產(chǎn)生干涉條件課件

1、第2章 光的干涉 (Interference),光的干涉、衍射和偏振特性是光的波動性的主要特征，它們是許多光學儀器和測量技術(shù)的基礎。本章研究光的干涉特性。首先介紹產(chǎn)生干涉的基本條件，典型的雙光束干涉裝置，雙光束、多光束干涉特性及常用的干涉儀，薄膜技術(shù)；最后討論光的相干性，簡單介紹部分相干光理論。,2.1.1 產(chǎn)生干涉的基本條件 (The basic conditions for interference ),2.1 雙光束干涉(Two-

2、beam interference),白光下的肥皂膜,白光下的油膜,光的干涉是指兩束或多束光在空間相遇時，在重疊區(qū)內(nèi)形成穩(wěn)定的強弱強度分布的現(xiàn)象。,白光入射的楊氏雙縫干涉照片,紅光入射的楊氏雙縫干涉照片,例如，下圖所示的兩列單色線偏振光,1. 兩束光的干涉現(xiàn)象,在 P 點相遇，E1 與 E2 振動方向間的夾角為 ? ，則 P 點處的總光強為,式中，I1、I2 是二光束的光強；? 是二光束的相位差，且有,1. 兩束光的干涉現(xiàn)象,由此可見

3、，二光束疊加后的總強度并不等于這兩列波的強度和，而是多了一項交叉項 I12，它反映了這兩束光的干涉效應，通常稱為干涉項。干涉現(xiàn)象就是指這兩束光在重疊區(qū)內(nèi)形成的穩(wěn)定的光強分布。所謂穩(wěn)定，是指用肉眼或記錄儀器能觀察到或記錄到條紋分布，即在一定時間內(nèi)存在著相對穩(wěn)定的條紋分布。,1. 兩束光的干涉現(xiàn)象,顯然，如果干涉項 I12 遠小于兩光束光強中較小的一個，就不易觀察到干涉現(xiàn)象；如果兩束光的相位差隨時間變化，使光強度條紋圖樣產(chǎn)生移動，且

4、當條紋移動的速度快到肉眼或記錄儀器分辨不出條紋圖樣時，就觀察不到干涉現(xiàn)象了。,1. 兩束光的干涉現(xiàn)象,在能觀察到穩(wěn)定的光強分布的情況下，滿足,滿足,的空間位置為光強極大值，且光強極大值 IM為,1. 兩束光的干涉現(xiàn)象,當兩束光強相等， ，相應的極大值和極小值分別為,1. 兩束光的干涉現(xiàn)象,的空間位置為光強極小值，且光強極小值 Im 為,①光強極大值的條件是,光強極大值是,②光強極小值的條件是,光強極小

5、值是,1. 兩束光的干涉現(xiàn)象,2. 產(chǎn)生干涉的條件,1）干涉條紋可見度（對比度）,①當干涉光強的極小值 Im= 0 時，V = l，二光束完全 相干，條紋最清晰；②當 IM= Im 時，V＝0，二光束完全不相干，無干涉條紋；③當 IM ? Im? 0 時，0 < V < 1，二光束部分相干，條紋清晰度介于上面兩種情況之間。,首先引入一個表征干涉效應程度的參量—干涉條紋可見度，由此深入分析產(chǎn)生干涉的條件。,2）產(chǎn)生干涉的條

6、件,由上述二光束霓加的光強分布關(guān)系（3）式可見，影響光強條紋穩(wěn)定分布的主要因意是，二光束頻率以及二光束振動方向夾角和二光束的相位差。,(1)對干涉光束的頻率要求,由二干涉光束相位差的關(guān)系式可以看出：①當二光束頻率相等，?? = 0 時，干涉光強不隨時間變化，可以得到穩(wěn)定的干涉條紋分布。②當二光束的頻率不相等，?? ? 0 時，干涉條紋將隨著時間產(chǎn)生移動，且 ?? 愈大，條紋移動速度愈快。因此，為了產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，要求二干涉光束的頻率盡

7、量相等。,在 P 點相遇，E1 與 E2 振動方向間的夾角為 ? ，則P 點處的總光強為,式中，I1、I2 是二光束的光強；? 是二光束的相位差，且有,（2）對二干涉光束振動方向的要求,由（6）、（7）式可見，若二光束光強相等，則,若? = 0，二光束的振動方向相同時，V = l，干涉條紋 最清晰；若? = ? / 2，二光束正交振動時，V = 0，不發(fā)生干涉；當0< ? < ? / 2時，0< V < 1，

