物理光学-第2章-光的干涉

物理光学第二章1产生干涉的条件；等倾干涉和等厚干涉；光场的相干性；多光束干涉的特点及其应用牛顿的微粒说光是由发光物体发出的遵循力学规律的粒子流。惠更斯的波动说光是机械波，在弹性介质“以太”中传播。一、光学的研究内容第2章光的干涉二、光的两种学说2光的电磁理论——波动性：干涉、衍射、偏振光的量子理论——粒子性：黑体辐射、光电效应、康普顿效应三、光的本性第2章光的干涉32.1光波的叠加2.1.1概述两束光的干涉现象

肥皂泡和水面上的油膜所呈现出的美丽色彩就 是干 涉的结果。再如，把两片玻璃擦干净以后 再贴 在一起并压紧，有的地方就会出现不规则 的彩 色条纹，也是光波干涉的结果。

光波的特征参数

振幅； 相位； 偏振； 波长4两束光的干涉现象

1801年，杨氏巧妙地设计了一种把单个波阵面分解为两个波阵面以锁定两个光源之间的相位差的方法来研究光的干涉现象。杨氏用叠加原理解释了干涉现象，在历史上第一次测定了光的波长，为光的波动学说的确立奠定了基础。2.1光波的叠加2.1.2两束光干涉的条件52.1光波的叠加

两束光干涉的光强公式

6讨论-两个光波就能产生干涉的条件：⑴两个光波的频率相同；⑵位相差不随时间变化，或者位相差随时间的改变量远小于毫弧度（rad）；⑶两个光波的偏振状态不正交。2.1光波的叠加

72.1.3获得相干光的方法

等光强双光束干涉的光强分布

坐标↔光程差↔位相差↔光程↔光强82.1.3获得相干光的方法

两个光源发出的光波为什么不相干同一光源的两个不同部分发出的光也是不相干

92.1.3获得相干光的方法

产生干涉的要求：①两光波频率相同；②两光波在相遇处振动方向相同；③两光波在相遇处有固定不变的相位差。获得相干光源的办法就是把一个波列的光分成一束或几束波，然后再令其重合而产生稳定的干涉效应。分波阵面法分振幅法相干光与相干光源两束满足相干条件的光称为相干光相应的光源称为相干光源

102.2分波面的双光束干涉2.2.1 双缝干涉托马斯·杨（ThomasYoung）英国物理学家、医生和考古学家，光的波动说的奠基人之一波动光学：杨氏双缝干涉实验生理光学：三原色原理材料力学：杨氏弹性模量考古学：破译古埃及石碑上的文字一、杨氏简介11二、杨氏双逢干涉的实验装置

1801年，杨氏巧妙地设计了一种把单个波阵面分解为两个波阵面以锁定两个光源之间的相位差的方法来研究光的干涉现象。杨氏用叠加原理解释了干涉现象，在历史上第一次测定了光的波长，为光的波动学说的确立奠定了基础。12三、双缝干涉的光程差一般情况，r>>d13四、干涉条纹的位置（1）明条纹（2）暗条纹xI14五、干涉条纹的特点xI双缝干涉条纹是与双缝平行的一组明暗相间彼此等间距的直条纹，上下对称。明条纹暗条纹条纹间距15六、光强分布16七、杨氏双缝干涉的应用（1）测量波长：（2）长度的测量微小改变量。例求光波的波长在杨氏双缝干涉实验中，已知双缝间距为0.60mm，缝和屏相距1.50m，测得条纹宽度为1.50mm，求入射光的波长。解：由杨氏双缝干涉条纹间距公式

Δx=λd0/D可以得到光波的波长为

λ=Δx·D/d0代入数据，得λ=1.50×10-3×0.60×10-3/1.50=6.00×10-7m=600nm17两虚象等效于杨氏双孔.

屏幕

条纹间距为:屏上AB为干涉区．干涉区八、菲涅耳双面镜18光在介质中传播的距离折算成真空中的长度。在介质中传播的波长，折算成真空中波长两光程之差叫做光程差相位差：2、光程差1、光程的引入和光程的概念一、计算光程差的公式2.3分振幅的双光束干涉

2.3.1等倾干涉19当用透镜观测干涉时，不会带来附加的光程差。结论：干涉条件用相位差表示：用光程差表示：3、透镜不引起附加的光程差20薄膜干涉属于分振幅法4、实验装置

2.3.1等倾干涉结论：相同的入射角对应同一级条纹。因此，称它为薄膜等倾干涉。光

与光

相遇在无穷远，或者在透镜的焦平面上观察它们的相干结果，所以称它为定域干涉。21情况1：n1<n2<n3

有有没有情况2：n1>n2>n3

半波损失无无没有情况3：n1<n2>n3

有无有情况4：n1>n2<n3

无有有

产生半波损失的条件：光从光疏介质射向光密介质，即n1<n2；小角度或掠入射；

半波损失只发生在反射光中；

对于三种不同的媒质，两反射光之间有无半波损失的情况如下：n1<n2<n3无n1>n2>n3无n1<n2>n3有n1>n2<n3有22

2.3.1等倾干涉5、强度分布公式6、观察等倾干涉的实验装置237、透射光的干涉：对于同一厚度的薄膜，在某一方向观察到某一波长对应反射光相干相长，则该波长在对应方向的透射光一定相干相消。因为要满足能量守恒。增透膜、增反膜用在光学仪器的镜头上，就是根据这个道理。由于两支反射光的强度相差较小，所以反射光条纹的可见度比透射光条纹好得多。因此，在平板表面反射率很低的情况下，常常利用的是平板的反射光条纹，而不是透射光条纹。248、等倾条纹的性质中央条纹干涉级次

