產(chǎn)生干涉的條件ppt課件

1、第第3章章 光的干涉光的干涉 (Interference)光的干涉、衍射和偏振特性是光的波動性的主要特光的干涉、衍射和偏振特性是光的波動性的主要特征，它們是許多光學(xué)儀器和測量技術(shù)的基礎(chǔ)。本章征，它們是許多光學(xué)儀器和測量技術(shù)的基礎(chǔ)。本章研究光的干涉特性。研究光的干涉特性。3.1.1 產(chǎn)生干涉的基本條件產(chǎn)生干涉的基本條件 (The basic conditions for interference )白光下的肥皂膜白光下的肥皂膜白光下的油膜白光下的油膜光的干涉是指兩束或多束光在空間相遇時，在重疊光的干涉是指兩束或多束光在空間相遇時，在重疊區(qū)內(nèi)形成穩(wěn)定的強弱強度分布的現(xiàn)象。區(qū)內(nèi)形成穩(wěn)定的強弱強度分布

2、的現(xiàn)象。白光入射的楊氏雙縫干涉照片紅光入射的楊氏雙縫干涉照片1101101( , )cos() (1)E r tEtkr2202202( , )cos() (2)E r tEtkr 例如，下圖所示的兩列單色線偏振光例如，下圖所示的兩列單色線偏振光1. 兩束光的干涉現(xiàn)象兩束光的干涉現(xiàn)象E1 與 E2 振動方向間的夾角為 ， P 點處的總光強為121 21212 2 cos cos =+2 (3)IIII IIIII1、I2 是二光束的光強； 是二光束的相位差，且有21010212121 2coscoskrkrtII I 1. 兩束光的干涉現(xiàn)象兩束光的干涉現(xiàn)象二光束疊加后的總強度并不等于這兩列波的

3、強度二光束疊加后的總強度并不等于這兩列波的強度和，而是多了一項交叉項和，而是多了一項交叉項 I12，它反映了這兩束光，它反映了這兩束光的干涉效應(yīng)，通常稱為干涉項。的干涉效應(yīng)，通常稱為干涉項。干涉現(xiàn)象就是指這兩束光在重疊區(qū)內(nèi)形成的穩(wěn)定干涉現(xiàn)象就是指這兩束光在重疊區(qū)內(nèi)形成的穩(wěn)定的光強分布。所謂穩(wěn)定，是指用肉眼或記錄儀器的光強分布。所謂穩(wěn)定，是指用肉眼或記錄儀器能觀察到或記錄到條紋分布。能觀察到或記錄到條紋分布。1. 兩束光的干涉現(xiàn)象兩束光的干涉現(xiàn)象顯然，如果干涉項顯然，如果干涉項 I12 遠小于兩光束光強中較小遠小于兩光束光強中較小的一個，就不易觀察到干涉現(xiàn)象；的一個，就不易觀察到干涉現(xiàn)象；1.

4、兩束光的干涉現(xiàn)象兩束光的干涉現(xiàn)象121 21212 2 cos cos+2 (3) IIII IIII如果兩束光的相位差隨時間變化，使光強度條紋如果兩束光的相位差隨時間變化，使光強度條紋圖樣產(chǎn)生移動。圖樣產(chǎn)生移動。在能觀察到穩(wěn)定的光強分布的情況下，滿足在能觀察到穩(wěn)定的光強分布的情況下，滿足2 0 1 2 mm， ，滿足滿足的空間位置為光強極大值，且光強極大值的空間位置為光強極大值，且光強極大值 IM 為為121 2 2 cos (4)IIII I21 0 1 2 mm（），1. 兩束光的干涉現(xiàn)象兩束光的干涉現(xiàn)象當(dāng)兩束光強相等，當(dāng)兩束光強相等， ，相應(yīng)的極大值和極，相應(yīng)的極大值和極小值分別為小值

5、分別為120IIIM0m02 (1cos ) (6)2 (1 cos ) (7)IIII121 2 2 cos (5)IIII I1. 兩束光的干涉現(xiàn)象兩束光的干涉現(xiàn)象的空間位置為光強極小值，且光強極小值的空間位置為光強極小值，且光強極小值 Im 為為121 2 2 cos IIII I2 0 1 2 mm， ，21 0 1 2 mm（），光強極大值的條件是光強極大值是光強極大值是121 2 2 cos IIII I光強極小值的條件是光強極小值是光強極小值是1. 兩束光的干涉現(xiàn)象兩束光的干涉現(xiàn)象2. 產(chǎn)生干涉的條件產(chǎn)生干涉的條件1干涉條紋可見度對比度）干涉條紋可見度對比度）首先引入一個表征干涉

