產(chǎn)生干涉的條件課件

產(chǎn)生干涉的條件課件第一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六2.1.1產(chǎn)生干涉的基本條件(Thebasicconditionsforinterference)2.1雙光束干涉(Two-beaminterference)白光下的肥皂膜白光下的油膜光的干涉是指兩束或多束光在空間相遇時，在重疊區(qū)內(nèi)形成穩(wěn)定的強弱強度分布的現(xiàn)象。第二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六白光入射的楊氏雙縫干涉照片紅光入射的楊氏雙縫干涉照片第三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六例如，下圖所示的兩列單色線偏振光1.兩束光的干涉現(xiàn)象第四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六在

P點相遇，E1與

E2振動方向間的夾角為

，則P點處的總光強為式中，I1、I2是二光束的光強；是二光束的相位差，且有1.兩束光的干涉現(xiàn)象第五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六由此可見，二光束疊加后的總強度并不等于這兩列波的強度和，而是多了一項交叉項

I12，它反映了這兩束光的干涉效應(yīng)，通常稱為干涉項。干涉現(xiàn)象就是指這兩束光在重疊區(qū)內(nèi)形成的穩(wěn)定的光強分布。所謂穩(wěn)定，是指用肉眼或記錄儀器能觀察到或記錄到條紋分布，即在一定時間內(nèi)存在著相對穩(wěn)定的條紋分布。1.兩束光的干涉現(xiàn)象第六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六顯然，如果干涉項

I12遠小于兩光束光強中較小的一個，就不易觀察到干涉現(xiàn)象；如果兩束光的相位差隨時間變化，使光強度條紋圖樣產(chǎn)生移動，且當(dāng)條紋移動的速度快到肉眼或記錄儀器分辨不出條紋圖樣時，就觀察不到干涉現(xiàn)象了。1.兩束光的干涉現(xiàn)象第七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六

在能觀察到穩(wěn)定的光強分布的情況下，滿足滿足的空間位置為光強極大值，且光強極大值

IM為1.兩束光的干涉現(xiàn)象第八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六當(dāng)兩束光強相等，，相應(yīng)的極大值和極小值分別為1.兩束光的干涉現(xiàn)象的空間位置為光強極小值，且光強極小值

Im為第九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六①光強極大值的條件是光強極大值是②光強極小值的條件是光強極小值是1.兩束光的干涉現(xiàn)象第十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六2.產(chǎn)生干涉的條件1）干涉條紋可見度（對比度）①當(dāng)干涉光強的極小值

Im=0時，V=l，二光束完全相干，條紋最清晰；②當(dāng)

IM=Im時，V＝0，二光束完全不相干，無干涉條紋；③當(dāng)

IM

Im0時，0<V<1，二光束部分相干，條紋清晰度介于上面兩種情況之間。首先引入一個表征干涉效應(yīng)程度的參量—干涉條紋可見度，由此深入分析產(chǎn)生干涉的條件。第十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六2）產(chǎn)生干涉的條件由上述二光束霓加的光強分布關(guān)系（3）式可見，影響光強條紋穩(wěn)定分布的主要因意是，二光束頻率以及二光束振動方向夾角和二光束的相位差。(1)對干涉光束的頻率要求由二干涉光束相位差的關(guān)系式可以看出：①當(dāng)二光束頻率相等，=0時，干涉光強不隨時間變化，可以得到穩(wěn)定的干涉條紋分布。②當(dāng)二光束的頻率不相等，0時，干涉條紋將隨著時間產(chǎn)生移動，且愈大，條紋移動速度愈快。因此，為了產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，要求二干涉光束的頻率盡量相等。第十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六在

P點相遇，E1與

E2振動方向間的夾角為

，則P點處的總光強為式中，I1、I2是二光束的光強；是二光束的相位差，且有第十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六（2）對二干涉光束振動方向的要求由（6）、（7）式可見，若二光束光強相等，則若=0，二光束的振動方向相同時，V=l，干涉條紋最清晰；若=/2，二光束正交振動時，V=0，不發(fā)生干涉；當(dāng)0<<

