物理光学PPT课件04第三章干涉与干涉仪.ppt
《物理光学PPT课件04第三章干涉与干涉仪.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《物理光学PPT课件04第三章干涉与干涉仪.ppt(48页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、第三章第三章光的干涉和干涉仪光的干涉和干涉仪干涉现象是波动的基本特征之一。干涉现象是波动的基本特征之一。本章主要从光的干涉现象来说明光的波动性质,讲述本章主要从光的干涉现象来说明光的波动性质,讲述光的干涉规律、典型的干涉装置及其应用、并讨论光光的干涉规律、典型的干涉装置及其应用、并讨论光的相干性。的相干性。在两束在两束(或多束或多束)光在相遇的区域内光在相遇的区域内,各点的光强可能不同于各各点的光强可能不同于各光波单独作用所产生的光强之和光波单独作用所产生的光强之和,形成形成稳定稳定的明暗交替或彩色的明暗交替或彩色条纹的现象条纹的现象,称为称为光的干涉现象光的干涉现象。强度分布是否强度分布是否
2、稳定稳定是区别是区别相干相干和不相干的主要标志。和不相干的主要标志。本章研究本章研究两光束干涉两光束干涉,下一章研究,下一章研究多光束干涉多光束干涉。实际光波不是理想单色光波,因而要使实际光波发生干涉,必实际光波不是理想单色光波,因而要使实际光波发生干涉,必须利用一定的装置须利用一定的装置,让光波满足某些条件(干涉条件)。让光波满足某些条件(干涉条件)。使光波满足干涉条件的途径有多种,因此,相应地有多种干使光波满足干涉条件的途径有多种,因此,相应地有多种干涉装置(干涉仪)。涉装置(干涉仪)。从获得满足干涉条件的方法上分,干涉仪分为两类:从获得满足干涉条件的方法上分,干涉仪分为两类:1.分波前分
3、波前干涉仪;干涉仪;2.分振幅分振幅干涉仪。干涉仪。通过后面的学习可看到:前者只容许使用足够小的光源,而后通过后面的学习可看到:前者只容许使用足够小的光源,而后者可把光源尺寸拓展,因而可以获得强度较大的干涉效应。者可把光源尺寸拓展,因而可以获得强度较大的干涉效应。历史上最早使用实验方法研究光的干涉现象的是历史上最早使用实验方法研究光的干涉现象的是ThomasYoung,在在1802年。其后菲涅耳等人用波动理论很好地说明了年。其后菲涅耳等人用波动理论很好地说明了干涉现象的各种细节,至干涉现象的各种细节,至20世纪初干涉理论可谓已相当完善,世纪初干涉理论可谓已相当完善,本世纪三十年代,范西特和泽尼
4、克发展了部分相干理论,使干本世纪三十年代,范西特和泽尼克发展了部分相干理论,使干涉理论进一步臻于完善。涉理论进一步臻于完善。光的干涉和干涉仪在科学技术的许多部门中都有非常广泛的应光的干涉和干涉仪在科学技术的许多部门中都有非常广泛的应用。它也是本课程重点内容之一。用。它也是本课程重点内容之一。干涉的三个要素:干涉的三个要素:一般说来光源、干涉装置(能产生两束或多束光波并形成干一般说来光源、干涉装置(能产生两束或多束光波并形成干涉现象的装置)和干涉图形构成干涉问题的三个要素。涉现象的装置)和干涉图形构成干涉问题的三个要素。研究光的干涉就是研究这三个要素之间的关系,以达到可以由其研究光的干涉就是研究
5、这三个要素之间的关系,以达到可以由其中两者求出第三者的目的。中两者求出第三者的目的。“光源光源”的性质的性质由位置、大小、亮度分布和光谱组成等因素决定;由位置、大小、亮度分布和光谱组成等因素决定;“干涉装置干涉装置”的性质的性质主要体现它对各个光束引入的位相延迟;主要体现它对各个光束引入的位相延迟;“干涉图形干涉图形”由由干涉场强度干涉场强度分布描述,包括干涉条纹的形状、分布描述,包括干涉条纹的形状、间距、反衬度和颜色等。通常它可以被直接测量。间距、反衬度和颜色等。通常它可以被直接测量。我们已经知道在光和物质相互作用的过程中起主要作用的是电我们已经知道在光和物质相互作用的过程中起主要作用的是电
