1、第 2 章 光的干涉現象2.1 雙光束干涉2.2 平行平板的多光束干涉2.3 光學薄膜2.4 典型干涉儀2.5 光的相干性概念復習 當兩列或者多列光波在空間某處相遇時，如果在其重疊區(qū)域內能夠產生相干疊加、光振動的振幅和光的強度在此重疊區(qū)域內能夠形成空間周期性的穩(wěn)定分布。 其結果最終在觀察屏上能夠產生一系列明、暗相間的穩(wěn)定圖樣，這種現象稱為光的干涉。 注意：疊加并不等于干涉！疊加僅僅是指兩列光波在相遇處的相位差恒定，但即使相位差恒定并不一定都能夠形成光的干涉。 例如，兩列傳播方向相同、頻率相等、位相差恒定、振動方向正交的線偏振光疊加 橢圓偏振光或者圓偏振光（在特殊情況下才是線偏振），所以并不產生

2、光的干涉現象。 可見，要產生光的干涉現象，還必須進一步滿足別的條件。光干涉現象的分類（1）按照相位差是否恒定來劃分 穩(wěn)態(tài)干涉 瞬態(tài)干涉（2）按照參與相干疊加的光束數目的多少來劃分 雙光束干涉 多光束干涉（3）按照相干光產生的機理來劃分 分（分割、切割、剪切）波振面法 典型雙光束干涉 多光束干涉 分（分解）振幅法 等傾干涉 等厚干涉2.1 雙光束干涉2.1.1 產生干涉的基本條件 1. 兩束光的干涉現象 2. 產生干涉的條件2.1.2 雙光束干涉 1. 分波面法雙光束干涉 2. 分振幅法雙光束干涉1. 兩束光的干涉現象2.1.1 產生干涉的基本條件兩列單色線偏振光PPE1pE1sI1、I2是二光

3、束的光強； 是二光束的相位差： 兩列光在P點相遇， 與 振動方向間的夾角為，則在P點處的總光強為： 二光束疊加后的總強度并不等于兩列波的強度和，而是多了 I12 ，它反映了這兩束光的干涉效應，通常稱為干涉項。干涉現象兩束光在重疊區(qū)內形成的穩(wěn) 定的光強分布的現象?！胺€(wěn)定”眼睛或記錄儀器能觀察到或記錄到的條紋分布，即在一定時間內存在著相對穩(wěn)定的條紋分布。 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象； 如果兩束光的相位差隨時間變化，使光強度條紋圖樣產生移動，且當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，就觀察不到干涉現象。 在能觀察到穩(wěn)定的光強分布的情況下，滿足

4、干涉相長條件的空間位置為光強極大值，且滿足干涉相消條件 = (2m+1) m=0, 1, 2， 的空間位置為光強極小值，且 如果兩束光的強度相等即 I1= I2= I0，則相應的極大值和極小值分別為：IM= 2I0(1+cos) (極大值)Im= 2I0(1cos) (極小值)干涉條紋可見度2. 產生干涉的條件 當干涉光強的極小值 Im = 0 時，V = 1，二光束完全相干，條紋最清晰； 當IM= Im時，V= 0，二光束完全不相干，無干涉條紋； 當IMIm0時，0V1，二光束部分相干，條紋清晰度介于上面兩種情況之間。傳播方向相同（或者相近）的兩列光波在相遇點：（1）頻率相等 = 0時，I

5、不隨 t 變化，可得到穩(wěn)定的干涉條紋。 0時，干涉條紋隨 t 變化，且愈大，條紋移動速度愈快；當 大到一定程度時，肉眼或探測儀器就將觀察不到穩(wěn)定的條紋分布。干涉的必要條件 （2）振動方向相同（或相近） 當兩束光的強度相等時當兩束光的振動方向相同時， = 0， cos =1， V =1； 干涉條紋的可見度最大，干涉條紋最清晰。干涉的必要條件 當兩束光的振動方向垂直時， = /2， cos = 0， V= 0； 干涉條紋的可見度為零，不發(fā)生干涉現象。 當兩列光波的振動方向既不平行也不垂直， 0 /2，0cos 1，0V1；干涉條紋的清晰程度介于上述兩種情況之間。因此，要產生高清晰度的干涉圖樣，要求

