《物理光學(xué)》第3章光的干涉和干涉儀

《《物理光學(xué)》第3章光的干涉和干涉儀》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫。

1、物理光學(xué)第三章光的干涉和干涉儀鄧曉鵬教學(xué)目的：1.深入理解兩個(gè)光波的非相干疊加和相干疊加，深入理解相干條件和光的干涉定義；2.了解光干涉的本質(zhì)及雙光束干涉的一般理論；3.牢固掌握揚(yáng)氏雙光束非定域分波前干涉裝置的干涉光強(qiáng)分布的各種規(guī)律；4.牢固掌握分振幅等頃干涉的條紋形狀、光強(qiáng)分布規(guī)律、定域問題及其應(yīng)用；5.牢固掌握分振幅等厚干涉的條紋形狀、光強(qiáng)分布規(guī)律、定域問題及其應(yīng)用；6.牢固掌握邁克耳遜干涉儀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，改變間隔d時(shí)的干涉條紋變化以及干涉儀的應(yīng)用；7.牢固掌握干涉場可見度的定義，光波場的空間相干性和時(shí)間相干性對于干涉可見度的影響；8.掌握光的相干條件，相干光的

2、獲得方法，光源的相干性。本章概述：光的干涉現(xiàn)象是指當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)光波（光束）在空間相遇疊加時(shí)，在疊加區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的各點(diǎn)強(qiáng)度穩(wěn)定的強(qiáng)弱分布現(xiàn)象。本章的研究只局限于兩光束干涉，下一章將研究多光束干涉。由于實(shí)際光波不是理想單色光波，因而要使實(shí)際光波發(fā)生干涉，必須利用一定的裝置,讓光波滿足某些條件（干涉條件）。使光波滿足干涉條件的途徑有多種，因此，相應(yīng)地有多種干涉裝置（干涉儀）。從獲得滿足干涉條件的方法上分，干涉儀分為兩類：分波前干涉儀和分振幅干涉儀。從后面的分析將可以看到：前者只容許使用足夠小的光源，而后者可把光源尺寸拓展，因而可以獲得強(qiáng)度較大的干涉效應(yīng)。歷史上最早使用實(shí)驗(yàn)

3、方法研究光的干涉現(xiàn)象的是ThomasYoung。其后菲涅耳等人用波動理論很好地說明了干涉現(xiàn)象的各種細(xì)節(jié)，至20世紀(jì)初干涉理論可謂已相當(dāng)完善，本世紀(jì)三十年代，范西特和澤尼克發(fā)展了部分相干理論，使干涉理論進(jìn)一步臻于完善。一般說來光源、干涉裝置（能產(chǎn)生兩束或多束光波并形成干涉現(xiàn)象的裝置）和干涉圖形構(gòu)成干涉問題的三個(gè)要素。其中，“光源”的性質(zhì)由位置、大小、亮度分布和光譜組成等因素決定；干涉裝置的性質(zhì)主要體現(xiàn)它對各個(gè)光束引入的位相延遲；干涉圖形由光強(qiáng)分布描述，包括干涉條紋的形狀、間距、反襯度和顏色等。通常它可以被直接測量。對干涉問題的研究主要是研究這三個(gè)要素之間的關(guān)系，達(dá)到

4、由其中兩者求出第三者的目的。第一節(jié)實(shí)際光波干涉及實(shí)現(xiàn)一、光的干涉現(xiàn)象在兩束(或多束)光在相遇的區(qū)域內(nèi),各點(diǎn)的光強(qiáng)可能不同于各光波單獨(dú)作用所產(chǎn)生的光強(qiáng)之和,形成穩(wěn)定的明暗交替或彩色條紋的現(xiàn)象,稱為光的干涉現(xiàn)象。穩(wěn)定干涉是指在一定的時(shí)間間隔內(nèi)，光強(qiáng)的空間分布不隨時(shí)間改變。強(qiáng)度分布是否穩(wěn)定是區(qū)別相干和不相干的主要標(biāo)志。二、相干條件如右上圖所示，當(dāng)用兩個(gè)貌似相同的光源照明兩個(gè)小孔S1和S2時(shí)，在觀察屏上無論如何也看不到強(qiáng)弱變化的干涉條紋。但是如果只用一個(gè)很小的“單色”光源照明時(shí)，如右下圖所示，在觀察屏上立刻可以看到強(qiáng)弱變化的干涉條紋。如果改用日光燈通過一個(gè)小孔照明兩個(gè)小孔

