扩展光源与干涉条纹的定域问题

1、扩展光源与干涉条纹的定域问题胡红 电信 1302 班 201356110220摘要： 从光波的空间相干性出发,由衍射理论证明扩展光源具 有相干面积极小的特点，指出扩展光源相干面积实际上就是散斑，在 非激光束照明时，由于色模糊存在，这些散斑 是无法观察。利用此结论 可解释扩展光源照明情况下,等倾干涉及等厚干涉条纹的定域性。并 指出如果把扩展光源换成激光束,等倾干涉及等厚干涉条纹将不再定 域。弓引言：任何光波都存在着自己的等相位面（波阵面）。平面 波的等相位面是一无穷大平面，但它在自然 界并不真实存在。扩展光 源是一个实际存在的光源，其所发光波的等相位面是什么样子,面积有 多大?若用扩展光源来做等

2、倾干涉或等厚干涉实验，其干涉条纹的分 布区域又有何特点呢？正文激光出现前，所有的光源（例如过去光学实验室中使用的白炽灯， 钠灯和汞灯等）都可称为扩展光源。用激光照射散射物体形成的散射 光束也是扩展光源。扩展光源的特点是发光面积较大，光线出射方向 （波矢量）极多。或者说它的空间频谱极宽，相干面积极小。也就是空间 相干性极差。由于扩展光源所发光束是向四方八面出射的，即在每一个 方向 上都有一个很小的波阵面到达平品。设有一波阵面为A0的平面波, 其波矢量k# 0与平品法线成i角,入射到平晶的上表面。其中，直接反 射的光波波矢量为k# 1,波阵面为A1,而透射光到达平品下表面被反 射回来，再透射出上表

3、面，其波矢量为k# 2,波阵面为A2。下面分析这 两束光的干涉情况：（1）k# 1和k# 2的传播方向虽然相同，但若要产生干 涉只有A1和A2相遇才有可能，由于光波k#1和k# 2都来自扩展光源, 故等相位面A0、A1和A2都是非常小的。若要A1和A2相遇那只有 平品的厚度减少到A0的数量级才有可能。也就是说扩展光源的等倾 干涉只能发生在薄膜上；（2）由于任何平晶的上下两个表面不可能是绝 对平行的，所以A1和A2都只能在平晶上表面附近一个非常小的区域 内相遇，故干涉条纹只能发生在相遇的小区域内，因此等倾干涉条纹是 定域的。如果改用平行激光束来做平晶干涉实验，这是两个有一定相位差 的平面波的干涉

4、（剪切干涉），只能看到一条或极少数几条平行干涉条 纹（要视平品两面的平行度而定）。而且对平晶厚度的要求无太多限制, 干涉条纹也不再是定域的，可以在很大的范围内看到它们。若用发散 激光束（球面波）来做平晶干涉实验，能够看到一条或极少数几条同心 园环的干涉条纹，也不是定域的。把平品换成楔面（如图4所示），再来分析从扩展光源发射出来的 光束的干涉。从扩展光源出射的光束，只有和楔面垂直入射的光束，才 能够产生等厚干涉。对于楔面来说折射率n和入射光波长是固定的, 平晶厚度h是可变的，故只要厚度相同的地方它们的光程差就相同，光 程差为波长的整数倍时，它们就是亮条纹。干涉条纹就是等厚线。同 样由于两光束A1

5、和A2的波阵面都是非常小的，所以它们只能在楔面 上表面附近一个非常小的区域内相遇，故干涉条纹只能发生在相遇的 小区域内，因此等厚干涉条纹也是定域的。图4扩展光源在薄膜上的等原 干涉只有两光束A1和A2的光程差小于入射光束的相干长度时，两 波阵面相遇才能干涉，也就是说对自发辐射光源来说，其相干长度极小, 故等厚干涉条纹只能产生在楔面不太厚的范围内。牛顿环就是典型 的等厚干涉条纹。如果改用平行激光束来做等厚干涉实验，就能在很 大的范围内看到等厚干涉条纹，不会有干涉条纹的定域现象，对厚度的 限制也大为放松。 太阳是一个体积巨大的扩展光源,所以它的空间 频谱也是很宽的。当它发出的光波到达地球时,其相干面积也仍然只 有近30m2，所以它还是只能形成薄膜的等厚干涉。结论：当扩展光源的相干体积的大小不一样时，其所产生的 干涉条纹的定域范围也不一样,故有定域深度之说。参考文献：1王仕璠.信息光学理论与应用M.北京:北京邮电大学出版 社,2004.张文碧，杨齐民,钟丽云.散射物体全息照片的显微结构与拍摄 参数的选择J.激光杂志,1997,18(2):32-38.3苏显渝，李继陶.信息光学M.北京:科学出版社,2000:137-1