条纹标号

1，2，3，……N

2.3.1等倾干涉m0,m1,m1—1,m1—2，……mN

m+N=m1+1258、等倾条纹的性质

条纹的半径和间距26§2-3-2等厚干涉等厚干涉的定义：观察等厚干涉的实验装置27§2-3-3楔形平板产生的干涉

楔形平板在定域面某一点P产生的干涉28§2-3-3楔形平板产生的干涉条纹数目相邻两条纹间的距离

29§2-3-3楔形平板产生的干涉当减小时e增加即条纹越来越稀，最后看不到了；当增加时e减小越来越稀密，最后看不到了。由公式可测薄膜的厚度，利用上式还可测出条纹间距，即可求出楔形板的角度30例2、工件质量检测ba§2-3-3楔形平板产生的干涉31§2-4驻波入射波电矢量的各分量表达式

32§2-4驻波反射波的表达式

33§2-4驻波振幅最大振幅最小34§2-4驻波维纳驻波实验35§2-5平行平板的多光干涉原因：例如,光束接近正入射从空气射入玻璃平板内,反射率约为0.04,光束1的强度将为入射光强度的4%，光束2的强度为3.7%，而光束3的强度不到0.01%，所以第三支光束和继后各光束实际上都可以忽略。但是,当光束掠入射或当平板表面镀有金属膜层或电介质膜层使得反射率很高时,就不能仅考虑头两束光的作用。例如,反射率R=0.9,且假设平板没有吸收时，各反射光束的强度依次为（入射光强度设为1）：0.9,0.009,0.0073,0.00577,0.00467,0.00318,0.00306,各透射光强度依次为：0.01,0.0081,0.00656,0.00529,0.00431,0.00349,0.00284,可见，在反射光中，除光束1外其他各光束的强度相差不多，在透射光中，各光束的强度减弱很慢。因此，必须考虑多光束的干涉效应。

36§2-5-1多光束干涉的强度分布

光程差：位相差37§2-5-1多光束干涉的强度分布叠加后反射光的复振幅为38§2-5-2干涉条纹的特点

平行平板的多光束干涉是等倾干涉。干涉光强的极大值与R无关，恒等于I0，等于入射光强。

最小光强与R·F有关且不等于零。

光强分布由反射率R决定。

R很小时，干涉光强变化不大，即干涉条纹极不明显，可见度低。当R增大时，F增大，减小，而不变，因而两差值增加。39§2-5-2干涉条纹的特点40§2-5-2干涉条纹的特点干涉条纹的半宽度

41§2-5-2干涉条纹的特点条纹的精细度：用相邻两条纹间的距离2和条纹半宽度之比来表示条纹的锐度。42§2-8典型的双光束干涉仪

2-8-1迈克耳逊干涉仪仪器的结构和特点干涉原理等倾干涉等厚干涉432-8-1迈克耳逊干涉仪干涉条纹的分析等厚干涉的直条纹白光干涉的特点级次低彩色442-8-1迈克耳逊干涉仪等倾干涉的圆条纹对第m级亮环来说，当h变小时，就必然要增大,以保持不变,因此这第m级环所对应的就跟着减小,也就是环的半径不断减小,环在向中心收缩。而且，每减少一个环，中心点的亮暗就要变化一次。中心点：452-8-1迈克耳逊干涉仪在圆环收缩的同时，条纹会不断变粗，同一视场中的条纹数则越来越少。h变小，必然是e增大。

h变大时，环向外扩，条纹变细。

46§2-8-2马赫-泽德干涉仪光路图47§2-9法布里-珀罗干涉仪干涉仪的结构

(a) (b) 法布里—珀罗干涉仪产生的多光束干涉条纹(a)和迈克耳逊干涉仪产生的双光束等倾干涉条纹(b)的比较48§2-9法布里-珀罗干涉仪干涉仪的性能参数若m不变，h连续变化，则通过法-珀干涉仪的波长连续变化因此可以通过调节h连续变化来测光源所含的成分。49§2-9法布里-珀罗干涉仪自由光谱范围50§2-9法布里-珀罗干涉仪相邻透射频率正入射时，通过仪器的波长是分立的，波长间隔是非等间隔的，而正入射时，通过仪器的频率是分立的，频率间隔是等间隔的.

51§2-9法布里-珀罗干涉仪通过仪器后，每个透射谱本身有一定的半宽度，它是谱线中心两边相对光程下降到1/2那点的频率间隔，波长间隔。这个半宽度相应的位相差是52§2-9法布里-珀罗干涉仪仪器的分辨本领

53§2-9法布里-珀罗干涉仪仪器的分辨本领条纹精细度54§2-9法布里-珀罗干涉仪仪器的角色散率角越大，仪器的角色散愈大。所以干涉环中的光谱最纯。55§2-7光源的相干性§2-7-1相干长度和相干时间时间相干性是指光源在两个不同时刻发出的光波在辐射场的某一固定点上的干涉问题，是研究光场的时间相干性。空间相干性是指在同一时刻，考察光场内空间的两个不同点上的干涉问题时，则是研究光场的空间相干性。下面分别讨论这两方面的问题。56§2-7光源的相干性相干长度原子发出的光波的平均长度用l表示。相干长度是指光源发出的光被一分为二之后再合二为一时能够产生干涉所允许的最大光程差（1）光源发出的光波列的平均长度（2）光源发出的光波列被一分为二，再合二为一才能产生干涉的最大光程差。（3）相干长度是光源单色性的标志，用L越长，单色性越好，即光波列越长，颜色越纯。57§2-7光源的相干性58§2-7光源的相干性相干时间相干时间代表：（1）光源发出一个光波到所用的平均时间。（2）