物理光學(xué)-第2章-光的干涉

物理光學(xué)第二章1產(chǎn)生干涉的條件；等傾干涉和等厚干涉；光場的相干性；多光束干涉的特點(diǎn)及其應(yīng)用牛頓的微粒說光是由發(fā)光物體發(fā)出的遵循力學(xué)規(guī)律的粒子流?；莞沟牟▌?dòng)說光是機(jī)械波，在彈性介質(zhì)“以太”中傳播。一、光學(xué)的研究內(nèi)容第2章光的干涉二、光的兩種學(xué)說2光的電磁理論——波動(dòng)性：干涉、衍射、偏振光的量子理論——粒子性：黑體輻射、光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)三、光的本性第2章光的干涉32.1光波的疊加2.1.1概述兩束光的干涉現(xiàn)象

肥皂泡和水面上的油膜所呈現(xiàn)出的美麗色彩就 是干 涉的結(jié)果。再如，把兩片玻璃擦干凈以后 再貼 在一起并壓緊，有的地方就會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則 的彩 色條紋，也是光波干涉的結(jié)果。

光波的特征參數(shù)

振幅； 相位； 偏振； 波長4兩束光的干涉現(xiàn)象

1801年，楊氏巧妙地設(shè)計(jì)了一種把單個(gè)波陣面分解為兩個(gè)波陣面以鎖定兩個(gè)光源之間的相位差的方法來研究光的干涉現(xiàn)象。楊氏用疊加原理解釋了干涉現(xiàn)象，在歷史上第一次測定了光的波長，為光的波動(dòng)學(xué)說的確立奠定了基礎(chǔ)。2.1光波的疊加2.1.2兩束光干涉的條件52.1光波的疊加

兩束光干涉的光強(qiáng)公式

6討論-兩個(gè)光波就能產(chǎn)生干涉的條件：⑴兩個(gè)光波的頻率相同；⑵位相差不隨時(shí)間變化，或者位相差隨時(shí)間的改變量遠(yuǎn)小于毫弧度（rad）；⑶兩個(gè)光波的偏振狀態(tài)不正交。2.1光波的疊加

72.1.3獲得相干光的方法

等光強(qiáng)雙光束干涉的光強(qiáng)分布

坐標(biāo)?光程差?位相差?光程?光強(qiáng)82.1.3獲得相干光的方法

兩個(gè)光源發(fā)出的光波為什么不相干同一光源的兩個(gè)不同部分發(fā)出的光也是不相干

92.1.3獲得相干光的方法

產(chǎn)生干涉的要求：①兩光波頻率相同；②兩光波在相遇處振動(dòng)方向相同；③兩光波在相遇處有固定不變的相位差。獲得相干光源的辦法就是把一個(gè)波列的光分成一束或幾束波，然后再令其重合而產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉效應(yīng)。分波陣面法分振幅法相干光與相干光源兩束滿足相干條件的光稱為相干光相應(yīng)的光源稱為相干光源

102.2分波面的雙光束干涉2.2.1 雙縫干涉托馬斯·楊（ThomasYoung）英國物理學(xué)家、醫(yī)生和考古學(xué)家，光的波動(dòng)說的奠基人之一波動(dòng)光學(xué)：楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)生理光學(xué)：三原色原理材料力學(xué)：楊氏彈性模量考古學(xué)：破譯古埃及石碑上的文字一、楊氏簡介11二、楊氏雙逢干涉的實(shí)驗(yàn)裝置

1801年，楊氏巧妙地設(shè)計(jì)了一種把單個(gè)波陣面分解為兩個(gè)波陣面以鎖定兩個(gè)光源之間的相位差的方法來研究光的干涉現(xiàn)象。楊氏用疊加原理解釋了干涉現(xiàn)象，在歷史上第一次測定了光的波長，為光的波動(dòng)學(xué)說的確立奠定了基礎(chǔ)。12三、雙縫干涉的光程差一般情況，r>>d13四、干涉條紋的位置（1）明條紋（2）暗條紋xI14五、干涉條紋的特點(diǎn)xI雙縫干涉條紋是與雙縫平行的一組明暗相間彼此等間距的直條紋，上下對(duì)稱。明條紋暗條紋條紋間距15六、光強(qiáng)分布16七、楊氏雙縫干涉的應(yīng)用（1）測量波長：（2）長度的測量微小改變量。例求光波的波長在楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，已知雙縫間距為0.60mm，縫和屏相距1.50m，測得條紋寬度為1.50mm，求入射光的波長。解：由楊氏雙縫干涉條紋間距公式

Δx=λd0/D可以得到光波的波長為

λ=Δx·D/d0代入數(shù)據(jù)，得λ=1.50×10-3×0.60×10-3/1.50=6.00×10-7m=600nm17兩虛象等效于楊氏雙孔.

