干涉光的变场现象

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1、干涉光的变场现象...概述：本文在扬氏干涉基础之上，增加了一个成像光学系统，以实验观测双相干光源成像的位置变化和能量分布变化，从中得到一个值得再探讨的新现象。关键字：干涉、成像、分离、变场19世纪的扬氏干涉实验对后世的物理学影响极大，至今它仍是物理学中的一个基础实验。对于扬氏干涉实验，人们一直是将双相干光投射到相干区内，以观察干涉的明暗条纹。我们普遍认为(1)式成立。(1)式中：和是单缝场。和是双缝场。(2-1)(2-2)参见图一。请参考有关资料。实际上，我们并没有什么理由认为(2)成立，而将(2)的成立认为是“默认的、应该的”。现在

2、，我们将这个实验加以引申，采用成像的方法，即采用光束“分－合－分”的方法，将相干区内的相干光分离成像，并观察干涉光分离后的成像位置和能量分布状况。从实验的结果中，得出了一些新现象。一、扬氏干涉中的场分布扬氏干涉如图一中(a)。按照光的波动说：缝光源A和B在空间中传播的电磁场分布值，不会随光源A或B的存在与否而变化，即从A和B所发出的光波在整个光路传播过程中是相互独立的。这样，单缝场和被认为与双缝场和是相同的，如图一中(b)和(c)。参见(1)式。图二干涉光的成像分离我们在干涉区后增加一个正透镜，用于对逢AB进行成像，如图二。这样单缝成

3、像和双缝成像的像A`或B`位置和能量分布是不变的。它们分别由和决定，也可以说由和决定。但是，在实际中，像A`或B`的特性是变化的，(1)式并不成立，即：(3)式中：，由于这种在干涉区内的电磁场分布发生了变化，导致像位置和能量分布是变化的，我们不妨将这种现象称之为“变场”。这种变化量有多大？下面的干涉光源的成像实验可以证明这种现象的存在。在论述光学系统中干涉光源的成像问题之前，我们先回顾一下目前有关光学理论的成像原理。二、物光源在共轴球面系统中的成像规律图三双缝光源A和B成像光学图Ÿ物体或像箭头由纸面向上ª物体或像箭

4、头向纸面里按高斯光学，物空间中的一个点、一条直线或平面经光学系统后，在像空间中有其一一对应的点、线或面存在。例如，有缝光源A、B和正透镜L组成一个成像光学系统，L的焦距为f[正透镜为圆形，在空气介质中]，物、像距离正透镜L的物、像方主平面K和K’分别为u和v，如图三。在图三中，缝A、B对称垂直于主光轴Z，但不与主光轴Z相交，且偏离主光轴Z都为d。定义AB缝所在平面为Q面。我们在Q面上建立x-y坐标系，y轴平行于光缝，x轴方向向纸外且垂直于主光轴Z，其坐标原点在主光轴Z与Q面的交点上，如图三中(a)。在距正透镜主平面K前(左侧)s处取一

5、平面P，P面与主光轴Z垂直，则P面到Q面的间距为。在P面上建立x-y坐标系，如图三中(b)，图中x轴方向向纸外，y轴平行于AB缝，并且方向相同，其原点在主光轴Z上。同样，在像平面R上建立x-y坐标系，如图三中(c)。按照几何光学来说：不论双缝光源A和B是相干光或非相干光，它们在像空间中所成像的特性[像位置和像的能量分布]不变，这是由光线传播过程中的三个基本定理决定的：直线传播定理、独立传播定理、反射和折射定理。另一方面，按照光的波动说：缝光源A和B在物空间和像空间中传播的电磁场分布值，不会随光源A和B的相干性与否而变化，即从A和B所发

6、出的光波在整个光路传播过程中是相互独立的，在空间任意一点的总场值是两者之和。设p(x,y)为P平面上任意一点，如图三中(b)。定义它们的各自波动方程为：A缝光源在p(x,y)点的波动方程：(4)B缝光源在p(x,y)点的波动方程：(5)波函数EA(t)经正透镜L后，会在像空间的成像平面R上的xA处成倒像A’，像A’的特性只与(4)式有关，而与(5)式无关，如图三中(c)；同样波函数EB(t)在像空间R平面上的xB处成倒像B’，像B’的特性只与(5)式有关，而与(4)式无关。重申：(4)式和(5)式描述的场分布是相互独立的。那么，在P面

7、上的相干光EA和EB的相位差δ为：(6)式中：Δ是光程差图四QPR平面上的光源图、干涉图和成像图当我们在P面上加入光阑，并限制部分EA和EB的能量通过后，EA和EB同样会在像空间内的R平面上xA、xB处成倒像A’和B’，这是由于光在传播过程中的独立性所决定的。我们可以画出在Q面上AB缝光源的位置，如图四中(a)。图中：。我们在Q面上安装一个档片，它可以在Q面上沿x方向左右移动，以遮挡缝A或B，可以完成单缝或双缝成像的选择，如图十一。我们在干涉面P上取部分光阑的透光区进行成像。我们在成像面R上沿x轴上放置一个线阵ICCD接收单元，以测量

8、倒像A’和B’在x轴向上的位置和能量分布状况。实验条件：u是物方距离，u=131.1cmv是像方距离，v=233.5cmmf是正透镜的焦距，f=1.0mh和H分别是缝AB的高度和像高度，h=1.0mm，H=4~5mmd和