物理光学与应用光学(第二版)课件第二章.ppt

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1、第2章光的干涉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光的相干性例题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光的干涉是指两束或多束光在空间相遇时，在重叠区内形成稳定的强弱强度分布的现象。例如，图2-1所示的两列单色线偏振光(2.1-1)(2.1-2)图2-1两列光波在空间重叠在空间P点相遇，E1与E2振动方向间的夹角为θ，则在P点处的总光强为式中，I1、I2是二光束的光强；φ是二光束的相位差，且有(2.1-3)(2.1-4)由此可见，二光束叠加后的

2、总强度并不等于这两列波的强度和，而是多了一项交叉项I12，它反映了这两束光的干涉效应，通常称为干涉项。干涉现象就是指这两束光在重叠区内形成的稳定的光强分布。所谓稳定是指，用肉眼或记录仪器能观察到或记录到条纹分布，即在一定时间内存在着相对稳定的条纹分布。显然，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了。在能观察到稳定的光强分布的情况下，满足m=0,±1,±2，…

3、的空间位置为光强极大值处，且光强极大值IM为(2.1-6)满足j=(2m+1)πm=0,±1,±2，…的空间位置为光强极小值处，且光强极小值Im为当两束光强相等，即I1=I2=I0时，相应的极大值和极小值分别为IM=2I0(1+cosθ)(2.1-9)Im=2I0(1-cosθ)(2.1-10)(2.1-8)(2.1-5)(2.1-7)2.产生干涉的条件首先引入一个表征干涉效应程度的参量——干涉条纹可见度，由此深入分析产生干涉的条件。1)干涉条纹可见度(对比度)干涉条纹可见度定义为(2.1-11)当干

4、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IM≠Im≠0时，0＜V＜1，二光束部分相干，条纹清晰度介于上面两种情况之间。def2)产生干涉的条件由上述二光束叠加的光强分布关系(2.1-3)式可见，影响光强条纹稳定分布的主要因素是：二光束频率；二光束振动方向夹角和二光束的相位差。(1)对干涉光束的频率要求由二干涉光束相位差的关系式可以看出，当二光束频率相等，Δω=0时，干涉光强不随时间变化，可以得到稳定的干涉条纹分布。当二光束的频率不相等

5、，Δω≠0时，干涉条纹将随着时间产生移动，且Δω愈大，条纹移动速度愈快，当Δω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。因此，为了产生干涉现象，要求二干涉光束的频率尽量相等。(2)对二干涉光束振动方向的要求由(2.1-9)、(2.1-10)式可见，当二光束光强相等时V=cosθ(2.1-12)因此，当θ=0、二光束的振动方向相同时，V=1，干涉条纹最清晰；当θ=π/2、二光束正交振动时，V=0，不发生干涉；当0＜θ＜π/2时，0＜V＜1，干涉条纹清晰度介于上面两种情况之间。所以，为了产生明显的干

6、涉现象，要求二光束的振动方向相同。(3)对二干涉光束相位差的要求由(2.1-3)式可见，为了获得稳定的干涉图形，二干涉光束的相位差必须固定不变，即要求二等频单色光波的初相位差恒定。实际上，考虑到光源的发光特点，这是最关键的要求。可见，要获得稳定的干涉条纹，则：①两束光波的频率应当相同；②两束光波在相遇处的振动方向应当相同；③两束光波在相遇处应有固定不变的相位差。这三个条件就是两束光波发生干涉的必要条件，通常称为相干条件。3.实现光束干涉的基本方法通常称满足相干条件的光波为相干光波，相应的光源叫相干光源。为了更深

7、刻地理解干涉的特性，首先简单地介绍光源的发光性质。1)原子发光的特点众所周知，一个光源包含有许许多多个发光的原子、分子或电子，每个原子、分子都是一个发光中心，我们看到的每一束光都是由这些原子和分子(发光中心)发射和汇集出来的。但是每个单个原子和分子的发光都不是无休止的，每次发光动作只能持续一定的时间，这个时间很短(实验证明，原子发光时间一般都小于10-8秒)，因而每次原子发光只能产生有限的一段波列。进一步，由光的辐射理论知道，普通光源的发光方式主要是自发辐射，即各原子都是一个独立的发光中心，其发光动作杂乱无章，

8、彼此无关。因而，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，这样的光波叠加，当然不会产生干涉现象。或者说，在一极短的时间内，其叠加的结果可能是加强，而在另一极短的时间内，其叠加的结果可能是减弱，于是在一有限的观察时间τ内，二光束叠加的强度是时间τ内的平均，即为如果在τ内各时刻到达的波列相位差j无规则地变化，j将在τ内多