透膜、干涉仪等都是利用薄膜干 涉现象制成的l如果入射光垂直照射：￿￿满足δ=2n2e+λ/2=kλ k=1,2,… ，反射光的干涉加强l满足δ=2n2e+λ/2=（2k+1）λ/2 k=1,2,…，l 反射光的干涉减弱。

l(3) 增透膜和增反膜￿￿l薄膜干涉原理在镀膜技术中的应用主要有两个方面：l一方面是利用薄膜反射时，使某些波长的光因干涉而减弱，以增加透射光的强度，这种薄膜称为增透膜；l另一方面是利用薄膜表面反射时，使某些波长的光因干涉而加强，以减少透射光的强度，这种薄膜称为增反膜 4￿￿法布里－珀罗干涉仪l(1) 法布里－珀罗干涉仪的结构￿￿l法布里－珀罗干涉仪简称F－P干涉仪它是由 两块互相平行的平面玻璃板或石英板组成l(2) 法布里－珀罗干涉仪的性能参数￿￿l法布里－珀罗干涉仪所产生的多光束等倾干涉 条纹因其亮纹的宽度极窄，因此，它在光学上 是一种高分辨率的光谱仪器在光纤通信领域有广泛的应用l F－P干涉仪的性能参数有:￿￿l① 正入射情况的透射波长和透射频率￿￿l② 自由光谱范围ΔλFSR￿￿l③ 分辨本领可以用F－P干涉仪能分开的最小波 长差Δλmin表示 l Δλmin越小，仪器的分辨能力就越大l④ 角色散Dl 仪器的角色散是指单位波长间隔经分光仪器 后所分开的角度l 其定义为: D= dθ/dλl 角色散D愈大，不同波长的光经仪器后就分得 愈开 2.3 光的衍射 l1￿￿光的衍射现象·惠更斯－菲涅耳原理l光波绕过障碍物而传播的现象叫做光的衍射现 象。

l按照光源、衍射物、接收屏三者的相互位置可 把衍射分为两种：l 当光源、接收屏与衍射物之间的距离有限 时，这种衍射叫做菲涅耳衍射l 当光源、接收屏都距衍射物无限远时，这 种入射光和衍射光都是平行光的衍射称为夫琅 和费衍射 ￿￿ 单缝衍射条纹特点￿￿ ① 单缝衍射条纹是一系列平行于狭缝的明 暗相间的直条纹，它们对称地分布在中 央明纹两侧； ② 明纹亮度不均匀，中央明纹最亮，其它 各级明纹的亮度将随着级数的增高而逐 步减弱 ③ 条纹宽度 2￿￿夫琅和费单缝衍射3￿￿光栅衍射￿￿为了提高测量精度，必须提供一种 又亮又窄、间隔又很大的明条纹利用 衍射光栅可以做到这一点￿￿ (1) 衍射光栅￿￿衍射光栅分为：反射光栅和透射光栅它是近代物理实验中时常用到的一种重 要光学元件，是一种分光装置主要用来 形成光谱衍射光栅也常用于光纤通信 (2) 光栅衍射条纹的形成￿￿光栅衍射条纹是衍射和干涉的总效果光衍射角φ满足￿￿￿￿(a+b)sinφ=±kλ k=0,1,2,…(2-3-10)形成亮度很大的明条纹 2.4 光的偏振 光的偏振现象证明了光是横波 1￿￿自然光和偏振光(1) 线偏振光￿￿如果光矢量只沿一个固定的方向振动的光(2) 自然光￿￿平均来看，光矢量对于光的传播方向呈轴对 称均匀分布，没有任何一个方位更占优势，这 种光称为自然光。

3) 部分偏振光￿￿自然光在传播过程中，由于外界的某种作用，造成各个振动方向上的强度不等，使某一方向的振动比其他方向占优势，这种光叫作部分偏振光 2￿￿偏振片的起偏和检偏 马吕斯定律(1) 偏振片把具有选择吸收性的晶体(例如硫酸碘奎 宁)的细微晶粒涂在聚氯乙烯膜上，并沿 某一方向拉伸薄膜，使细微晶粒沿拉伸 方向整齐排列，然后将薄膜夹在两玻璃 片之间，便制成了偏振片偏振片允许通过的光振动方向，这个方 向称作偏振化方向，也叫透光轴 从自然光获得偏振光的过程叫起偏 检验偏振光的过程，称为检偏 自然光入射到偏振片上，透射光满足： 马吕斯定律：I=I0cos2α 3￿￿反射光和折射光的偏振儒斯特定律(1) 反射起偏 布儒斯特定律￿￿自然光入射在两种各向同性介质的分界面 上时，反射光和折射光都成为部分偏振光1812年，布儒斯特在实验中发现：反射光 的偏振化程度与入射角有关当入射角自然光 以起偏振角入射时，其反射光和折射光的传播 方向相互垂直，且反射光成为线偏振光2) 折射起偏 玻璃片堆￿￿自然光以起偏振角入射到两种介质界面时，折射光是以平行振动为主的部分偏振光射光的偏振化程度，可采用玻璃片堆，它由多片平行玻璃片叠合在一起构成。