屏幕

條紋間距為:屏上AB為干涉區(qū)．干涉區(qū)八、菲涅耳雙面鏡18光在介質(zhì)中傳播的距離折算成真空中的長度。在介質(zhì)中傳播的波長，折算成真空中波長兩光程之差叫做光程差相位差：2、光程差1、光程的引入和光程的概念一、計(jì)算光程差的公式2.3分振幅的雙光束干涉

2.3.1等傾干涉19當(dāng)用透鏡觀測干涉時(shí)，不會(huì)帶來附加的光程差。結(jié)論：干涉條件用相位差表示：用光程差表示：3、透鏡不引起附加的光程差20薄膜干涉屬于分振幅法4、實(shí)驗(yàn)裝置

2.3.1等傾干涉結(jié)論：相同的入射角對(duì)應(yīng)同一級(jí)條紋。因此，稱它為薄膜等傾干涉。光

與光

相遇在無窮遠(yuǎn)，或者在透鏡的焦平面上觀察它們的相干結(jié)果，所以稱它為定域干涉。21情況1：n1<n2<n3

有有沒有情況2：n1>n2>n3

半波損失無無沒有情況3：n1<n2>n3

有無有情況4：n1>n2<n3

無有有

產(chǎn)生半波損失的條件：光從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)，即n1<n2；小角度或掠入射；

半波損失只發(fā)生在反射光中；

對(duì)于三種不同的媒質(zhì)，兩反射光之間有無半波損失的情況如下：n1<n2<n3無n1>n2>n3無n1<n2>n3有n1>n2<n3有22

2.3.1等傾干涉5、強(qiáng)度分布公式6、觀察等傾干涉的實(shí)驗(yàn)裝置237、透射光的干涉：對(duì)于同一厚度的薄膜，在某一方向觀察到某一波長對(duì)應(yīng)反射光相干相長，則該波長在對(duì)應(yīng)方向的透射光一定相干相消。因?yàn)橐獫M足能量守恒。增透膜、增反膜用在光學(xué)儀器的鏡頭上，就是根據(jù)這個(gè)道理。由于兩支反射光的強(qiáng)度相差較小，所以反射光條紋的可見度比透射光條紋好得多。因此，在平板表面反射率很低的情況下，常常利用的是平板的反射光條紋，而不是透射光條紋。248、等傾條紋的性質(zhì)中央條紋干涉級(jí)次

條紋標(biāo)號(hào)

1，2，3，……N

2.3.1等傾干涉m0,m1,m1—1,m1—2，……mN

m+N=m1+1258、等傾條紋的性質(zhì)

條紋的半徑和間距26§2-3-2等厚干涉等厚干涉的定義：觀察等厚干涉的實(shí)驗(yàn)裝置27§2-3-3楔形平板產(chǎn)生的干涉

楔形平板在定域面某一點(diǎn)P產(chǎn)生的干涉28§2-3-3楔形平板產(chǎn)生的干涉條紋數(shù)目相鄰兩條紋間的距離

29§2-3-3楔形平板產(chǎn)生的干涉當(dāng)減小時(shí)e增加即條紋越來越稀，最后看不到了；當(dāng)增加時(shí)e減小越來越稀密，最后看不到了。由公式可測薄膜的厚度，利用上式還可測出條紋間距，即可求出楔形板的角度30例2、工件質(zhì)量檢測ba§2-3-3楔形平板產(chǎn)生的干涉31§2-4駐波入射波電矢量的各分量表達(dá)式

32§2-4駐波反射波的表達(dá)式

33§2-4駐波振幅最大振幅最小34§2-4駐波維納駐波實(shí)驗(yàn)35§2-5平行平板的多光干涉原因：例如,光束接近正入射從空氣射入玻璃平板內(nèi),反射率約為0.04,光束1的強(qiáng)度將為入射光強(qiáng)度的4%，光束2的強(qiáng)度為3.7%，而光束3的強(qiáng)度不到0.01%，所以第三支光束和繼后各光束實(shí)際上都可以忽略。但是,當(dāng)光束掠入射或當(dāng)平板表面鍍有金屬膜層或電介質(zhì)膜層使得反射率很高時(shí),就不能僅考慮頭兩束光的作用。例如,反射率R=0.9,且假設(shè)平板沒有吸收時(shí)，各反射光束的強(qiáng)度依次為（入射光強(qiáng)度設(shè)為1）：0.9,0.009,0.0073,0.00577,0.00467,0.00318,0.00306,各透射光強(qiáng)度依次為：0.01,0.0081,0.00656,0.00529,0.00431,0.00349,0.00284,可見，在反射光中，除光束1外其他各光束的強(qiáng)度相差不多，在透射光中，各光束的強(qiáng)度減弱很慢。因此，必須考慮多光束的干涉效應(yīng)。

