光的干涉和衍射

一、光的干涉1、相干条件------能在长时间内产生稳定的干涉现象的条件（1）两光波频率相同（2）两光波的位相差恒定（3）两光波的振动方向不互相垂直（一般以电场的振动方向作为光波的振动方向）光的干涉和衍射2、干涉条纹LS1S2dXSr1r2P•观察屏上的光强分布光程差：其中-------位相差图示：光强的分布或时或时3、实现干涉的途径将一个光源的一束光波分割成两束或多束，使其重新相互交会，在交会区域可能产生干涉条纹.波前分割法振幅分割法光波的分割方法将光源发出的波前分成两部分（或多部分），使它们各自经历不同路程后再相交，在相交区域产生干涉。将同一光源发出的波列，利用振幅分解的方法，分解成两个或两个以上的相干波列。光的反射和折射是天然地实现振幅分解的方法。（1）波前分割法

杨氏双孔（双缝）干涉SS1S2菲涅尔双面镜菲涅尔双棱镜罗埃镜比累对剖透镜（2）振幅分割法—薄膜干涉（A）薄膜表面的反射和折射nn’aatarnn’aat’ar’反射系数

透射系数（r和r’代表上下表面的振幅反射率，由于r和r’绝对值相等，所以以后就不再区别r和r’）(t和t’代表上下表面的振幅透射率）图示：薄膜表面的反射和折射透明薄膜的反射光干涉主要为1

和2之间的双光束干涉同样，透射光的干涉也为双光束干涉半波损失

两个反射光波之间的光程差qiABCnn’n’aaratt’rtDi（B）薄膜干涉的规律a.反射光的干涉（光从光疏介质射到光密介质界面反射时，有位相π的突变，即有半波损失）干涉亮条纹：干涉暗条纹：b.透射光的干涉

qABCnn’n’aattr’2att’tD两透射光波之间的光程差：无半波损失

干涉亮条纹：干涉暗条纹：薄膜干涉光程差决定于膜厚、倾角qnaaratt’rtnaattr’2att’tq等倾等厚（C）分振幅干涉的两种类型-------等厚干涉和等倾干涉a.等厚干涉牛顿环两平板玻璃间形成的劈形膜---倾角q

恒定只决定于膜厚同级干涉条纹由相同厚度处的两光束形成图示：利用Newton环原理检测工件表面等厚干涉应用之一图示：平板平整度的检测条纹？？条纹条纹等厚干涉应用之二b.等倾干涉---膜厚t

恒定

只决定于入射角，同一级干涉条纹由相同入射角的光束干涉形成•迈克尔逊干涉仪振幅分割型双光束干涉仪；许多现代干涉计量仪器的基础。M1M2M2’BCtPθ空气层光程差位相差图示：Michelson干涉仪的光路面光源照明分束板补偿板Michelson

干涉条纹

时：等厚干涉条纹1）M1

很靠近M2’时2）M1

离开M2’较远时等倾,等厚混合条纹同心圆环等倾干涉条纹M1M2M2’BCtPθ等倾条纹等厚+等倾条纹图示：Michelson干涉仪的条纹形状二、光的衍射•除了干涉现象外，衍射现象也是波动特有的属性。•当一个波在传播中遇到障碍物时，会绕过去继续传播，如声音透过门缝，河里的水波穿过涵洞，这种不遵从直线传播规律的绕射现象就是波的衍射。•当障碍物的尺寸小到与波长可比拟时，衍射现象明显。•光波长很短，光的衍射在障碍物很小时才易于观察到。•衍射的分类菲涅尔衍射：光源或观察屏靠近衍射屏时夫琅和费衍射：光源和观察屏离开衍射屏很远菲涅尔圆孔衍射--------通过孔的波带数为偶数时，中心是暗斑菲涅尔圆屏衍射--------泊松亮点圆孔的夫琅和费衍射-------爱里斑大小与衍射孔径成反比单缝的夫琅和费衍射-------中央衍射区宽度与缝宽成反比演示：一维光栅、正交光栅和蜻蜓眼睛光栅的衍射三、全息照相

1948年，英国物理学家伽柏发明全息术，获得1971年Nobel物理奖。直到1960年激光出现后，因它的高度相干性和强度大，为全息照相提供了十分理想的光源，从此全息技术的研究进入了一个新阶段。如今，全息照相理论被推广到许多应用领域，如全息显示、全息光学元件、全息干涉计量等。全息照相的再现过程全息照相的记录过程1、全息照相的基本原理全息照相的理论实质上是一种广义的双光束干涉和衍射理论的应用。全息照相的过程分为记录和再现两步。图示：普通照相过程全息照相过程2、全息照相的特点：要求相干光源、特殊底片和防震工作台。普通照相全息照相以几何光学的规律为基础以干涉、衍射等波动光学的规律为基础记录的只是光强信息记录的是振幅和位相信息得到的是物体的二维平面像再现时得到的是物体的三维立体像底片记录的是物体的平面像，不需再现就可看到像底片记录的是干涉条纹，需再现才能看到像，且有一实一虚两个像感光底片分辨率较低，约100条/mm全息底片分辨率高，要大于1000条/mm可重复曝光，一张底片可记录多幅像曝光时间短曝光时间较长，一般需几十秒甚至更长照片不具分割性照片具有分割性一张底片只记录一幅像3、全息图的几种类型（1）菲涅尔全息：记录平面位于物体衍射光场的菲涅尔衍射区，即物光直接照在记录底片上。必须用相干光再现，且全息图具有分割性（2）体全息：记录介质较厚，物光和参考光在介质内干涉形成三维结构。再现时，只有当入射角满足布喇格条件时才能得到一个再现像。可以用白光再现（3）像面全息：物体靠近记录介质平面或利用成像系统使物体成像在记录介质平面附近所得到的全息图。可以用宽带光源或白光光源来获得再现像（4）彩虹全息：利用成像系统，并在记录光路的适当位置加一狭缝，没有像面与记录介质平面的距离要小的限制。再现时，观察的像将受到狭缝像的限制。用白光再现时，转动全息图，看到的像的颜色变化犹如彩虹。可以用白光再现，并可大量模压复制，在全息显示、商品防伪中有重要的价值另外，还有计算全息图、傅里叶变换全息图等。4、全