1、,光的干涉,鲁东大学物理学院,主要内容,1分波面双光干涉 一光源和机械波源的区别二获得稳定干涉图样的条件三典型的分波前干涉实验15 光源的时空相干性 一. 干涉条纹的可见度二光源的非单色性对干涉条纹的影响三光源的时间相干性四光源的宽度对干涉条纹的影响五光源的空间相干性,1分波面双光干涉,一、光源与机械波源的区别,1机械波源：是一般独立振源，在观察时间内振 动是连续的，若两波同振向、同频率、则相遇相干。,2光波源,光源(light source)：发射光波的物体。（任何发光的物体）,光是一种电磁辐射，按能量供给的方式不同，发光可分为：,光源可以分为两大类,普通光源：自发辐射,独立（同一原子先后发
2、的光）,独立（不同原子发的光）,激光光源：受激辐射, = (E2-E1) / h,完全一样,（传播方向，,频率，,相位，,振动方向）,光源的最基本发光单元是分子、原子。,由于原子发光的复杂性，使观察时间内振动 不连续。故通常独立光源是不相干的。,观察光束的干涉受两条件限制：,光源的相干性和接受器的时间响应常数。,光源带滤色片的普通钨丝灯（单色性较差）接受器感光片的时间响应常数一般不超过毫秒。,早期：,眼睛的时间响应常数一般为0.1秒。,今：,光源激光器（相干性很好）,接受器时间响应常数缩短到微秒、纳秒、皮秒,1纳秒=10-9秒，1皮秒=10-12秒,二、获得相干光的方法,分波面与分振幅,分振幅
3、法,获得相干光的两类典型方法,分波前（或面）双光干涉：,分振幅双光干涉：,三、分波振面干涉的典型实验,1杨氏干涉,p,r1,r2,S,S2,S1,S1 S2在同一波面上，, 强度分布：,若双缝等宽, 干涉极大方程：, 干涉极小方程：, 条纹位置：, 条纹间距：, 条纹特点：,(1) 一系列平行的明暗相间的条纹；,红光入射的杨氏双缝干涉照片,(3) 条纹越向外侧，级次越高；,白光入射的杨氏双缝干涉照片,例1 用白光作双缝干涉实验时，能观察到几级清晰可辨的彩色光谱？,解: 用白光照射时，除中央明纹为白光外，两侧形成内紫外红的对称彩色光谱.当k级红色明纹位置xk红大于k+1级紫色明纹位置x(k+1)
4、紫时，光谱就发生重叠。据前述内容有,将 红 = 7600， 紫 = 3900代入得k=1.06,这一结果表明：在中央白色明纹两侧， 只有第一级彩色光谱是清晰可辨的。,由 xk红 = x(k+1)紫 的临界情况可得,因为 k只能取整数，所以应取k=2,A,B,C,M,1,M,2,s,点光源,2. 菲涅耳双面镜干涉实验,屏,平面镜,A,B,C,M,1,M,2,s,点光源,屏,s1,s2,平面镜,A,B,C,M,1,M,2,s,点光源,屏,A,B,C,M,1,M,2,s,点光源,2,2,屏,A,B,C,M,1,M,2,s,点光源,1,1,2,2,屏,A,B,C,M,1,M2,s,点光源,1,1,2,
5、2,屏,r,l,r0,条纹间距,屏上的干涉条纹为平 行于线光源S的直条纹。,M,A,B,屏,P,问题：,3. 洛埃德镜实验,.,s1,s2,虚光源,反射镜,点光源,当屏移到 位置时，在屏上的P 点应该出现暗条纹还是明条纹？,M,A,B,B,A,屏,P,.,s1,s2,3. 洛埃德镜实验,当屏移到 位置时，在屏上的P 点出现暗条纹。,M,A,B,B,A,屏,P,.,s1,s2,3. 洛埃德镜实验,当屏移到 位置时，在屏上的P 点出现暗条纹。这一结论证实，光在镜子表面反射时有相位 突变。,媒质1 光疏媒质 媒质2 光密媒质,n1,n2,折射波,反射波,入射波,光在垂直入射（i =0）或者掠入射（i
6、 =90）的情况下，如果光是从光疏媒质传向光密媒质，在其分界面上反射时将发生半波损失。折射波无半波损失。,半波损失,若 n1 n2,5. 菲涅耳双棱镜干涉实验,4. 维纳驻波实验实验（略）,S,S1,S2,6. 比累实验,7. 梅斯林实验,分波面法小结,分波面干涉小结,15 干涉条纹的可见度 光波的时间相干性和空间相干性,一、干涉条纹的可见度（对比度，反衬度）,1定义：,条纹最清楚,条纹模糊不清，不可分辨,条纹可见度差,令,2相干强度与可见度的关系, 决定干涉条纹可见度的因素：,(1)振幅比,振幅相差越大，衬比度越差。,(2)光源的宽度,光源宽度越大，衬比度越差。,(3)光源的单色性,光源单色