/2時，0<V<1，干涉條紋清晰度介于上面兩種情況之間。所以，為了產(chǎn)生明顯的干涉現(xiàn)象，要求二光束的振動方向相同。第十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六(3)對二干涉光束相位差的要求由(3)式可見，為了獲得穩(wěn)定的干涉圖形，二干涉光束的相位差必須固定不變，即要求二等頻單色光波的初相位差恒定。實際上，考慮到光源的發(fā)光特點，這是最關(guān)鍵的要求。可見，要獲得穩(wěn)定的干涉條紋，則：（1）兩束光波的頻率應(yīng)當(dāng)相同；（2）兩束光波在相遇處的振動方向應(yīng)當(dāng)相同；（3）兩束光波在相遇處應(yīng)有固定不變的相位差。這三個條件就是兩束光波發(fā)生干涉的必要條件，通常稱為相干條件。第十五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六3.

實現(xiàn)光束干涉的基本方法由上面的討論可見，為了實現(xiàn)光束干涉，對于光波提出了嚴格的要求，因此也就對產(chǎn)生干涉光波的光源提出了嚴格要求。通常稱滿足相干條件的光波為相干光波，相應(yīng)的光源叫相干光源。第十六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六眾所周知，一個光源包含有許許多多個發(fā)光的原子、分子或電子，每個原子、分子都是一個發(fā)光中心，我們看到的每一束光都是從大量原子(發(fā)光中心)發(fā)射和匯集出來的。但是每個單個原子的發(fā)光都不是無休止的，每次發(fā)光動作只能持續(xù)一定的時間，這個時間很短(小于10-8s)，因而每次原子發(fā)光只能產(chǎn)生有限的一段波列。1)原子發(fā)光的特點第十七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六1）原子發(fā)光的特點波列能級躍遷輻射E1E2

v=(E2-E1)/h波列長L=c不相干(不同原子發(fā)的光)不相干(同一原子先后發(fā)的光)∴∵

進一步，由光的輻射理論知道，普通光源的發(fā)光方式主要是自發(fā)輻射，即各原子都是一個獨立的發(fā)光中心，其發(fā)光動作雜亂無章，彼此無關(guān)第十八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六1)原子發(fā)光的特點因而,不同原子產(chǎn)生的各個波列之間、同一個原子先后產(chǎn)生的各個波列之間，都沒有固定的相位關(guān)系，這樣的光波疊加，當(dāng)然不會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象?；蛘哒f，在一極短的時間內(nèi)，其疊加的結(jié)果可能是加強，而在另一極短的時間內(nèi)，其疊加的結(jié)果可能是減弱，于是在一有限的觀察時間內(nèi)，二光束疊加的強度是時間內(nèi)的平均，即為第十九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六1）原子發(fā)光的特點如果在內(nèi)各時刻到達的波列相位差無規(guī)則地變化，將在內(nèi)多次(可能在108次以上)經(jīng)歷0與2之間的一切數(shù)值，這樣，上式的積分為因此即二光束疊加的平均光強，恒等于二光波的光強之和，不發(fā)生干涉。第二十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六1）原子發(fā)光的特點由此看來，不僅從兩個普通光源發(fā)出的光不會產(chǎn)生干涉，就是從同一個光源的兩個不同部分發(fā)出的光也是不相干的。因此，普通光源是一種非相干光源。

60年代出現(xiàn)的一種新型光源——激光器所產(chǎn)生的激光有很好的相干性，它是一種相干光源。產(chǎn)生激光的必要條件:ｌ.激勵能源（使原子激發(fā)）;２.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（有合適的亞穩(wěn)態(tài)能級）;３.光學(xué)諧振腔（方向性，光放大，單色性）。