4￿￿光的双折射现象￿￿光在两种各向同性的媒质的分界面上折射时，只有一束折射光线但是，当一束自然光折入各向异性晶体时 ，例如光线进入方解石晶体后，会分裂成为两束折射光线，它们沿不同方向折射，称为双折射现象2.5 光的吸收、色散和散射 光的吸收、色散、散射都是光波与 物质的相互作用过程 1￿￿光的吸收￿￿ (1) 吸收的线性规律￿￿光的吸收是指光波通过介质后，光强 因为减弱现象吸收的线性规律为：I=I0e-αl l(2) 光的吸收与波长的关系￿￿l物质对某些波长的光具有选择吸收性l在无线通信中，就要考虑大气对电磁波 的吸收问题l光纤对于某种波长的光波也具有强烈的 选择吸收性 l(3) 吸收光谱￿￿l光的吸收和光波的波长有关，吸收随光 波波长的变化就构成吸收光谱l2￿￿色散￿￿l (1) 色散的概念￿￿l色散是介质的折射率n随光波波长λ变化的 现象l (2) 正常色散￿￿l介质的折射率n是随波长λ的增加而减小的 色散叫正常色散l (3) 反常色散￿￿l反常色散是介质的折射率n随着波长λ的增 加而增加，与正常色散正好相反 l3￿￿散射￿￿l(1) 光的散射￿￿l当光通过不均匀介质时，会偏离原来的方向而 向四周传播，这种现象称为光的散射。

l(2) 线性散射￿￿l散射光的频率等于入射光的频率，散射光中没 有新频率的光产生，这类散射称为线性散射l(3) 非线性散射￿￿l散射光中除了入射光的频率或谱线之外，还有 新频率的光或新谱线产生，这类散射称为非线 性散射拉曼散射和布里渊散都属于非线性散 射 2.6光的量子性 l 对光的量子性的认识导致了激光技术 的发展，更导致了通信史上的革命l1￿￿黑体辐射和普朗克能量子假说l1900年普朗克为了得到与实验相符合的公 式，提出了著名量子假设l ε0=hν (2-6-2) l2￿￿光电效应和爱因斯坦光量子假说l 由于光的照射，使电子从金属中逸出 的现象称为光电效应￿￿l 为了解释光电效应现象，爱因斯坦于 1905年提出了光量子假说：光是由一粒 粒运动着的光子组成的，每个光子具有 确定的能量，只能作为一个整体被吸收 或产生￿￿￿￿l E=hν (2-6-3) l3￿￿光的波－粒二象性l它是指光在不同场合下表现出来两种同样 属性：当光在空间传播时主要表现出波动 性；当光与物质相互作用时，光的行为又 表现出粒子性。

￿￿l1924年德布罗意在普朗克、爱因斯坦假说 的基础上提出了物质波假说：一切实物粒 子波动－微粒二象性 2.7 激光￿￿ l激光Laser（Light amplification by stimulated emission of radiation） ，是指光的受激辐射放大l1960年梅曼研制了第一台激光器——红 宝石激光器 1￿￿光和物质的相互作用l光和物质的相互作用有三个主要过程：l(1) 自发辐射￿￿l(2) 受激辐射￿￿l(3) 受激吸收￿￿(1) 粒子数反转分布￿￿l要获得光放大，就必须有高能级粒子数N2 大于低能级粒子数N1的分布，称为粒子数 反转分布l实现粒子数反转是产生激光的必要条件l要形成粒子数反转，必须具备下述条件：l要有激活介质或增益介质其次，要有激励或称为泵浦 2￿￿激光的形成l(2) 粒子数反转的形成l对于不同类型的激光器，但激活介质必须由如下 系统：l① 三能级系统￿￿l② 四能级系统￿￿l(3) 光学谐振腔￿￿l产生激光必须选择传播方向和频率一定的某一光 信号优先放大，而对其它光信号加以抑制l通常在激活介质的两端放置互相平行的反射镜， 称为光学谐振腔。

l(1) 纵模l在激光谐振腔内，每一个谐振频率对应 一个驻波模式，这种纵向振荡模式称为 纵模l纵模谱线的频宽为Δνcl激光的频宽为Δν3￿￿激光的模式l 激光谱线有一定频率范围Δν，包 含有限个纵模只输出一个纵模的激光 器称为单纵模激光器，能输出多个纵模 的称为多纵模激光器l 激光器输出的纵模越多，激光的单 色性就越差因此，对要求单色性好的 激光器，必须采取选模措施，实现单纵 模输出 l(2) 横模￿￿l激光腔内与腔轴垂直的横截面内的稳定 光场分布叫做横模不同横模的光场分 布相差很大l基模的光强分布均匀，有较好的空间相 干性，是理想的横模l调节谐振腔可以抑制高阶横模，在腔内 放置适当孔径的光阑，都获得基模输出 激光的模式l纵模和横模各从一个侧面反映了谐 振腔内光场的稳定分布，两者统称 为激光的模式。