6、效應(yīng)程度的參量首先引入一個表征干涉效應(yīng)程度的參量干涉條紋干涉條紋可見度，由此深入分析產(chǎn)生干涉的條件?？梢姸?，由此深入分析產(chǎn)生干涉的條件。MmMm 8IIVII（ ）MmMm (154)IIpII2. 產(chǎn)生干涉的條件產(chǎn)生干涉的條件MmMm (8)IIVII1干涉條紋可見度對比度）干涉條紋可見度對比度）當(dāng)干涉光強的極小值 Im= 0 時，V = l，二光束 完全 相干，條紋最清晰；當(dāng) IM= Im 時，V = 0，二光束完全不相干，無 干涉條紋；當(dāng) IM Im 0 時，0 V 1，二光束部分相 干，條紋清晰度介于上面兩種情況之間。2產(chǎn)生干涉的條件產(chǎn)生干涉的條件影響光強條紋穩(wěn)定分布的主要因意是，二光

7、束頻率影響光強條紋穩(wěn)定分布的主要因意是，二光束頻率以及二光束振動方向夾角和二光束的相位差。以及二光束振動方向夾角和二光束的相位差。121 21212 2 cos cos+2 (3) IIII IIII21010212121 2coscoskrkrtII I 2產(chǎn)生干涉的條件產(chǎn)生干涉的條件(1)對干涉光束的頻率要求當(dāng)二光束頻率相等， = 0 時，干涉光強不隨時間變化，可以得到穩(wěn)定的干涉條紋分布。當(dāng)二光束的頻率不相等， 0 時，干涉條紋將隨著時間產(chǎn)生移動，且 愈大，條紋移動速度愈快。要求二干涉光束的頻率盡量相等。（2 2對二干涉光束振動方向的要求對二干涉光束振動方向的要求由由6）、（）、（7式可見

8、，若二光束光強相等，那么式可見，若二光束光強相等，那么cos 9V（ ）M0m02 (1cos ) (6)2 (1 cos ) (7)IIIIMmMm (8)IIVII（2 2對二干涉光束振動方向的要求對二干涉光束振動方向的要求假設(shè)假設(shè) = 0，二光束的振動方向相同時，二光束的振動方向相同時，V = l，干，干預(yù)預(yù) 條紋最清晰；條紋最清晰；假設(shè)假設(shè) = / 2，二光束正交振動時，二光束正交振動時，V = 0，不發(fā)，不發(fā)生干生干 涉；涉；當(dāng)當(dāng)0 / 2時，時，0 V 1，干涉條紋清晰度介，干涉條紋清晰度介于于 上面兩種情況之間。上面兩種情況之間。 要求二光束的振動方向相同。要求二光束的振動方向相

9、同。cos 9V（ ）(3) 對二干涉光束相位差的要求對二干涉光束相位差的要求為了獲得穩(wěn)定的干涉圖形，二干涉光束的相位差必須為了獲得穩(wěn)定的干涉圖形，二干涉光束的相位差必須固定不變，即要求二等頻單色光波的初相位差恒定。固定不變，即要求二等頻單色光波的初相位差恒定。121 21212 2 cos cos+2 (3) IIII IIII21010212121 2coscoskrkrtII I 可見，要獲得穩(wěn)定的干涉條紋，那么：可見，要獲得穩(wěn)定的干涉條紋，那么：（1兩束光波的頻率應(yīng)當(dāng)相同；兩束光波的頻率應(yīng)當(dāng)相同；（2兩束光波在相遇處的振動方向應(yīng)當(dāng)相同；兩束光波在相遇處的振動方向應(yīng)當(dāng)相同；（3兩束光波在

10、相遇處應(yīng)有固定不變的相位差。兩束光波在相遇處應(yīng)有固定不變的相位差。 這三個條件就是兩束光波發(fā)生干涉的必要條件，通這三個條件就是兩束光波發(fā)生干涉的必要條件，通 常稱為相干條件。常稱為相干條件。2產(chǎn)生干涉的條件產(chǎn)生干涉的條件3. 實現(xiàn)光束干涉的基本方法實現(xiàn)光束干涉的基本方法通常稱滿足相干條件的光波為相干光波，相應(yīng)的光通常稱滿足相干條件的光波為相干光波，相應(yīng)的光源叫相干光源。源叫相干光源。（1兩束光波的頻率應(yīng)當(dāng)相同；兩束光波的頻率應(yīng)當(dāng)相同；（2兩束光波在相遇處的振動方向應(yīng)當(dāng)相同；兩束光波在相遇處的振動方向應(yīng)當(dāng)相同；（3兩束光波在相遇處應(yīng)有固定不變的相位差。兩束光波在相遇處應(yīng)有固定不變的相位差。 一個

