《产生干涉的条》ppt课件

1、第第3章章 光的干涉光的干涉 (Interference) 光的干涉、衍射和偏振特性是光的动摇性的主要特光的干涉、衍射和偏振特性是光的动摇性的主要特 征，它们是许多光学仪器和丈量技术的根底。本章征，它们是许多光学仪器和丈量技术的根底。本章 研讨光的干涉特性。研讨光的干涉特性。 3.1.1 产生干涉的根本条件产生干涉的根本条件 (The basic conditions for interference ) 白光下的肥皂膜白光下的肥皂膜 白光下的油膜白光下的油膜 光的干涉是指两束或多束光在空间相遇时，在重叠光的干涉是指两束或多束光在空间相遇时，在重叠 区内构成稳定的强弱强度分布的景象。区内构成稳

2、定的强弱强度分布的景象。 肥皂泡和油膜的干涉景象 白光入射的杨氏双缝干涉照片 红光入射的杨氏双缝干涉照片 杨氏双缝干涉 实验室中的干涉和自然界的干涉 1101101 ( , )cos() (1)E r tEtkr 2202202 ( , )cos() (2)E r tEtkr 例如，以下图所示的两列单色线偏振光例如，以下图所示的两列单色线偏振光 1. 两束光的干涉景象两束光的干涉景象 光的干涉是指两束或多束光在空间相遇时， 在重叠区 内构成稳定的强弱强度分布的景象。 E1 与 E2 振动方向间的夹角为 ， P 点处的总光强 为 121 2 1212 2 cos cos =+2 (3) IIII

3、 I III I1、I2 是二光束的光强； 是二光束的相位差，且 有 210102 12 121 2 coscos krkrt II I 1. 两束光的干涉景象两束光的干涉景象 二光束叠加后的总强度并不等于这两列波的强度二光束叠加后的总强度并不等于这两列波的强度 和，而是多了一项交叉项和，而是多了一项交叉项 I12，它反映了这两束光，它反映了这两束光 的干涉效应，通常称为干涉项。的干涉效应，通常称为干涉项。 干涉景象就是指这两束光在重叠区内构成的稳定干涉景象就是指这两束光在重叠区内构成的稳定 的光强分布。所谓稳定，是指用肉眼或记录仪器的光强分布。所谓稳定，是指用肉眼或记录仪器 能察看到或记录到

4、条纹分布。能察看到或记录到条纹分布。 1. 两束光的干涉景象两束光的干涉景象 显然，假设干涉项显然，假设干涉项 I12 远小于两光束光强中较小远小于两光束光强中较小 的一个，就不易察看到干涉景象；的一个，就不易察看到干涉景象； 1. 两束光的干涉景象两束光的干涉景象 121 21212 2 cos cos+2 (3) IIII IIII 假设两束光的相位差随时间变化，使光强度条纹假设两束光的相位差随时间变化，使光强度条纹 图样产生挪动。图样产生挪动。 在能察看到稳定的光强分布的情况下，满足在能察看到稳定的光强分布的情况下，满足 2 0 1 2 mm， ， 满足满足 的空间位置为光强极大值，且光

5、强极大值的空间位置为光强极大值，且光强极大值 IM 为为 121 2 2 cos (4)IIII I 21 0 1 2 mm（）， 1. 两束光的干涉景象两束光的干涉景象 当两束光强相等，当两束光强相等， ，相应的极大值和极，相应的极大值和极 小值分别为小值分别为 120 III M0 m0 2 (1cos ) (6) 2 (1 cos ) (7) II II 121 2 2 cos (5)IIII I 1. 两束光的干涉景象两束光的干涉景象 的空间位置为光强极小值，且光强极小值的空间位置为光强极小值，且光强极小值 Im 为为 121 2 2 cos IIII I 2 0 1 2 mm， ，

6、21 0 1 2 mm（）， 光强极大值的条件是 光强极大值是光强极大值是 121 2 2 cos IIII I 光强极小值的条件是 光强极小值是光强极小值是 1. 两束光的干涉景象两束光的干涉景象 2. 产生干涉的条件产生干涉的条件 1干涉条纹可见度对比度干涉条纹可见度对比度 首先引入一个表征干涉效应程度的参量首先引入一个表征干涉效应程度的参量干涉条纹干涉条纹 可见度，由此深化分析产生干涉的条件。可见度，由此深化分析产生干涉的条件。 Mm Mm 8 II V II （ ） Mm Mm (154) II p II 偏振度偏振度:部分偏振光的总强度中完全偏振光所占的比例部分偏振光的总强度中完全偏

7、振光所占的比例 2. 产生干涉的条件产生干涉的条件 Mm Mm (8) II V II 1干涉条纹可见度对比度干涉条纹可见度对比度 当干涉光强的极小值 Im= 0 时，V = l，二光 束 完全 相关，条纹最明晰； 当 IM= Im 时，V = 0，二光束完全不相关，无 干涉条纹； 当 IM Im 0 时，0 V 1，二光束部分 相 干，条纹明晰度介于上面两种情况之间。 2产生干涉的条件产生干涉的条件 影响光强条纹稳定分布的主要因意是，二光束频率影响光强条纹稳定分布的主要因意是，二光束频率 以及二光束振动方向夹角和二光束的相位差。以及二光束振动方向夹角和二光束的相位差。 121 21212 2

