《物理光学》第3章光的干涉和干涉仪

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1、物理光学第三章光的干涉和干涉仪邓晓鹏教学目的：1.深入理解两个光波的非相干叠加和相干叠加，深入理解相干条件和光的干涉定义；2.了解光干涉的本质及双光束干涉的一般理论；3.牢固掌握扬氏双光束非定域分波前干涉装置的干涉光强分布的各种规律；4.牢固掌握分振幅等顷干涉的条纹形状、光强分布规律、定域问题及其应用；5.牢固掌握分振幅等厚干涉的条纹形状、光强分布规律、定域问题及其应用；6.牢固掌握迈克耳逊干涉仪的结构特点，改变间隔d时的干涉条纹变化以及干涉仪的应用；7.牢固掌握干涉场可见度的定义，光波场的空间相干性和时间相干性对于干涉可见度的影响；8.掌握光的相干条件，相干光的

2、获得方法，光源的相干性。本章概述：光的干涉现象是指当两个或多个光波（光束）在空间相遇叠加时，在叠加区域内出现的各点强度稳定的强弱分布现象。本章的研究只局限于两光束干涉，下一章将研究多光束干涉。由于实际光波不是理想单色光波，因而要使实际光波发生干涉，必须利用一定的装置,让光波满足某些条件（干涉条件）。使光波满足干涉条件的途径有多种，因此，相应地有多种干涉装置（干涉仪）。从获得满足干涉条件的方法上分，干涉仪分为两类：分波前干涉仪和分振幅干涉仪。从后面的分析将可以看到：前者只容许使用足够小的光源，而后者可把光源尺寸拓展，因而可以获得强度较大的干涉效应。历史上最早使用实验

3、方法研究光的干涉现象的是ThomasYoung。其后菲涅耳等人用波动理论很好地说明了干涉现象的各种细节，至20世纪初干涉理论可谓已相当完善，本世纪三十年代，范西特和泽尼克发展了部分相干理论，使干涉理论进一步臻于完善。一般说来光源、干涉装置（能产生两束或多束光波并形成干涉现象的装置）和干涉图形构成干涉问题的三个要素。其中，“光源”的性质由位置、大小、亮度分布和光谱组成等因素决定；干涉装置的性质主要体现它对各个光束引入的位相延迟；干涉图形由光强分布描述，包括干涉条纹的形状、间距、反衬度和颜色等。通常它可以被直接测量。对干涉问题的研究主要是研究这三个要素之间的关系，达到

4、由其中两者求出第三者的目的。第一节实际光波干涉及实现一、光的干涉现象在两束(或多束)光在相遇的区域内,各点的光强可能不同于各光波单独作用所产生的光强之和,形成稳定的明暗交替或彩色条纹的现象,称为光的干涉现象。稳定干涉是指在一定的时间间隔内，光强的空间分布不随时间改变。强度分布是否稳定是区别相干和不相干的主要标志。二、相干条件如右上图所示，当用两个貌似相同的光源照明两个小孔S1和S2时，在观察屏上无论如何也看不到强弱变化的干涉条纹。但是如果只用一个很小的“单色”光源照明时，如右下图所示，在观察屏上立刻可以看到强弱变化的干涉条纹。如果改用日光灯通过一个小孔照明两个小孔

5、时，还可以看到彩色的干涉条纹。上述现象说明：两个独立的、彼此没有关联的普通光源发出的光波不会发生干涉现象。只有当两个光波来自同一个光源，即由同一个光波分离出来的时候它们才可能发生干涉。不相干(不同原子发的光)不相干(同一原子先后发的光)∴∵由于同一原子先后发出的光及同一瞬间不同原子发出的光的频率、振动方向、初相位、发光的时间均是随机的，没有固定的位相和偏振关系，无法形成稳定光强分布，而接收器灵敏度有限，只能记录光强的时间平均值，因此观察不到干涉现象。如图所示，两同频同振动方向光波迭加区域内某点P,在极短时间内合光强为：式中a1和a2为两光波的振幅，δ为两光波的位相

6、差。在观测时间τ内，应该有许多波列通过P点，并且每对波列都可能产生不同的强度，因此在P点观察到的强度是时间τ内的平均强度：这表示P点的平均光强度取决于两光波在P点的相位差δ，它可以大于、小于和等于两光波强度之和。由于叠加区域内不同的点有不同的相位差，所以不同点将有不同的光强度，即两光波产生干涉现象。如果在时间τ内各个时刻到达的两光波的位相差δ迅速且无规则地变化，多次经历0和2π之间的一切数值，则上式积分：即P点不发生干涉现象。两个独立光源发出的光波的叠加，就是这种情况。如果位相差固定不变，则：结论：只有两个光波有着紧密关联，这两个光波才会发生干涉。具体条件为：1、

7、两迭加光波光矢量频率相同；2、两迭加光波光矢量的振动方向相同；3、两迭加光波的位相差固定不变。以上所述三个必要条件通常称为相干条件，满足这三个条件的光波称为相干光波，相应的光源称为相干光源。只有相干光波才可能产生光的干涉现象。必要条件关于振动方向的说明：当两个叠加光波振动方向垂直时，不产生干涉（光强=I1+I2）；当两个叠加光波振动方向平行时，产生干涉；当两个叠加光波振动方向之间有一夹角时，只有两光波的平行分量产生干涉。三、光波分离方法由于原子发出光波波列的相位、频率和振动方向的随机性，因此不满足相干条件。要获得严格满足相干条件的相干光，只能将源于同一波列的光通过

8、一定的装置