现代光学基础课件：光的干涉1_3分波面双光束干涉

1、1.3.1 光源和机械波源的区别,第1章 光的干涉 （Interference of light）,1.3 分波面双光束干涉,1.光源的发光机制,普通光源发光的特点-非相干光,在同一时间有大批原子发光；,就单个原子而言，每个原子都是断断续续发 光，每次发光时间极短（10-8s）且一次只能 发出一个有限长具有偏振性的的波列。,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。,2. 机械波：,独立振源持续，相位差能够保持不变。所以独立的机械波振源一般是相干的，因此通常干涉比较容易实现。,能够观察到干涉现象的条件：,光源的相干性；,接收器的时间响应能

2、力（即可以分辨的最小时间）。,光源：早期光的干涉实验使用的大都是带虑色片的普通钨丝灯，单色性比较差，相干性也很差。,自1960年激光出现以后，使光源的相干性大大提高，从而使得光的干涉现象较易观察到。,接收器：较早以前光的干涉现象通常用人眼进行观察。人眼的响应时间约为0.1s。感光胶片的响应时间一般不超过毫秒量级。,随着快速光电接收器件的出现使接收器的响应时间从0.1s缩短到微秒、纳秒甚至皮秒量级。,用这样的接收器去观测光的干涉现象，就可以观测到干涉图样稳定时间较短的干涉现象。,一个原则：同一批原子发射出来，经过不同的光程的两列波。相位改变总是同时发生在这两列波上，保持着不变的相位差。,两种办法

3、：分波面和分振幅,1.3.2 分波面干涉的实验装置,1 杨氏双缝干涉实验,1801年英国物理学家 Thomas Young(1773-1829) ，首先以极简单的装置获得了干涉条纹，开创了“分波面法” 双光场干涉实验的先例。这一实验的历史意义是重大的。,P,杨氏双孔干涉实验装置如图所示,r0,屏幕上光强分布规律,式中,若光强,因此光强分布公式为：,条纹间距：,光强分布曲线,13,若将小孔改为狭缝，除了明条纹更加明亮外，条纹会在缝长方向上加长在 、r0、d 不变的情况下，条纹的位置和宽度不变,白光干涉条纹,仅以三种波长为例：,若用激光器作为光源，由于激光器有很好的相干性和较高的亮度，就可直接把激

4、光投射在双缝S1和S2上，省去光阑S。,较低级次形成彩色条纹，越高级次，条纹重叠得越厉害，条纹由屏幕中心向两边逐渐模糊，较高级次条纹消失，变成一片光亮，干涉消失,白光干涉这种零级条纹为白色的特征，提供了判断零级条纹的可能性，在干涉测量中常用到,2 菲涅耳双面镜,杨氏实验装置缺点: 小孔或狭缝太小，容易出现衍射 菲涅耳双面镜和菲涅尔双棱镜实验。,菲涅耳双面镜实验装置图,条纹间距为:,若以激光器作为光源，由于近于平行光，即相当于S位于无穷远，r。则条纹间距为：,若用两相干光束间的夹角表示，上式可写成：,对于He-Ne激光，当时 即每毫米内有210条亮纹或暗纹。,利用这种装置可制备全息光栅。改变两平

5、面镜的交角，即改变两平行光束间的夹角,则可拍摄每毫米内条纹数不同的全息光栅。拍摄时将超微粒感光板置于干涉条纹的屏幕处使感光板感光，经显影和定影后，底板就可作为光栅。（正弦光栅）,3 菲涅耳双棱镜,菲涅尔双棱镜干涉实验装置如图,双棱镜的棱角又很小,一般小于1。,A,B,屏幕,像 S1 、 S2 相当于杨氏干涉中双孔，L1+L2=r0 ,由 S 发出的光束经双棱镜分为两部分，这两部分光束交叠区就是干涉区.,S1与S2之间距为：,屏幕上条纹间距为,B,A,4 劳埃德（洛埃）镜实验,条纹间距为,1834年，H. Lloyd,劳埃德镜实验有一个特点，根据光程差的计算，应出现强度最大值（明条纹）的地方，实

6、际观察到的都是暗条纹（最小值）。而应该出现最小值的地方实际观察到的却是亮条纹。,反射光的光程在介质表面反射时损失了半个波长。这种现象称为半波损失。,即光在介质表面上反射时，入射角接近900（大角掠射）将产生半波损失。,P点的光程差为,杨氏干涉条纹是对称的分布在的上面一侧出现。,1.3.3 干涉条纹的移动,在干涉装置中，人们不仅关心条纹的静态分布，而且关心它们的移动和变化，因为在光的干涉应用中都与条纹的变动有关。造成条纹的变动的因素来自三个方面。,（1）光源的移动 ；,（2）装置结构的变动,（3）光程中介质的变化,探讨干涉条纹变化时，通常采用两种分析方法：,一 固定观察点P，观察有多少条条纹移过

7、此点；,二 观察某一级条纹 ，看其移动方向，以及移动了多少距离。,例1在杨氏双缝实验中，两小孔的间距为0.5mm，光屏离小孔的距离为50cm，当用折射率1.6的透明薄片盖在上缝时，发现屏上的条纹移动了1cm，试确定该薄片的厚度。,解：P点为放入薄片后中央明纹的位置,又未放薄膜时,可得：,另解：,光程差每改变一个，条纹移动一条,因r2光程未变，r1改变了(n-1)x,例题：如图是一种利用光的干涉现象测定气体折射率的原理性结构。在S1的后面放置一个长度为L的透明容器，在待测气体注入容器的过程中，屏上的干涉条纹将会移动，由移动过干涉条纹的根数即可推知气体的折射率n1（设S相对S1、S2对称，容器壁的厚度可忽略。）,（1）若待测气体的折射率大于空气的折射率，干涉条纹如何移动？ （2）设L=2.0cm，条纹移过20条，光波波长为589.3nm，空气折射率为1.000276，求待测气体的折射率。,屏幕,P0,P0,在透镜容器未充气时，零级明纹应出现在光程差为0的P0处，向容器内注入气体后，因待侧气体的折射率n大于空气的折射率n，要保持光程差为零。设移