11、光源包含有許許多多個發(fā)光的原子、分子或電一個光源包含有許許多多個發(fā)光的原子、分子或電子，每個原子、分子都是一個發(fā)光中心，我們看到的子，每個原子、分子都是一個發(fā)光中心，我們看到的每一束光都是從大量原子每一束光都是從大量原子(發(fā)光中心發(fā)光中心)發(fā)射和匯集出來發(fā)射和匯集出來的。的。但是每個單個原子的發(fā)光都不是無休止的，每次發(fā)但是每個單個原子的發(fā)光都不是無休止的，每次發(fā)光動作只能持續(xù)一定的時間，這個時間很短光動作只能持續(xù)一定的時間，這個時間很短(小于小于10-8s)，因而每次原子發(fā)光只能產(chǎn)生有限的一段波列。，因而每次原子發(fā)光只能產(chǎn)生有限的一段波列。1)原子發(fā)光的特點1原子發(fā)光的特點原子發(fā)光的特點波列波

12、列能級躍遷輻射能級躍遷輻射E1E2 v=(E2-E1)/ h 波列長波列長L L = =c c由光的輻射理論知道，普通光源的發(fā)光方式主要由光的輻射理論知道，普通光源的發(fā)光方式主要是自發(fā)輻射，即各原子都是一個獨立的發(fā)光中心，是自發(fā)輻射，即各原子都是一個獨立的發(fā)光中心，其發(fā)光動作雜亂無章，彼此無關(guān)。其發(fā)光動作雜亂無章，彼此無關(guān)。1)原子發(fā)光的特點不同原子產(chǎn)生的各個波列之間、同一個原子先后產(chǎn)不同原子產(chǎn)生的各個波列之間、同一個原子先后產(chǎn)生的各個波列之間，都沒有固定的相位關(guān)系生的各個波列之間，都沒有固定的相位關(guān)系,這樣的這樣的光波疊加，當(dāng)然不會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。光波疊加，當(dāng)然不會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。不相干不相干(

13、 (不同原子發(fā)的不同原子發(fā)的光光) )不相干不相干( (同一原子先后發(fā)的同一原子先后發(fā)的光光) )1)原子發(fā)光的特點在一有限的觀察時間在一有限的觀察時間 內(nèi)，二光束疊加的強度是內(nèi)，二光束疊加的強度是時間時間 內(nèi)的平均，即為內(nèi)的平均，即為121 20121 201I2 cos cos )d1 =2 coscos d III IIII I （如果在如果在 內(nèi)各時刻到達的波列相位差內(nèi)各時刻到達的波列相位差 無規(guī)則地?zé)o規(guī)則地變化，變化， 將在將在 內(nèi)多次內(nèi)多次(可能在可能在108次以上次以上)經(jīng)歷經(jīng)歷 0 與與 2 之間的一切數(shù)值。之間的一切數(shù)值。1原子發(fā)光的特點原子發(fā)光的特點01cos d0 因而因

14、而12III即二光束疊加的平均光強，恒等于二光波的光強之即二光束疊加的平均光強，恒等于二光波的光強之和，不發(fā)生干涉。和，不發(fā)生干涉。上式的積分為上式的積分為1原子發(fā)光的特點原子發(fā)光的特點不僅從兩個普通光源發(fā)出的光不會產(chǎn)生干涉不僅從兩個普通光源發(fā)出的光不會產(chǎn)生干涉, 就是從就是從同一個光源的兩個不同部分發(fā)出的光也是不相干的。同一個光源的兩個不同部分發(fā)出的光也是不相干的。 60年代出現(xiàn)的一種新型光源激光器所產(chǎn)生的激光有很好的相干性，它是一種相干光源。產(chǎn)生激光的必要條件產(chǎn)生激光的必要條件:. 激勵能源使原子激發(fā)）激勵能源使原子激發(fā)）;. 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)有合適的亞穩(wěn)態(tài)能級）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)有合適的亞穩(wěn)態(tài)能級）;.光學(xué)諧振腔方向性，光放大，單色性）。光學(xué)諧振腔方向性，光放大，單色性）。 2獲得相干光的方法獲得相干光的方法分波面法：將一個波列的波面分成兩部分或幾部分分波面法：將一個波列的波面分成兩部分或幾部分,由這每一部分發(fā)出的波再相遇時，必然是相干的，由這每一部分發(fā)出的波再相遇時，必然是相干的，下面討論的楊