光的干涉现象.ppt

第 2 章 光的干涉现象,2.1 双光束干涉 2.2 平行平板的多光束干涉 2.3 光学薄膜 2.4 典型干涉仪 2.5 光的相干性,概念复习 当两列或者多列光波在空间某处相遇时，如果在其重叠区域内能够产生相干叠加、光振动的振幅和光的强度在此重叠区域内能够形成空间周期性的稳定分布。 其结果最终在观察屏上能够产生一系列明、暗相间的稳定图样，这种现象称为光的干涉。,注意：叠加并不等于干涉！叠加仅仅是指两列光波在相遇处的相位差恒定，但即使相位差恒定并不一定都能够形成光的干涉。 例如，两列传播方向相同、频率相等、位相差恒定、振动方向正交的线偏振光叠加 椭圆偏振光或者圆偏振光（在特殊情况下才是线偏振），所以并不产生光的干涉现象。 可见，要产生光的干涉现象，还必须进一步满足别的条件。,光干涉现象的分类 （1）按照相位差是否恒定来划分 稳态干涉 瞬态干涉 （2）按照参与相干叠加的光束数目的多少来划分 双光束干涉 多光束干涉 （3）按照相干光产生的机理来划分 分（分割、切割、剪切）波振面法 典型双光束干涉 多光束干涉 分（分解）振幅法 等倾干涉 等厚干涉,2.1 双光束干涉 2.1.1 产生干涉的基本条件 1. 两束光的干涉现象 2. 产生干涉的条件 2.1.2 双光束干涉 1. 分波面法双光束干涉 2. 分振幅法双光束干涉,1. 两束光的干涉现象,2.1.1 产生干涉的基本条件,两列单色线偏振光,I1、I2是二光束的光强； 是二光束的相位差：,两列光在P点相遇， 与 振动方向间的夹角为，则在P点处的总光强为：,二光束叠加后的总强度并不等于两列波的强度和，而是多了 I12 ，它反映了这两束光的干涉效应，通常称为干涉项。,干涉现象两束光在重叠区内形成的稳 定的光强分布的现象。 “稳定”眼睛或记录仪器能观察到或记录到的条纹分布，即在一定时间内存在着相对稳定的条纹分布。,如果干涉项 I12 远小于两光束光强中较小的一个，就不易观察到干涉现象； 如果两束光的相位差随时间变化，使光强度条纹图样产生移动，且当条纹移动的速度快到肉眼或记录仪器分辨不出条纹图样时，就观察不到干涉现象。,在能观察到稳定的光强分布的情况下，满足干涉相长条件,的空间位置为光强极大值，且,满足干涉相消条件 = (2m+1) m=0, ±1, ±2， 的空间位置为光强极小值，且,如果两束光的强度相等即 I1= I2= I0，则相应的极大值和极小值分别为： IM= 2I0(1+cos) (极大值) Im= 2I0(1cos) (极小值),干涉条纹可见度,2. 产生干涉的条件,当干涉光强的极小值 Im = 0 时，V = 1，二光束完全相干，条纹最清晰；,当IM= Im时，V= 0，二光束完全不相干，无干涉条纹；,当IMIm0时，0V1，二光束部分相干，条纹清晰度介于上面两种情况之间。,传播方向相同（或者相近）的两列光波在相遇点： （1）频率相等, = 0时，I 不随 t 变化，可得到稳定的干涉条纹。, 0时，干涉条纹随 t 变化，且愈大，条纹移动速度愈快；当 大到一定程度时，肉眼或探测仪器就将观察不到稳定的条纹分布。,干涉的必要条件,（2）振动方向相同（或相近） 当两束光的强度相等时,当两束光的振动方向相同时， = 0，,cos =1， V =1； 干涉条纹的可见度最大，干涉条纹最清晰。,干涉的必要条件,当两束光的振动方向垂直时， = /2， cos = 0， V= 0； 干涉条纹的可见度为零，不发生干涉现象。 当两列光波的振动方向既不平行也不垂直， 0 /2，0cos 1，0V1； 干涉条纹的清晰程度介于上述两种情况之间。因此，要产生高清晰度的干涉图样，要求两束光的振动方向必须相同。