现代光学基础课件：光的干涉1_1波动的独立性、叠加性和相干性

1、第一章 光的干涉Chap. 1 Interference of Light,光的本质:电磁波，波动性，光效应体现了电场强度而不是磁场强度。 干涉现象和几种重要的应用，影响干涉图样清晰度的因素。 双光束干涉和多光束干涉。,内 容 1.1 波动的独立性、叠加性和相干性 1.2 由单色波叠加所形成的干涉图样 1.3 分波面双光束干涉 1.4 干涉条纹的可见度 光波的时间相干性和空间相干性 1.5 菲涅耳公式 1.6 分振幅薄膜干涉（一）等倾干涉 1.7 分振幅薄膜干涉（二）等厚干涉 1.8 迈克耳孙干涉仪 1.9 法布里-珀罗干涉仪 多光束干涉 1.10 光的干涉应用举例 牛顿环,在19世纪70年代

2、，麦克斯韦发展了电磁场理论，从而导致电磁波的发现。电磁波和光具有非常相似的现象。在不同介质的分界面上发生反射和折射现象,也具有干涉,衍射和偏振等现象 。,并发现电磁波在真空中的传播速度 为：,J. C. Maxwell 1831-1879,1.1 波动的独立性、叠加性和相干性,c只和真空介电常数 和真空磁导率 有关 。,1.1.1 电磁波的传播速度和折射率,按照麦克斯韦理论，电磁波在真空中的传播速度为：,现在测定的真空中最准确的数值为：,c = 29979244851.2 米/秒.,光是某一波段范围内的电磁波, c就是光在真空中的传播速度。,、 分别为真空介电常数和真空磁导率,在介质中电磁波的

3、传播速度,、 分别为介质的相对介电常数和相对磁导率。,透明介质的折射率n为:,既光是电磁波,麦克斯韦关系式,上式把光学和电磁学这两个不同的领域中的物理量的联系起来了.,对于透明介质，在光频波段有：,因此,光波的频率仅由光源频率决定而与传播介质无关，光在介质中的波长为,1.1.2 光的强度,电磁波中的电场强度 矢量、磁场强度 都和传播方向垂直，因而电磁波是横波。,对人的眼睛或感光仪器起作用的是电场强度 所以光波中的振动矢量通常指的是电场强度矢量。,4000 紫,7600 红,400450500550600650760nm 紫 蓝 绿 黄 橙 红,在电磁波中能被人眼所感受的光的波长约在400nm-

4、760nm的范围内，对应的频率范围为7.510144.11014Hz, 这个波段内的的电磁波叫做可见光。,在可见光的范围内不同的频率引起不同的颜色感觉，大致可分为红 橙 黄 绿 青 蓝 紫七种颜色, 颜色随波长是连续改变的。,能流密度：在单位时间内通过与波的传播方向垂直的单位面积的能量或表示为通过单位面积的功率。,对于电磁波，平均能流密度正比于电场强度振幅A的平方.所以光的强度或光照度（即平均能流密度）为,在波动光学中,主要讨论光波所到之处的相对光照度. 常把振幅的平方所表征的光照度叫光强度。,应理解为相对强度，其值与所处介质的折射率有关。,由电磁理论，电磁波的能流密度矢量（坡印廷矢量）为,电

5、磁波中，,因此能流密度的瞬时值为,光波作为电磁波应由坡印廷矢量的数值确定。,因为,故,我们检测光波的存在和强弱，是通过光和物质的相互作用但是，任何检测器件都有一定的响应时间，都不能检测电磁波能流密度的瞬时值，只能检测其在响应时间内的平均值,可见光振动周期T10-14秒，人眼响应时间10-1秒，灵敏的光检测器响应时间10-9秒,对于透明介质，在光频波段有：,1.1.3 机械波的独立性和叠加性,以机械波的叠加为例，两波相遇是在独立的基础上叠加，这种叠加的前提是波的振幅不大，是一种线性叠加。所谓独立指的是参与叠加的波保持其自身的三性（频率、振幅和振动方向）。,波传播的独立性：两列波在某区域相遇后再分

6、开，传播情况与未相遇时相同，互不干扰.,波的叠加性：在相遇区，任一质点的振动为二波单独在该点引起的振动的合成.,满足一定条件的两列波，叠加后产生的合振动可能有些地方加强，在有些地方减弱，这一强度按空间周期性变化的现象称为干涉。,在叠加区域内这种分布的整体图像称为干涉图样。如水面上两波的干涉。,波的传播不是介质质元的传播，是振动状态的传播.,结论：干涉图样是波动本性的实验证据。,1.1.4 干涉现象是波动的特性,相干？,为什么通常的独立光源无干涉现象（称不相干）只有光源经过诸如杨氏干涉等特殊装置才有干涉现象。,1 频率相同 2 震动方向相同 3 恒定的位相差,1.1.5 相干与不相干叠加,问题：

7、教室里开两盏灯，室内各处的照度处处加强，其值等于两盏灯照度之和。为什么没有出现相干性叠加？,式中合振动的振幅A和初相位,1.两个简谐振动的合成,两个沿同一直线振动的简谐振动，其频率相同，但相位不同,在某一时间间隔内 ，合振动的平均相对强度为：,一 相位差不恒定 非相干叠加,二 相位差恒定 相干叠加,称为干涉项。,1、如相位差,极大值，称为干涉相长，,2、相位差,极小值，称为干涉相消,三、如果相位差为其他值，合振动的强度介于Imax和Imin之间。,若A1A2，则,总结,相干：频率相同、振动方向几乎相同，并且在观察时间内相位差保持不变的两个振动。,非相干：两振动的相位在观察时间内无规则地改变，合振动的平均强度简单地等于分振动强度之和，不出现干涉现象。,说明：只要振动方向不垂直，满足频率相等、相位差在观察时间内保持不变的两个振动就可以发生干涉。,多个振动叠加时，情况也是一样，设有几个同频率的振动，振幅都等于A1，振动方向都沿着同一直线。如果它们是相干叠加的，则,那么合振动强度介于Imax 和 Imin=0