6、场。因此,干涉场的强度可由电场的能量密度来表征,但是,场。因此,干涉场的强度可由电场的能量密度来表征,但是,光波频率极高,电场能量密度变化太快,任何探测器都只能测光波频率极高,电场能量密度变化太快,任何探测器都只能测量它的平均值:量它的平均值:在多数场合,我们往往只关心干涉场的相对分布,为此,定义在多数场合,我们往往只关心干涉场的相对分布,为此,定义干涉场强度干涉场强度:若干涉场由两束光波形成,它们在某点的瞬时电场强度分别为若干涉场由两束光波形成,它们在某点的瞬时电场强度分别为E1和和E2。则在叠加原理适用的范围内:有。则在叠加原理适用的范围内:有则:则:于是,有于是,有此式表明当此式表明当2
7、不为零时,便会出现干涉,故称此项不为零时,便会出现干涉,故称此项为为干涉项干涉项。3.1实际光波的干涉及实现方法实际光波的干涉及实现方法相干条件相干条件考虑两单色、线偏振光相遇时产生干涉的条件:考虑两单色、线偏振光相遇时产生干涉的条件:设两列波的波函数分别为:设两列波的波函数分别为:由由干涉的定义干涉的定义,只有在干涉项不为零时,才有干涉发生。,只有在干涉项不为零时,才有干涉发生。下面具体分析一下下面具体分析一下干涉发生条件干涉发生条件(干涉项不为零)。(干涉项不为零)。干涉项干涉项:第一个时间平均值恒为零。因为其中的圆频率极高。接收器第一个时间平均值恒为零。因为其中的圆频率极高。接收器响应时
8、间远大于响应时间远大于2/(1+2)。故为零。故为零。第二个时间平均值,仅当接收器响应时间第二个时间平均值,仅当接收器响应时间2/(2-1)时,才不为零。时,才不为零。一般,一般,1和和 2均为均为10-15s-1量级,而量级,而 一般大于一般大于10-9s。故。故当当 1和和 2仅仅相差百万分之一时便能使平均值为零。仅仅相差百万分之一时便能使平均值为零。既使当既使当 1和和 2之差在之差在10-9s-1之内时,可以探测到干涉项之内时,可以探测到干涉项的拍频效应,但是,作为干涉现象而言,干涉场的强度分布也的拍频效应,但是,作为干涉现象而言,干涉场的强度分布也是不稳定的。是不稳定的。这样,为了得
9、到稳定的干涉现象,首先需要满足的条件是:这样,为了得到稳定的干涉现象,首先需要满足的条件是:1=2(1)另:为了使干涉项不为零,其系统E10E20应不等于零。E10E20 0 (2)对于严格的单色波而言,上述两个条件是足以保证产生干涉现象。对于严格的单色波而言,上述两个条件是足以保证产生干涉现象。然而,在光学波段内不存在严格的单色波,普通光源的每个发光然而,在光学波段内不存在严格的单色波,普通光源的每个发光原子都是间断地发光的,每次发光的持续时间为原子都是间断地发光的,每次发光的持续时间为108s量级。量级。各个原子或每个原子各次发射光波在位相上是互不相关连的。各个原子或每个原子各次发射光波在
10、位相上是互不相关连的。即式中的即式中的 10和和 20都不是常量,而是在都不是常量,而是在0,2区间内等概率区间内等概率地无规则跳跃,跳跃频率也是高达地无规则跳跃,跳跃频率也是高达108Hz的随机量。的随机量。这样,只要这样,只要 10和和 20各自独立地变化,则干涉项中的第二项各自独立地变化,则干涉项中的第二项的平值将至少是不稳定的。的平值将至少是不稳定的。则,得到稳定干涉场的唯一可能是:则,得到稳定干涉场的唯一可能是:位相差恒定。(位相差恒定。(3)即:对于普通光源,仅当两个光束来自光源上的同一个地点时,即:对于普通光源,仅当两个光束来自光源上的同一个地点时,才能发生干涉。才能发生干涉。总
11、之,(总之,(1)、()、(2)、()、(3)式共同构成了产生干涉的条件,满足)式共同构成了产生干涉的条件,满足这些条件的两束或多束光波称为这些条件的两束或多束光波称为“相干光波相干光波”。相应的光源称为相。相应的光源称为相干光源。干光源。两束光的频率相等。两束光的频率相等。两束光的偏振方向不能垂直。两束光的偏振方向不能垂直。位相差恒定。位相差恒定。光波分离方法光波分离方法由上分析可知:由上分析可知:为了获得两相干光波,只能利用同一个光源或者确切地说利为了获得两相干光波,只能利用同一个光源或者确切地说利用同一个发光原子(一般称发光点)发出的光波,并通过具用同一个发光原子(一般称发光点)发出的光