,（3）相位差恒定（或者光程差固定）,干涉的必要条件,考虑到光源发光的特点，相位差恒定是关键。,（1）光振动的振幅相差不能太悬殊； 【理想情形是振幅相等】 （2）光程差相差不能太大。 【理想情形是两列光波等光程】 只有同时满足相干光的必要条件和补充条件，才能够在实验上获得稳定的、高清晰度的和高质量的干涉条纹。,干涉的补充条件,3. 实现光束干涉的基本方法,1）原子发光的特点 一个光源包含有许许多多个发光中心（原子、分子或电子），每一束光都是从大量发光中心发射出来的。 每个原子的发光持续时间 108秒，因而每次原子发光只能产生有限的一段波列。 普通光源的发光方式主要是自发辐射，各原子都是一个独立的发光中心，其发光动作杂乱无章，彼此无关。 不同原子产生的各个波列之间、同一个原子先后产生的各个波列之间，都没有固定的相位关系。,在一极短时间内，叠加的结果可能是加强；在另一极短时间内，叠加的结果可能是减弱，于是在有限的观察时间 内，二光束叠加的强度是时间 内的平均：,在 内各时刻到达的波列相位差 无规则地变化，则,因此,两个独立的普通光源不可能实现光的干涉； 激光是从激光器中发出的、高度有序的、具有高光子简并度的受激辐射的相干光，但两个独立的激光器也很难实现相干。 原因：它们不具备确定的位相关系。 解决办法：“一分为二”，使二干涉光束的初相位差保持恒定。,分波振面法 把从同一个光源所发出的、同一束光的同一个波振面分割成两部分或者多个部分，获得的每一部分波振面所发出的光波再相遇时，因其满足相干光条件，可产生光的干涉现象。,分振幅法 利用透明光学介质薄膜的第一和第二表面对入射光的依次反射与折射，就可将入射光的振幅分解为两个或者多个部分，当这些部分的光波在空间再度相遇时，就会产生光的干涉现象。,2.1.2 双光束干涉,1.分波面法双光束干涉 2.分振幅法双光束干涉,1. 分波面法双光束干涉,（1）He-Ne激光的双光束干涉演示实验 （2）杨氏双缝干涉 （3）菲涅耳双棱镜干涉 （4）菲涅耳双平面镜干涉 （5）洛埃镜干涉,（1） He-Ne激光双光束干涉实验,（2）杨氏双缝干涉,狭缝 S 和双缝 S1、S2都很窄，均可视为次级线光源。从线光源 S 发出的光波经 SS1P 和 SS2P 两条不同路径，在观察屏 P 点上相交，其光程差为： = (R2R1) + (r2 r1) = R + r 在dD，且在 y 很小的范围内考察时，相应二光的相位差：, 如果S1、S2到 S 的距离相等，R = 0 。 对应 =2m (m= 0,±1, ±2, )的空间点：,为光强极大，呈现干涉亮条纹；,为光强极小，呈现干涉暗条纹。,对应 = (2m+1) (m= 0,±1, ±2, ) 的空间点：,因此，干涉图样是与 y 轴垂直、明暗相间的直条纹。相邻两亮(暗)条纹间的距离是条纹间距，且,其中w = d/D 叫光束会聚角。,可见，条纹间距与会聚角成反比；与波长成正比，波长长的条纹较短波长疏。在实验中，可以通过测量D、d 和，计算求得光波长。, 如果 S1、S2 到 S 的距离不同，R 0 ，,相对于R = 0 的情况，干涉图样沿 y 方向发生平移。,（3）菲涅耳双棱镜干涉,（4）菲涅耳双平面镜干涉,（5）洛埃镜干涉,三点说明： 在两束光的叠加区内，到处都可以观察到干涉条纹，只是不同地方条纹的间距、形状不同而已。这种在整个光波叠加区内，随处可见干涉条纹的干涉，称为非定域干涉。与非定域干涉相对应的是定域干涉。 在这些干涉装置中，都有限制光束的狭缝或小孔，因而干涉条纹的强度很弱，以致于在实际上难以应用。 当用白光进行干涉实验时，由于干涉条纹的光强极值条件与波长有关，除了m = 0的条纹仍是白光以外，其它级次的干涉条纹均为不同颜色(对应着不同波长)分离的彩色条纹.,作 业,2，5，6，8,