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1、第3章 光的干涉(Interference),光的干涉、衍射和偏振特性是光的波动性的主要特征，它们是许多光学仪器和测量技术的基础。本章研究光的干涉特性。,3.1.1 产生干涉的基本条件(The basic conditions for interference),白光下的肥皂膜,白光下的油膜,光的干涉是指两束或多束光在空间相遇时，在重叠区内形成稳定的强弱强度分布的现象。,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,例如，下图所示的两列单色线偏振光,1.两束光的干涉现象,E1 与 E2 振动方向间的夹角为，P 点处的总光强为,I1、I2 是二光束的光强；是二光束的相位差，且有,1.两
2、束光的干涉现象,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 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。,1.两束光的干涉现象,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；,1.两束光的干涉现象,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。,在能观察到稳定的光强分布的情况下，满足,满足,的空间位置为光强极大值，且光强极大值 IM 为,1.两束光的干涉现象,当两束光强相等，相应的极大值和极小值分别为,1.两束光的
3、干涉现象,的空间位置为光强极小值，且光强极小值 Im 为,光强极大值的条件是,光强极大值是,光强极小值的条件是,光强极小值是,1.两束光的干涉现象,2.产生干涉的条件,1）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干涉条纹可见度，由此深入分析产生干涉的条件。,2.产生干涉的条件,1）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。,2）产生干涉的条件,影响光强条纹稳定分布的主要因意
4、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。,2）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移动，且 愈大，条纹移动速度愈快。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（6）、（7）式可见，若二光束光强相等，则,（2）对二干涉光束振动方向的要求,若=0，二光束的振动方向相同时，V=l，干涉 条纹最清晰；若=/2，二光束正交振动时，V=0，不发生干 涉；当0/2时，0 V 1，干涉条纹清晰度介于 上面两种情况之间。要求二光束的振动
5、方向相同。,(3)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须固定不变，即要求二等频单色光波的初相位差恒定。,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。,2）产生干涉的条件,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。,（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。,一个光源包含有许许多多个
6、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从大量原子(发光中心)发射和汇集出来的。但是每个单个原子的发光都不是无休止的，每次发光动作只能持续一定的时间，这个时间很短(小于10-8s)，因而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,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，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。,1)原子发光的特点,在一有限的观察时
7、间 内，二光束叠加的强度是时间 内的平均，即为,如果在 内各时刻到达的波列相位差 无规则地变化，将在 内多次(可能在108次以上)经历 0 与 2 之间的一切数值。,1）原子发光的特点,因此,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。,上式的积分为,1）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,就是从同一个光源的两个不同部分发出的光也是不相干的。,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干性，它是一种相干光源。,产生激光的必要条件:.激励能源（使原子激发）;.粒子数反转（有合适的亚稳态能级）;.光学谐振腔（方向性，光放大，单色性）。,2）获得相干光的方法,分波面法：将一个波列的波面分成两部分或几部分,由这每一部分发出的波再相遇时，必然是相干的，下面讨论的杨氏干涉就属于这种干涉方法。分振幅法：通常是利用透明薄板的第一、二表面对入射光的依次反射，将入射光的振幅分解为若干部分，当这些部分的光波相遇时将产生干涉。,2）获得相干光的方法,分波面法：杨氏干涉；分振幅法：平行平板产生的干涉。,