6、兩束光的振動方向必須相同。（3）相位差恒定（或者光程差固定）干涉的必要條件 考慮到光源發(fā)光的特點，相位差恒定是關鍵。 （1）光振動的振幅相差不能太懸殊； 【理想情形是振幅相等】 （2）光程差相差不能太大。 【理想情形是兩列光波等光程】 只有同時滿足相干光的必要條件和補充條件，才能夠在實驗上獲得穩(wěn)定的、高清晰度的和高質量的干涉條紋。干涉的補充條件 3. 實現光束干涉的基本方法1）原子發(fā)光的特點 一個光源包含有許許多多個發(fā)光中心（原子、分子或電子），每一束光都是從大量發(fā)光中心發(fā)射出來的。 每個原子的發(fā)光持續(xù)時間 108秒，因而每次原子發(fā)光只能產生有限的一段波列。 普通光源的發(fā)光方式主要是自發(fā)輻射，

7、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。 不同原子產生的各個波列之間、同一個原子先后產生的各個波列之間，都沒有固定的相位關系。 在一極短時間內，疊加的結果可能是加強；在另一極短時間內，疊加的結果可能是減弱，于是在有限的觀察時間 內，二光束疊加的強度是時間 內的平均：在 內各時刻到達的波列相位差 無規(guī)則地變化，則因此 兩個獨立的普通光源不可能實現光的干涉； 激光是從激光器中發(fā)出的、高度有序的、具有高光子簡并度的受激輻射的相干光，但兩個獨立的激光器也很難實現相干。 原因：它們不具備確定的位相關系。 解決辦法：“一分為二”，使二干涉光束的初相位差保持恒定。 分波振面法 把從同一個

8、光源所發(fā)出的、同一束光的同一個波振面分割成兩部分或者多個部分，獲得的每一部分波振面所發(fā)出的光波再相遇時，因其滿足相干光條件，可產生光的干涉現象。 分振幅法 利用透明光學介質薄膜的第一和第二表面對入射光的依次反射與折射，就可將入射光的振幅分解為兩個或者多個部分，當這些部分的光波在空間再度相遇時，就會產生光的干涉現象。2.1.2 雙光束干涉1.分波面法雙光束干涉2.分振幅法雙光束干涉1. 分波面法雙光束干涉（1）He-Ne激光的雙光束干涉演示實驗（2）楊氏雙縫干涉（3）菲涅耳雙棱鏡干涉（4）菲涅耳雙平面鏡干涉（5）洛埃鏡干涉（1） He-Ne激光雙光束干涉實驗 （2）楊氏雙縫干涉dR1SS2S1r

9、2r1yODR2P楊氏雙縫干涉原理圖 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 SS1P 和 SS2P 兩條不同路徑，在觀察屏 P 點上相交，其光程差為： = (R2R1) + (r2 r1) = R + r在dD，且在 y 很小的范圍內考察時，相應二光的相位差： 如果S1、S2到 S 的距離相等，R = 0 。 對應 =2m (m= 0,1, 2, )的空間點：為光強極大，呈現干涉亮條紋； 為光強極小，呈現干涉暗條紋。對應 = (2m+1) (m= 0,1, 2, ) 的空間點： 因此，干涉圖樣是與 y 軸垂直、明暗相間的直條紋。相鄰兩亮(暗)條紋間

10、的距離是條紋間距，且其中w = d/D 叫光束會聚角。 可見，條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，計算求得光波長。 如果 S1、S2 到 S 的距離不同，R 0 ，的空間點是暗條紋。對應于的空間點是亮條紋；則對應于相對于R = 0 的情況，干涉圖樣沿 y 方向發(fā)生平移。（3）菲涅耳雙棱鏡干涉dlS2S1SD（4）菲涅耳雙平面鏡干涉dOM2M1S2S1SD（5）洛埃鏡干涉MPdS2S1DP0 三點說明： 在兩束光的疊加區(qū)內，到處都可以觀察到干涉條紋，只是不同地方條紋的間距、形狀不同而已。這種在整個光波疊加區(qū)內，隨處可見干涉條紋的干涉，稱為非定