產(chǎn)生干涉的條件.ppt

1、第3章 光的干涉 (Interference),光的干涉、衍射和偏振特性是光的波動(dòng)性的主要特征，它們是許多光學(xué)儀器和測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)。本章研究光的干涉特性。,3.1.1 產(chǎn)生干涉的基本條件 (The basic conditions for 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(shí)，在重疊區(qū)內(nèi)形成穩(wěn)定的強(qiáng)弱強(qiáng)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,E1 與 E2 振動(dòng)方向間的夾角為 ， P 點(diǎn)處的總光強(qiáng)為,I1、I2 是二光束的光強(qiáng)； 是二光束的相位差

2、，且有,1. 兩束光的干涉現(xiàn)象,二光束疊加后的總強(qiáng)度并不等于這兩列波的強(qiáng)度和，而是多了一項(xiàng)交叉項(xiàng) I12，它反映了這兩束光的干涉效應(yīng)，通常稱為干涉項(xiàng)。 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(qiáng)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。,1. 兩束光的干涉現(xiàn)象,顯然，如果干涉項(xiàng) I12 遠(yuǎn)小于兩光束光強(qiáng)中較小的一個(gè)，就不易觀察到干涉現(xiàn)象；,1. 兩束光的干涉現(xiàn)象,如果兩束光的相位差隨時(shí)間變化，使光強(qiáng)度條紋圖樣產(chǎn)生移動(dòng)。,在能觀察到穩(wěn)定的光強(qiáng)分布的情況下，滿足,滿足,的空間位置為光強(qiáng)極大值，且光強(qiáng)極大值 IM 為,1. 兩束光的干涉現(xiàn)象,當(dāng)兩束光強(qiáng)相等， ，相應(yīng)的極大值

3、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(qiáng)極小值，且光強(qiáng)極小值 Im 為,光強(qiáng)極大值的條件是,光強(qiáng)極大值是,光強(qiáng)極小值的條件是,光強(qiáng)極小值是,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(jiàn)度（對(duì)比度）,首先引入一個(gè)表征干涉效應(yīng)程度的參量干涉條紋可見(jiàn)度，由此深入分析產(chǎn)生干涉的條件。,2. 產(chǎn)生干涉的條件,1）干涉條紋可見(jiàn)度（對(duì)比度）,當(dāng)干涉光強(qiáng)的極小值 Im= 0 時(shí)，V = l，二光束 完全 相干，條紋最清晰； 當(dāng) IM= Im 時(shí)，V = 0，二光束完全不相干，無(wú) 干涉條紋； 當(dāng) IM Im 0 時(shí)，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。

4、,2）產(chǎn)生干涉的條件,影響光強(qiáng)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(dòng)方向夾角和二光束的相位差。,2）產(chǎn)生干涉的條件,(1)對(duì)干涉光束的頻率要求,當(dāng)二光束頻率相等， = 0 時(shí)，干涉光強(qiáng)不隨時(shí)間變化，可以得到穩(wěn)定的干涉條紋分布。 當(dāng)二光束的頻率不相等， 0 時(shí)，干涉條紋將隨著時(shí)間產(chǎn)生移動(dòng)，且 愈大，條紋移動(dòng)速度愈快。 要求二干涉光束的頻率盡量相等。,（2）對(duì)二干涉光束振動(dòng)方向的要求,由（6）、（7）式可見(jiàn)，若二光束光強(qiáng)相等，則,（2）對(duì)二干涉光束振動(dòng)方向的要求,若 = 0，二光束的振動(dòng)方向相同時(shí)，V = l，干涉 條紋最清晰； 若 = / 2，二光束正交振動(dòng)時(shí)，V = 0，不發(fā)生干

5、涉； 當(dāng)0 / 2時(shí)，0 V 1，干涉條紋清晰度介于 上面兩種情況之間。 要求二光束的振動(dòng)方向相同。,(3) 對(duì)二干涉光束相位差的要求,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。,可見(jiàn)，要獲得穩(wěn)定的干涉條紋，則： （1）兩束光波的頻率應(yīng)當(dāng)相同； （2）兩束光波在相遇處的振動(dòng)方向應(yīng)當(dāng)相同； （3）兩束光波在相遇處應(yīng)有固定不變的相位差。 這三個(gè)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。,2）產(chǎn)生干涉的條件,3. 實(shí)現(xiàn)光束干涉的基本方法,通常稱滿足相干條件的光波為相干光波，相應(yīng)的光源叫相干光源。,（1）兩束光波的頻率應(yīng)當(dāng)相同； （2）兩

6、束光波在相遇處的振動(dòng)方向應(yīng)當(dāng)相同； （3）兩束光波在相遇處應(yīng)有固定不變的相位差。,一個(gè)光源包含有許許多多個(gè)發(fā)光的原子、分子或電子，每個(gè)原子、分子都是一個(gè)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(lái)的。 但是每個(gè)單個(gè)原子的發(fā)光都不是無(wú)休止的，每次發(fā)光動(dòng)作只能持續(xù)一定的時(shí)間，這個(gè)時(shí)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(diǎn),1）原子發(fā)光的特點(diǎn),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(gè)獨(dú)立的發(fā)光中心， 其發(fā)光動(dòng)作雜亂無(wú)章，彼此無(wú)關(guān)。,1)原子發(fā)光的特點(diǎn),不同原子產(chǎn)生的各個(gè)波列之間、同一個(gè)原子先后產(chǎn)生的

7、各個(gè)波列之間，都沒(méi)有固定的相位關(guān)系,這樣的光波疊加，當(dāng)然不會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。,1)原子發(fā)光的特點(diǎn),在一有限的觀察時(shí)間 內(nèi)，二光束疊加的強(qiáng)度是時(shí)間 內(nèi)的平均，即為,如果在 內(nèi)各時(shí)刻到達(dá)的波列相位差 無(wú)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。,1）原子發(fā)光的特點(diǎn),因此,即二光束疊加的平均光強(qiáng)，恒等于二光波的光強(qiáng)之和，不發(fā)生干涉。,上式的積分為,1）原子發(fā)光的特點(diǎn),不僅從兩個(gè)普通光源發(fā)出的光不會(huì)產(chǎn)生干涉, 就是從同一個(gè)光源的兩個(gè)不同部分發(fā)出的光也是不相干的。,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: . 激勵(lì)能源（使原子激發(fā)）; . 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（有合適的亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)）; .光學(xué)諧振腔（方向性，光放大，單色性）。,2）獲得相干光的方法,分波面法：將一個(gè)波列的波面分成兩部分或幾部分,由這每一部分發(fā)出的波再相遇時(shí)，必然是相干的，下面討論的楊