7、性越差，衬比度越差。,二、光源的非单色性对干涉条纹的影响,单色光：具有单一频率的光波称为单色波。,1. 单色光,光谱曲线：I(光强）（)波长（或频率)曲线， 可以直观地表示光波强度与波长间的关系。也称为谱线。,谱线所对应的波长范围越窄， 则光的单色性越好。,谱线宽度：标志单色性好坏的物理量。,谱线变宽的分类：自然加宽、多普勒加宽、碰撞增宽、外界辐射作用引起的增宽等等,以杨氏实验为例说明光源的非单色性的干涉条纹的影响。,设光源的波长为 ，其波光范围为,波长为 的第 j 级亮纹的位置为,波长为 的第 j 级亮纹的位置为,第j级明纹的宽度,当波长为 的等j 级与波长为 的第j +1级条纹重合时，干涉
8、条纹的可见度降为零，无法观察到条纹。,三、光源的时间相干性,表示光源上同一点不同时刻发出的波列的关联程度。,光程差小于波列长度，同一波列相干叠加,光程差大于波列 长度，同一波列不能相遇,干涉的必要条件是：两列光波在相遇点的光程差应小于波列的长度 L,波列的长度至少应等于最大光程差,相干长度,普通单色光：,激光：,谱线宽度,相干长度,相干长度,谱线宽度,普通光源,激光发光,一些光源的相干长度,波列长度（相干长度）,相干时间,对确定的点，若前后两时刻传来的光波属同一波列，则为 相干光波，称该光波场具有时间相干性，否则为非相干光 波，称该光波场无时间相干性。,结论：,1. 光波场的时间相干性和光源的
9、单色性紧密相关。,2. 时间相干性是光场纵向相干性。,四、光源的线度对干涉条纹的影响,B,D,I,非相干叠加,+1L,0N,0M,0L,b/2,d /2,L,M,N,S1,S2,若考虑光源的线度时，光源中不同位置发射的光波将产生不同的干涉条纹，重叠后会使干涉花样变得模糊或消失。,考虑极限情况V=0 时，设光源中心到其一侧边缘的线度为d，,所以光源线度的极限值为：,可证：,五、空间相干性,2. 干涉孔径角,1. 极限孔距,双缝的最大距离,结论：光场的空间相干性是描述光场中在光的传播 路径上空间横向两点在同一时刻光振动的关联程度。 故，又称横向相干性。显然，光的空间相干性与光源 的线度有关。,光源
10、的时空相干性小结,光源的空间相干性和时间相干性都是针对于光场中的各点是否相干而提出来的。,（1） 从本质上看：,空间相干性问题来源于扩展光源不同部分发光的独立性；,时间相干性问题来源于光源发光过程在时间上的断续性。,（2）从后果来看：,空间相干性表现在波场的横向方向上（波前方向）， 集中体现于分波前的干涉装置内；,时间相干性表现在表现在波场的纵向方向上（波矢方向）， 集中体现于分振幅干涉装置内（薄膜干涉属于空间相干 性问题）,2. 空间相干性可以用相干孔径角或光源的宽度等来描述；,时间相干性用相干长度L（最大光程差）或相干时间来描述。,思考与讨论：,简单描述杨氏实验在下列情况下条纹的变化,（4
11、）用两个独立光源，使其分别通过各个缝,思考题解答：,（1）不变；（2）变疏；（3）变密；（4）无干涉条纹,（1）使屏离双缝的间距增大,（2）使光源波长变大,（3）两缝的间距增加,小 结,一、分波面双光干涉,1光源与机械波源的区别,2获得相干光的方法,3典型的分波前干涉实验,（1）杨氏双缝干涉实验,强度：,干涉极大方程：,干涉极小方程：,亮条纹位置：,暗条纹位置：,条纹间距：,花样特点：,（2）菲聂耳双面镜,（3）劳埃镜,（4）维纳驻波实验,存在半波损失,二、光源的时空相干性,1干涉条纹的可见度,决定干涉条纹可见度的因素：,(1)振幅比 振幅相差越大，衬比度越差。(2)光源的宽度 光源宽度越大，衬比度越差。(3)光源的单色性 光源单色性越差，衬比度越差。,2光源的非单色性对干涉条纹的影响,3光源的时间相干性,4光源的线度对干涉条纹的影响,5光源的空间相干性,作 业,一、作业：,二、预习：,再 见,