12、波,并通过具体的干涉装置使之分成两个光波。体的干涉装置使之分成两个光波。将一个光波分离成两个相干光波,一般有两种方法。将一个光波分离成两个相干光波,一般有两种方法。一种方法是让光波通过并排的两个小孔或利用反射和折射方一种方法是让光波通过并排的两个小孔或利用反射和折射方法把光波的波前分割出两个部分,此为法把光波的波前分割出两个部分,此为分波前法分波前法,相应的装,相应的装置为分波前干涉仪;置为分波前干涉仪;另一种方法是利用两个部分反射的表面通过振幅分割产生另一种方法是利用两个部分反射的表面通过振幅分割产生两个反射光或两透射光波,此为两个反射光或两透射光波,此为分振幅法分振幅法,相应的装置为,相应
13、的装置为分振幅干涉仪。分振幅干涉仪。必须指出:在具体的干涉装置中,为了产生干涉现象,光是利必须指出:在具体的干涉装置中,为了产生干涉现象,光是利用同一原子辐射的光波分离为两个光波,条件还不够充分,还用同一原子辐射的光波分离为两个光波,条件还不够充分,还必须使两叠加光波的光程差不要太大。必须使两叠加光波的光程差不要太大。v因为原子辐射的光波是一段段有限长的波列,进入干涉装置因为原子辐射的光波是一段段有限长的波列,进入干涉装置的每个波列也都分成同样长的两个波列,当光程差太大(光的每个波列也都分成同样长的两个波列,当光程差太大(光程差大于波列长度)时,这两个波列就不能相遇。程差大于波列长度)时,这两
14、个波列就不能相遇。v这时相遇的是对应于原子前一时刻发出的波列和后一时刻发这时相遇的是对应于原子前一时刻发出的波列和后一时刻发出的另一波列,不同时刻相遇波列的位相已无固定关系,因出的另一波列,不同时刻相遇波列的位相已无固定关系,因此不能发生干涉。此不能发生干涉。v由此:为了使干涉现象发生,必须利用原子发出的同波列,由此:为了使干涉现象发生,必须利用原子发出的同波列,即必须使光程差小于光波的波列长度。即必须使光程差小于光波的波列长度。v综上所述:综上所述:v产生光波需要三个基本条件:产生光波需要三个基本条件:v即:即:v 1=2(1)vvE10E20 0(2)vv 10(t)20(t)常数)常数(
15、3)v一个补充条件,光程差小于波列长度。一个补充条件,光程差小于波列长度。v此外,还有一些其它条件,如,对光源大小的限制等。我此外,还有一些其它条件,如,对光源大小的限制等。我们将在后面讨论。们将在后面讨论。3.2杨氏干涉实验杨氏干涉实验sAs1s2Ds是一个受光源照明的小孔,从是一个受光源照明的小孔,从s发散出的光波射发散出的光波射在光屏在光屏A的两小孔的两小孔s1和和s2上,上,s1和和s2相距很近,相距很近,且到且到s等距,从等距,从s1和和s2分别发射出的光波是由同一分别发射出的光波是由同一光波分出来的,所以是相干光波,它们在距离光光波分出来的,所以是相干光波,它们在距离光屏为屏为D的
16、屏幕的屏幕上叠加上叠加,形成干涉图样。形成干涉图样。干涉图样的计算干涉图样的计算先推导一下双光束干涉的基本公式。先推导一下双光束干涉的基本公式。设两列波的波函数分别为:设两列波的波函数分别为:则干涉场强度:则干涉场强度:其中:其中:是两光波在干涉点的位相差。是两光波在干涉点的位相差。是两光波单独存在时在干涉点的强度。是两光波单独存在时在干涉点的强度。杨氏实验中,考虑到杨氏实验中,考虑到D比较大,可以认为两小孔比较大,可以认为两小孔发出的光波在发出的光波在P点单独产生的强度点单独产生的强度I I1 1=I=I2 2=I=I0 0.若若S1、S2处光振动同位相,那么处光振动同位相,那么P点处的位相
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 物理光学 PPT 课件 04 第三 干涉 干涉仪
限制150内