8、干涉條紋清晰度介于上面兩種情況之間。所以，為了產(chǎn)生明顯的干涉現(xiàn)象，要求二光束的振動方向相同。,(3) 對二干涉光束相位差的要求,由(3)式可見，為了獲得穩(wěn)定的干涉圖形，二干涉光束的相位差必須固定不變，即要求二等頻單色光波的初相位差恒定。實際上，考慮到光源的發(fā)光特點，這是最關(guān)鍵的要求。,可見，要獲得穩(wěn)定的干涉條紋，則：（1）兩束光波的頻率應當相同；（2）兩束光波在相遇處的振動方向應當相同；（3）兩束光波在相遇處應有固定不變的相位差。

9、 這三個條件就是兩束光波發(fā)生干涉的必要條件，通常稱為相干條件。,3. 實現(xiàn)光束干涉的基本方法,由上面的討論可見，為了實現(xiàn)光束干涉，對于光波提出了嚴格的要求，因此也就對產(chǎn)生干涉光波的光源提出了嚴格要求。通常稱滿足相干條件的光波為相干光波，相應的光源叫相干光源。,眾所周知，一個光源包含有許許多多個發(fā)光的原子、分子或電子，每個原子、分子都是一個發(fā)光中心，我們看到的每一束光都是從大量原子(發(fā)光中心)發(fā)射和匯集出來的。但是每個單個原子的發(fā)光都不是

10、無休止的，每次發(fā)光動作只能持續(xù)一定的時間，這個時間很短(小于10-8s)，因而每次原子發(fā)光只能產(chǎn)生有限的一段波列。,1)原子發(fā)光的特點,1）原子發(fā)光的特點,進一步，由光的輻射理論知道，普通光源的發(fā)光方式主要是自發(fā)輻射，即各原子都是一個獨立的發(fā)光中心，其發(fā)光動作雜亂無章，彼此無關(guān),1)原子發(fā)光的特點,因而,不同原子產(chǎn)生的各個波列之間、同一個原子先后產(chǎn)生的各個波列之間，都沒有固定的相位關(guān)系，這樣的光波疊加，當然不會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象?；蛘哒f，

11、在一極短的時間內(nèi)，其疊加的結(jié)果可能是加強，而在另一極短的時間內(nèi)，其疊加的結(jié)果可能是減弱，于是在一有限的觀察時間 ? 內(nèi)，二光束疊加的強度是時間 ? 內(nèi)的平均，即為,1）原子發(fā)光的特點,如果在 ? 內(nèi)各時刻到達的波列相位差 ? 無規(guī)則地變化，? 將在? 內(nèi)多次(可能在108次以上)經(jīng)歷 0 與 2? 之間的一切數(shù)值，這樣，上式的積分為,因此,即二光束疊加的平均光強，恒等于二光波的光強之和，不發(fā)生干涉。,1）原子發(fā)光的特點,由此看來，

12、不僅從兩個普通光源發(fā)出的光不會產(chǎn)生干涉，就是從同一個光源的兩個不同部分發(fā)出的光也是不相干的。因此，普通光源是一種非相干光源。,60年代出現(xiàn)的一種新型光源——激光器所產(chǎn)生的激光有很好的相干性，它是一種相干光源。,產(chǎn)生激光的必要條件:ｌ. 激勵能源（使原子激發(fā)）;２. 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（有合適的亞穩(wěn)態(tài)能級）;３.光學諧振腔（方向性，光放大，單色性）。,,2） 獲得相干光的方法,由上面關(guān)于相干條件的討論可知，利用兩個獨立的普通光源是不可能產(chǎn)生

13、干涉的，即使使用兩個相干性很好的獨立激光器發(fā)出的激光束來進行干涉，也是相當因難的事，其原因是它們的初相位關(guān)系不固定。,在光學中，獲得相干光、產(chǎn)生明顯可見干涉條紋的唯一方法就是把一個波列的光分成兩束或幾束光波，然后再令其重合而產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉效應。這種“一分為二”的方法，可以使二干涉光束的初相位差保持恒定。,2）獲得相干光的方法,一般獲得相干光的方法有兩類：分波面法和分振幅法。分波面法是將一個波列的波面分成兩部分或幾部分，由這每一部分發(fā)出的