8、 cos cos+2 (3) IIII IIII 210102 12 121 2 coscos krkrt II I 2产生干涉的条件产生干涉的条件 (1)对干涉光束的频率要求 当二光束频率相等， = 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， 0 时，干涉条纹将 随着时间产生挪动，且 愈大，条纹挪动速度愈快。 要求二干涉光束的频率尽量相等。 当大到一定程度时，肉眼或探测仪器就 将察看不到稳定的条纹分布。为了产生干涉 景象，要求二干涉光束的频率尽量相等。 2 2对二干涉光束振动方向的要求对二干涉光束振动方向的要求 由由6、7式可见，假设二光束光强相等，

9、那式可见，假设二光束光强相等，那 么么 cos 9V（ ） M0 m0 2 (1cos ) (6) 2 (1 cos ) (7) II II Mm Mm (8) II V II 2 2对二干涉光束振动方向的要求对二干涉光束振动方向的要求 假设假设 = 0，二光束的振动方向一样时，二光束的振动方向一样时，V = l，干，干 涉涉 条纹最明晰；条纹最明晰； 假设假设 = / 2，二光束正交振动时，二光束正交振动时，V = 0，不发，不发 生干生干 涉；涉； 当当0 / 2时，时，0 V 1，干涉条纹明晰度介，干涉条纹明晰度介 于于 上面两种情况之间。上面两种情况之间。 cos 9V（ ） 当为了产

10、生明显的干涉景象当为了产生明显的干涉景象,二光束的振动方向一二光束的振动方向一 样。样。 。 (3) 对二干涉光束相位差的要求对二干涉光束相位差的要求 为了获得稳定的干涉图形，二干涉光束的相位差必需为了获得稳定的干涉图形，二干涉光束的相位差必需 固定不变，即要求二等频单色光波的初相位差恒定。固定不变，即要求二等频单色光波的初相位差恒定。 121 21212 2 cos cos+2 (3) IIII IIII 210102 12 121 2 coscos krkrt II I 可见，要获得稳定的干涉条纹，那么：可见，要获得稳定的干涉条纹，那么： 1两束光波的频率该当一样；两束光波的频率该当一样；

11、 2两束光波在相遇处的振动方向该当一样；两束光波在相遇处的振动方向该当一样； 3两束光波在相遇处应有固定不变的相位差。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 常称为相关条件。常称为相关条件。 2产生干涉的条件产生干涉的条件 3. 实现光束干涉的根本方法实现光束干涉的根本方法 通常称满足相关条件的光波为相关光波，相应的光通常称满足相关条件的光波为相关光波，相应的光 源叫相关光源。源叫相关光源。 1两束光波的频率该当一样；两束光波的频率该当一样； 2两束光波在相遇处的振动方向该当一样；两束光波在相遇处的振动方

12、向该当一样； 3两束光波在相遇处应有固定不变的相位差。两束光波在相遇处应有固定不变的相位差。 一个光源包含有许许多多个发光的原子、分子或电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 每一束光都是从大量原子每一束光都是从大量原子(发光中心发光中心)发射和聚集出来发射和聚集出来 的。的。 但是每个单个原子的发光都不是无休止的，每次发但是每个单个原子的发光都不是无休止的，每次发 光动作只能继续一定的时间，这个时间很短光动作只能继续一定的时间，这个时间很短(小于小于10- 8s)，因此每次原子发光只能产生有

13、限的一段波列。，因此每次原子发光只能产生有限的一段波列。 1)原子发光的特点 1原子发光的特点原子发光的特点 波列波列 能级跃迁辐射能级跃迁辐射 E1 E 2 v=(E2-E1)/ h 波列长波列长L L = =c c 由光的辐射实际知道，普通光源的发光方式主要由光的辐射实际知道，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，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，彼此无关。其发光动作杂乱无章，彼此无关。 1)原子发光的特点 不同原子产生的各个波列之间、同一个原子先后产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

14、位关系生的各个波列之间，都没有固定的相位关系,这样的这样的 光波叠加，当然不会产生干涉景象。光波叠加，当然不会产生干涉景象。 不相关不相关( (不同原子发的不同原子发的 光光) ) 不相关不相关( (同一原子先后发的同一原子先后发的 光光) ) 1)原子发光的特点 在一有限的察看时间在一有限的察看时间 内，二光束叠加的强度是内，二光束叠加的强度是 时间时间 内的平均，即为内的平均，即为 121 2 0 121 2 0 1 I2 cos cos )d 1 =2 coscos d III I III I （ 假设在假设在 内各时辰到达的波列相位差内各时辰到达的波列相位差 无规那么无规那么 地变化，

15、地变化， 将在将在 内多次内多次(能够在能够在108次以上次以上)阅历阅历 0 与与 2 之间的一切数值。之间的一切数值。 1原子发光的特点原子发光的特点 0 1 cos d0 因此因此 12 III 即二光束叠加的平均光强，恒等于二光波的光强之即二光束叠加的平均光强，恒等于二光波的光强之 和，不发生干涉。和，不发生干涉。 上式的积分为上式的积分为 1原子发光的特点原子发光的特点 不仅从两个普通光源发出的光不会产生干涉不仅从两个普通光源发出的光不会产生干涉, 就是从就是从 同一个光源的两个不同部分发出的光也是不相关的。同一个光源的两个不同部分发出的光也是不相关的。 60年代出现的一种新型光源激光器所产生的激 光有很好的相关性，它是一种相关光源。 产生激光的必要条件产生激光的必要条件: . 鼓励能源使原子激发鼓励能源使原子激发; . 粒子数反转有适宜的亚稳态能级粒子数反转有适宜的亚稳态能级; .光学谐振腔方向性，光放大，单色性。光学谐振腔方向性，光放大，单色性。 2获得相关光的方法获得相关光的方法 分波面法：将一个波列的波面分成两部分或几部分分波面法：将一个波列的波面分成两部