第二十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六2）獲得相干光的方法由上面關(guān)于相干條件的討論可知，利用兩個獨立的普通光源是不可能產(chǎn)生干涉的，即使使用兩個相干性很好的獨立激光器發(fā)出的激光束來進行干涉，也是相當(dāng)因難的事，其原因是它們的初相位關(guān)系不固定。在光學(xué)中，獲得相干光、產(chǎn)生明顯可見干涉條紋的唯一方法就是把一個波列的光分成兩束或幾束光波，然后再令其重合而產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉效應(yīng)。這種“一分為二”的方法，可以使二干涉光束的初相位差保持恒定。第二十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六2）獲得相干光的方法一般獲得相干光的方法有兩類：分波面法和分振幅法。分波面法是將一個波列的波面分成兩部分或幾部分，由這每一部分發(fā)出的波再相遇時，必然是相干的，下面討論的楊氏干涉就屬于這種干涉方法。分振幅法通常是利用透明薄板的第一、二表面對入射光的依次反射，將入射光的振幅分解為若干部分，當(dāng)這些部分的光波相遇時將產(chǎn)生干涉，這是一種很常見的獲得相干光、產(chǎn)生干涉的方法，下面討論的平行平板產(chǎn)生的干涉就屬與這種干涉方法。第二十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六2）獲得相干光的方法①分波面法：楊氏干涉②分振幅法：平行平板產(chǎn)生的干涉pS

*分波面法分振幅法·p薄膜S*第二十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六1.He-Ne激光的雙光束干涉演示實驗在實驗室中為了演示分波面法的雙光束干涉，最常采用的是圖2-2所示的雙縫干涉實驗。用一束He-Ne激光照射兩個狹縫S1、S2，就會在縫后的白色屏幕上出現(xiàn)明暗交替的雙縫干涉條紋。2.1.2由分波振面法產(chǎn)生的光的干涉現(xiàn)象第二十五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六圖2-2He-Ne激光的雙縫干涉實驗

第二十六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六2.楊氏雙縫干涉第二十七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六由于狹縫S和雙縫S1、S2都很窄，均可視為次級線光源。從線光源S發(fā)出的光波經(jīng)SS1P和SS2P兩條不同路徑，在觀察屏P點上相交，其光程差為：Δ=(R2-R1)+(r2-r1)=ΔR+Δr在d<<D，且在y很小的范圍內(nèi)考察時，相應(yīng)二光的相位差為：第二十八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六①如果S1、S2到S的距離相等，ΔR=0，則對應(yīng)φ=2mπ(m=0,±1,±2,…)的空間點：為光強極大，呈現(xiàn)干涉亮條紋；對應(yīng)φ=(2m+1)π的空間點：為光強極小，呈現(xiàn)干涉暗條紋。第二十九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六因此，干涉圖樣如圖2-2所示，是與y軸垂直、明暗相間的直條紋。相鄰兩亮(暗)條紋間的距離是條紋間距ε，且其中w=d/D叫光束會聚角?？梢姡瑮l紋間距與會聚角成反比；與波長成正比，波長長的條紋較短波長疏。在實驗中，可以通過測量D、d和ε，計算求得光波長λ。第三十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六

②如果S1、S2到S的距離不同，ΔR≠0，則對應(yīng)于的空間點是亮條紋；對應(yīng)于的空間點是暗條紋。即干涉圖樣相對于ΔR=0的情況，沿著y方向發(fā)生了平移。第三十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六3.菲涅耳雙棱鏡干涉第三十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六

分波前干涉裝置。由兩塊底面相合、頂角很小且相等的薄三棱鏡構(gòu)成，實際上是由同一塊玻璃磨制而得，如圖，單色縫光源S與雙棱鏡的棱脊平行（垂直于圖面），發(fā)出的光波經(jīng)上下兩棱鏡折射后形成兩束相干的折射光，它們可看作是從虛光源S1和S2發(fā)出，在重疊區(qū)的幕上可觀察到干涉條紋，條紋性質(zhì)與楊氏干涉條紋同。測量光的波長。

第三十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六4.菲涅耳雙面鏡干涉

分波前干涉裝置。由兩塊夾很小角度j的平面反射鏡組成。如圖，單色縫光源S與兩反射鏡M1和M2的交線平行，所發(fā)光波經(jīng)M1和M2反射后得兩束反射光，它們是從同一入射波前分出的，可看作是從虛光源S1和S2發(fā)出的相干光波，S1和S2是縫光源由兩反射鏡所生成的虛像。在兩反射光束的重疊區(qū)產(chǎn)生干涉，條紋性質(zhì)與楊氏干涉條紋同（見楊氏實驗）。改變角度j，即改變S1和S2的間距，可改變干涉條紋的間距。

第三十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六第三十五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六5.洛埃鏡干涉第三十六頁，共三十七頁，