14、波再相遇時，必然是相干的，下面討論的楊氏干涉就屬于這種干涉方法。分振幅法通常是利用透明薄板的第一、二表面對入射光的依次反射，將入射光的振幅分解為若干部分，當這些部分的光波相遇時將產(chǎn)生干涉，這是一種很常見的獲得相干光、產(chǎn)生干涉的方法，下面討論的平行平板產(chǎn)生的干涉就屬與這種干涉方法。,2）獲得相干光的方法,①分波面法：楊氏干涉②分振幅法：平行平板產(chǎn)生的干涉,1. He-Ne激光的雙光束干涉演示實驗 在實驗室中為了演示分波面法的雙光

15、束干涉，最常采用的是圖2-2所示的雙縫干涉實驗。用一束He-Ne激光照射兩個狹縫S1、S2，就會在縫后的白色屏幕上出現(xiàn)明暗交替的雙縫干涉條紋。,2.1.2 由分波振面法產(chǎn)生的光的干涉現(xiàn)象,圖 2-2 He-Ne激光的雙縫干涉實驗,2. 楊氏雙縫干涉,由于狹縫S和雙縫S1、S2都很窄，均可視為次級線光源。從線光源S發(fā)出的光波經(jīng)SS1P和SS2P兩條不同路徑，在觀察屏P點上相交，其光程差為：,Δ=(R2-R1)+(r2-r1)=Δ

16、R+Δr,在d<<D，且在y很小的范圍內(nèi)考察時，相應二光的相位差為：,① 如果S1、S2到S的距離相等，ΔR=0，則對應φ=2mπ(m=0,±1, ±2, …)的空間點：為光強極大，呈現(xiàn)干涉亮條紋；對應φ=(2m+1)π的空間點： 為光強極小，呈現(xiàn)干涉暗條紋。,因此，干涉圖樣如圖2-2所示，是與y軸垂直、明暗相間的直條紋。相鄰兩亮(暗)條紋間的距離是條紋間距ε，且 其中w=

17、d/D叫光束會聚角?？梢?，條紋間距與會聚角成反比；與波長成正比，波長長的條紋較短波長疏。在實驗中，可以通過測量D、d和ε，計算求得光波長λ。,② 如果S1、S2到S的距離不同，ΔR≠0，則對應于的空間點是亮條紋；對應于的空間點是暗條紋。即干涉圖樣相對于ΔR=0的情況，沿著y方向發(fā)生了平移。,3. 菲涅耳雙棱鏡干涉,分波前干涉裝置。由兩塊底面相合、頂角很小且相等的薄三棱鏡構(gòu)成，實際上是由同一塊玻璃磨制而得，如圖，單色

18、縫光源S與雙棱鏡的棱脊平行（垂直于圖面），發(fā)出的光波經(jīng)上下兩棱鏡折射后形成兩束相干的折射光，它們可看作是從虛光源S1和S2發(fā)出，在重疊區(qū)的幕上可觀察到干涉條紋 ，條紋性質(zhì)與楊氏干涉條紋同。測量光的波長。,4.菲涅耳雙面鏡干涉,分波前干涉裝置。由兩塊夾很小角度j的平面反射鏡組成。如圖，單色縫光源S與兩反射鏡M1和M2的交線平行，所發(fā)光波經(jīng)M1和M2反射后得兩束反射光，它們是從同一入射波前分出的，可看作是從虛光源S1和S2發(fā)出的相干光波，

19、S1和S2是縫光源由兩反射鏡所生成的虛像。在兩反射光束的重疊區(qū)產(chǎn)生干涉，條紋性質(zhì)與楊氏干涉條紋同（見楊氏實驗）。改變角度j，即改變S1和S2的間距，可改變干涉條紋的間距。,5. 洛埃鏡干涉,6. 三點說明①在兩束光的疊加區(qū)內(nèi)，到處都可以觀察到干涉條紋，只是不同地方條紋的間距、形狀不同而已。這種在整個光波疊加區(qū)內(nèi)，隨處可見干涉條紋的干涉，稱為非定域干涉。與非定域干涉相對應的是定域干涉。 ②在這些干涉裝置中，都有限制光束的狹縫或