1.4 干涉条纹的可见度,光波的时间相干性和空间相干性.pptx

114 4 干涉条纹的可见度，光波的干涉条纹的可见度，光波的时间相干性和空间相干性时间相干性和空间相干性1.4.1 1.4.1 干涉条纹的可见度干涉条纹的可见度为了描述干涉花样的强弱对比，定义为了描述干涉花样的强弱对比，定义可见度可见度当当 时时,V=1,V=1,条纹反差最大条纹反差最大 时时,V0,V0,条纹模糊不清条纹模糊不清影响干涉条纹可见度大小的因素很多，对于理想的影响干涉条纹可见度大小的因素很多，对于理想的相干点源发出的光来讲，主要因素是振幅比。相干点源发出的光来讲，主要因素是振幅比。1.4.2 1.4.2 光源的非单色性对干涉条纹的影响光源的非单色性对干涉条纹的影响 在实验中使用的单色光源包含着一定的在实验中使用的单色光源包含着一定的波长范围波长范围 ，这将会影响干涉条纹的可，这将会影响干涉条纹的可见度，由于波长范围见度，由于波长范围 内的每一波长的内的每一波长的光均形成各自的一组干涉条纹，而且各条光均形成各自的一组干涉条纹，而且各条纹除零级以外，互相间均有一定的位移，纹除零级以外，互相间均有一定的位移，所以各组条纹非相干叠加的结果使条纹的所以各组条纹非相干叠加的结果使条纹的可见度下降。可见度下降。为什么是非相干叠加？为什么是非相干叠加？以杨氏实验为例以杨氏实验为例设光源的波长为设光源的波长为 ，其波长范围为，其波长范围为对对 ,j j 级亮纹的位置为级亮纹的位置为则第则第j j 级明条纹的宽度为级明条纹的宽度为对对 ,j j 级亮纹的位置为级亮纹的位置为j j级级j+1j+1级级S1S1S2S2波长波长波长波长第第j j 级明条纹的宽度为级明条纹的宽度为随着干涉级数随着干涉级数j的提高，的提高，将增大，条纹的可见将增大，条纹的可见度相应地降低。度相应地降低。j j级级j+1j+1级级j-1j-1级级S1S1S2S2当波长为当波长为 +的第的第j j 级与级与 的第的第j j+1+1级条纹级条纹重合时，可见度降为零，无法观察到条纹重合时，可见度降为零，无法观察到条纹当波长为当波长为 +的第的第j j 级与级与 的第的第j j+1+1级条纹级条纹重合时，可见度降为零，无法观察到条纹重合时，可见度降为零，无法观察到条纹干涉条纹的可见度降为零时的干涉级：干涉条纹的可见度降为零时的干涉级：该干涉级对应的光程差为实现相干的最大光程差该干涉级对应的光程差为实现相干的最大光程差该式表明，光源的单色性决定产生干涉条该式表明，光源的单色性决定产生干涉条纹的最大光程差，通常将纹的最大光程差，通常将 称为相干长度称为相干长度1.4.3 1.4.3 时间相干性：时间相干性：普通光源的发射过程以自发辐射为主，这是一种随机过普通光源的发射过程以自发辐射为主，这是一种随机过程，每个原子或分子先后发射的不同波列，以及不同程，每个原子或分子先后发射的不同波列，以及不同原子或分子发射的各个波列，彼此之间在振动方向和原子或分子发射的各个波列，彼此之间在振动方向和相位上没有关联。因此，普通光源所发出的光由许多相位上没有关联。因此，普通光源所发出的光由许多持续时间很短的波列组成，这些波列的振动方向和相持续时间很短的波列组成，这些波列的振动方向和相位都是无规的。各波列之间没有相位关系位都是无规的。各波列之间没有相位关系严格的单色光是具有确定的频率和波长的简谐波，它在时严格的单色光是具有确定的频率和波长的简谐波，它在时间和空间上都是无始无终的，形成了无限长波列。然而间和空间上都是无始无终的，形成了无限长波列。然而从微观机制看，实际的光源中的原子或分子等微观客体，从微观机制看，实际的光源中的原子或分子等微观客体，每次发射的光波波列都是有限长的。即使在非常稀薄的每次发射的光波波列都是有限长的。