36§2-5-1多光束干涉的強(qiáng)度分布

光程差：位相差37§2-5-1多光束干涉的強(qiáng)度分布疊加后反射光的復(fù)振幅為38§2-5-2干涉條紋的特點(diǎn)

平行平板的多光束干涉是等傾干涉。干涉光強(qiáng)的極大值與R無關(guān)，恒等于I0，等于入射光強(qiáng)。

最小光強(qiáng)與R·F有關(guān)且不等于零。

光強(qiáng)分布由反射率R決定。

R很小時(shí)，干涉光強(qiáng)變化不大，即干涉條紋極不明顯，可見度低。當(dāng)R增大時(shí)，F(xiàn)增大，減小，而不變，因而兩差值增加。39§2-5-2干涉條紋的特點(diǎn)40§2-5-2干涉條紋的特點(diǎn)干涉條紋的半寬度

41§2-5-2干涉條紋的特點(diǎn)條紋的精細(xì)度：用相鄰兩條紋間的距離2和條紋半寬度之比來表示條紋的銳度。42§2-8典型的雙光束干涉儀

2-8-1邁克耳遜干涉儀儀器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)干涉原理等傾干涉等厚干涉432-8-1邁克耳遜干涉儀干涉條紋的分析等厚干涉的直條紋白光干涉的特點(diǎn)級(jí)次低彩色442-8-1邁克耳遜干涉儀等傾干涉的圓條紋對(duì)第m級(jí)亮環(huán)來說，當(dāng)h變小時(shí)，就必然要增大,以保持不變,因此這第m級(jí)環(huán)所對(duì)應(yīng)的就跟著減小,也就是環(huán)的半徑不斷減小,環(huán)在向中心收縮。而且，每減少一個(gè)環(huán)，中心點(diǎn)的亮暗就要變化一次。中心點(diǎn)：452-8-1邁克耳遜干涉儀在圓環(huán)收縮的同時(shí)，條紋會(huì)不斷變粗，同一視場中的條紋數(shù)則越來越少。h變小，必然是e增大。

h變大時(shí)，環(huán)向外擴(kuò)，條紋變細(xì)。

46§2-8-2馬赫-澤德干涉儀光路圖47§2-9法布里-珀羅干涉儀干涉儀的結(jié)構(gòu)

(a) (b) 法布里—珀羅干涉儀產(chǎn)生的多光束干涉條紋(a)和邁克耳遜干涉儀產(chǎn)生的雙光束等傾干涉條紋(b)的比較48§2-9法布里-珀羅干涉儀干涉儀的性能參數(shù)若m不變，h連續(xù)變化，則通過法-珀干涉儀的波長連續(xù)變化因此可以通過調(diào)節(jié)h連續(xù)變化來測光源所含的成分。49§2-9法布里-珀羅干涉儀自由光譜范圍50§2-9法布里-珀羅干涉儀相鄰?fù)干漕l率正入射時(shí)，通過儀器的波長是分立的，波長間隔是非等間隔的，而正入射時(shí)，通過儀器的頻率是分立的，頻率間隔是等間隔的.

51§2-9法布里-珀羅干涉儀通過儀器后，每個(gè)透射譜本身有一定的半寬度，它是譜線中心兩邊相對(duì)光程下降到1/2那點(diǎn)的頻率間隔，波長間隔。這個(gè)半寬度相應(yīng)的位相差是52§2-9法布里-珀羅干涉儀儀器的分辨本領(lǐng)

53§2-9法布里-珀羅干涉儀儀器的分辨本領(lǐng)條紋精細(xì)度54§2-9法布里-珀羅干涉儀儀器的角色散率角越大，儀器的角色散愈大。所以干涉環(huán)中的光譜最純。55§2-7光源的相干性§2-7-1相干長度和相干時(shí)間時(shí)間相干性是指光源在兩個(gè)不同時(shí)刻發(fā)出的光波在輻射場的某一固定點(diǎn)上的干涉問題，是研究光場的時(shí)間相干性?？臻g相干性是指在同一時(shí)刻，考察光場內(nèi)空間的兩個(gè)不同點(diǎn)上的干涉問題時(shí)，則是研究光場的空間相干性。下面分別討論這兩方面的問題。56§2-7光源的相干性相干長度原子發(fā)出的光波的平均長度用l表示。相干長度是指光源發(fā)出的光被一分為二之后再合二為一時(shí)能夠產(chǎn)生干涉所允許的最大光程差（1）光源發(fā)出的光波列的平均長度（2）光源發(fā)出的光波列被一分為二，再合二為一才能產(chǎn)生干涉的最大光程差。（3）相干長度是光源單色性的標(biāo)志，用L越長，單色性越好，即光波列越長，顏色越純。57§2-7光源的相干性58§2-7光源的相干性相干時(shí)間相干時(shí)間代表：（1）光源發(fā)出一個(gè)光波到所用的平均時(shí)間。（2）