5、時(shí)，還可以看到彩色的干涉條紋。上述現(xiàn)象說明：兩個(gè)獨(dú)立的、彼此沒有關(guān)聯(lián)的普通光源發(fā)出的光波不會發(fā)生干涉現(xiàn)象。只有當(dāng)兩個(gè)光波來自同一個(gè)光源，即由同一個(gè)光波分離出來的時(shí)候它們才可能發(fā)生干涉。不相干(不同原子發(fā)的光)不相干(同一原子先后發(fā)的光)∴∵由于同一原子先后發(fā)出的光及同一瞬間不同原子發(fā)出的光的頻率、振動方向、初相位、發(fā)光的時(shí)間均是隨機(jī)的，沒有固定的位相和偏振關(guān)系，無法形成穩(wěn)定光強(qiáng)分布，而接收器靈敏度有限，只能記錄光強(qiáng)的時(shí)間平均值，因此觀察不到干涉現(xiàn)象。如圖所示，兩同頻同振動方向光波迭加區(qū)域內(nèi)某點(diǎn)P,在極短時(shí)間內(nèi)合光強(qiáng)為：式中a1和a2為兩光波的振幅，δ為兩光波的位相

6、差。在觀測時(shí)間τ內(nèi)，應(yīng)該有許多波列通過P點(diǎn)，并且每對波列都可能產(chǎn)生不同的強(qiáng)度，因此在P點(diǎn)觀察到的強(qiáng)度是時(shí)間τ內(nèi)的平均強(qiáng)度：這表示P點(diǎn)的平均光強(qiáng)度取決于兩光波在P點(diǎn)的相位差δ，它可以大于、小于和等于兩光波強(qiáng)度之和。由于疊加區(qū)域內(nèi)不同的點(diǎn)有不同的相位差，所以不同點(diǎn)將有不同的光強(qiáng)度，即兩光波產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。如果在時(shí)間τ內(nèi)各個(gè)時(shí)刻到達(dá)的兩光波的位相差δ迅速且無規(guī)則地變化，多次經(jīng)歷0和2π之間的一切數(shù)值，則上式積分：即P點(diǎn)不發(fā)生干涉現(xiàn)象。兩個(gè)獨(dú)立光源發(fā)出的光波的疊加，就是這種情況。如果位相差固定不變，則：結(jié)論：只有兩個(gè)光波有著緊密關(guān)聯(lián)，這兩個(gè)光波才會發(fā)生干涉。具體條件為：1、

7、兩迭加光波光矢量頻率相同；2、兩迭加光波光矢量的振動方向相同；3、兩迭加光波的位相差固定不變。以上所述三個(gè)必要條件通常稱為相干條件，滿足這三個(gè)條件的光波稱為相干光波，相應(yīng)的光源稱為相干光源。只有相干光波才可能產(chǎn)生光的干涉現(xiàn)象。必要條件關(guān)于振動方向的說明：當(dāng)兩個(gè)疊加光波振動方向垂直時(shí)，不產(chǎn)生干涉（光強(qiáng)=I1+I2）；當(dāng)兩個(gè)疊加光波振動方向平行時(shí)，產(chǎn)生干涉；當(dāng)兩個(gè)疊加光波振動方向之間有一夾角時(shí)，只有兩光波的平行分量產(chǎn)生干涉。三、光波分離方法由于原子發(fā)出光波波列的相位、頻率和振動方向的隨機(jī)性，因此不滿足相干條件。要獲得嚴(yán)格滿足相干條件的相干光，只能將源于同一波列的光通過

8、一定的裝置