即使在非常稀薄的气体中相互作用几乎可以忽略的情况下，它们发射的波气体中相互作用几乎可以忽略的情况下，它们发射的波列所持续的时间列所持续的时间 也不会超过也不会超过10(-8)10(-8)秒。秒。当在当在P P点光程差太大点光程差太大,同时从同时从S1S1和和S2S2出发的出发的a a到达到达P P点时点时,a,a已经过了已经过了P P点点,无法干涉无法干涉.故相遇点的光故相遇点的光程差必须小于波列长度程差必须小于波列长度.相干光必须来自同一个原子或分子的同一次相干光必须来自同一个原子或分子的同一次发射的波列，而这种波列的长度发射的波列，而这种波列的长度 是有限的。是有限的。对于持续时间为对于持续时间为 的波列的波列(光程光程)对于有一定波长范围的非单色光源，波列的长对于有一定波长范围的非单色光源，波列的长度度 至少应等于最大光程差至少应等于最大光程差 ，才有可能观，才有可能观察到察到 级以下的干涉条纹，由此可得级以下的干涉条纹，由此可得在这个时间内传到在这个时间内传到p p点的两列波具有相干性，否则，点的两列波具有相干性，否则，不具有相干性，称该光波场具有不具有相干性，称该光波场具有时间相干性时间相干性（相干时间）（相干时间）1.4.4 1.4.4 光源的线度对干涉条纹的影响光源的线度对干涉条纹的影响在前面的讨论中我们采用的是点光源或线光在前面的讨论中我们采用的是点光源或线光源，但实际上光源总是具有一定的宽度的，源，但实际上光源总是具有一定的宽度的，我们可以把它看成由很多线光源构成，各个我们可以把它看成由很多线光源构成，各个线光源在屏幕上形成各自的干涉花样，这些线光源在屏幕上形成各自的干涉花样，这些干涉花样具有一定的位移，位移量的大小与干涉花样具有一定的位移，位移量的大小与线光源到线光源到s s的距离有关，这些干涉花样的非的距离有关，这些干涉花样的非相干叠加，使总的干涉花样模糊不清，甚至相干叠加，使总的干涉花样模糊不清，甚至会使干涉条纹的可见度降为零。会使干涉条纹的可见度降为零。首先讨论两个线光源的情况首先讨论两个线光源的情况若若 的干涉花样的最大值同的干涉花样的最大值同s s的干涉花样最小值重合时，的干涉花样最小值重合时，干涉条纹的可见度降为零，设这时干涉条纹的可见度降为零，设这时s s和和 之间距离为之间距离为 ，同双缝干涉的计算一样，同双缝干涉的计算一样，到到 和和 的光程差为：的光程差为：（略去了二阶小量）（略去了二阶小量）如果如果则条纹的可见度为零则条纹的可见度为零若杨氏实验中用的是扩展光源，它的宽度为若杨氏实验中用的是扩展光源，它的宽度为 ，且，且 花样的可见度为零，光源的宽度花样的可见度为零，光源的宽度 称为临界宽度。称为临界宽度。1.4.5 1.4.5 空间的相干性空间的相干性对于临界宽度为对于临界宽度为 的光源，由的光源，由 可求得所对应的双缝之间最大距离可求得所对应的双缝之间最大距离若双缝之间的距离等于或大于若双缝之间的距离等于或大于 时，则观时，则观察不到干涉条纹，即光场中狭缝察不到干涉条纹，即光场中狭缝 和和 处的处的光矢量在同一时刻无确定的位相关系，由于光矢量在同一时刻无确定的位相关系，由于 和和 发出的光波来自同一光源，故与宽度发出的光波来自同一光源，故与宽度为为 的光源对应的光场空间相干性差。的光源对应的光场空间相干性差。若使双缝若使双缝 与与 之间的距离小于之间的距离小于 ，则屏，则屏幕上能观察到条纹，说明幕上能观察到条纹，说明 和和 的光场这时的光场这时是相干的，或者说这时光场具有空间相干性。是相干的，或者说这时光场具有空间相干性。综上所述，光场的空间相干性是描述光场中综上所述，光场的空间相干性是描述光场中在光的传播路径上空间横向两点在同一时刻在光的传播路径上空间横向两点在同一时刻光振动的关联程度，所以又称横向相干性。光振动的关联程度，所以又称横向相干性。显然，光的空间相干性与光源的线度有关。显然，光的空间相干性与光源的线度有关。