第14章 光的干涉

第14章

光的干涉光源單色性光程相干光14.1雙縫干涉14.214.1光源單色性光程相干光14.1.1光源

所有溫度高于絕對零度的物體都具有能夠向外輻射能量的能力。

物體靠加熱保持一定溫度使內(nèi)能不變而持續(xù)輻射能量，稱為熱輻射。

也有一些物體是靠外部能量激發(fā)而產(chǎn)生輻射，如光致輻射（日光燈中Hg蒸汽發(fā)射紫外光使管壁上的熒光物質發(fā)出可見熒光）、化學輻射（磷在空氣中氧化發(fā)光）、電致輻射（氣體放電中的輝光放電現(xiàn)象）等。

這幾種輻

射都是以電磁波的形式向外發(fā)出能量的，人的肉眼可以感知其中波長為312～1

050nm的電磁波。

通常把波長在390～770nm的電磁波稱為可見光，而波長大于770nm的稱為紅外光，小于390nm的稱為紫外光，如圖14-1所示。一般情況下把能夠發(fā)射光波的物體統(tǒng)稱為光源。圖14-1電磁波與可見光的波長分布

大部分的光源發(fā)光的原理是由于原子或分子在吸收了外界能量后處于激發(fā)態(tài)，而激發(fā)態(tài)并不穩(wěn)定，原子或分子就會自發(fā)躍遷回到基態(tài)或較低的激發(fā)態(tài)。整個過程持續(xù)的時間大約為10-9～10-8s。同時原子或分子會向外輻射頻率一定、振動方向一定、長度一定的電磁波，如圖14-2所示。圖14-2波列14.1.2光源單色性

由于在確定的介質中光波傳播的速度是確定的，所以已知頻率和波長其中之一就可以確定另外一個。

通常稱具有單一波長的光波為單色光。

嚴格的單色光是不存在的，任何光源所發(fā)出的光波都對應一定的波長范圍。

在這樣一個范圍內(nèi)，不同波長所對應的強度也是不同的。

以光波波長為橫坐標，強度為縱坐標，就可以得到光譜分布曲線，如圖14-3所示。圖14-3光譜分布曲線14.1.3光程與光程差

光束在同一種介質中傳播的時候，利用傳播過程中兩點間的距離很容易就可以算出光束在該兩點處的相位差。比如，若在光束空氣中從A點傳播到B點，AB兩點間的距離為l，則光束在AB兩點處的相位差可以寫為圖14-4光程與光程差14.1.4光的相干現(xiàn)象圖14-6相干疊加及光強分布14.2雙縫干涉14.2.1楊氏雙縫干涉實驗

楊氏實驗采用分波振面法，其實驗裝置如圖14-7（a）所示。S、S1、S2分別為3個狹縫。當單色光源經(jīng)過狹縫S形成線光源，在與其距離很近的位置有狹縫S1和S2，且它們與S的距離相等。根據(jù)惠更斯原理，線光源S發(fā)射的光經(jīng)過兩狹縫后形成線光源S1和S2。

由于兩條線光源由同一光源S形成，所以滿足振動頻率相同、振動方向相同和相位差固定（為零）的相干條件，即線光源S1和S2為相干光源。

在兩狹縫前放一屏幕P，則屏幕上將出現(xiàn)明暗相間的干涉條紋，如圖14-7（b）所示。圖14-7楊氏雙縫干涉實驗14.2.2干涉條紋的分布圖14-8干涉條紋的分布14.3薄膜干涉14.3.1等傾干涉

所謂半波損失，就是當光從折射率較小的介質（光疏介質）射向折射率較大的介質（光密介質）并在界面上發(fā)生反射時，反射光相對于入射光有相位突變

，由于相位差

與光程差

相對應，相當于反射光多走了半個波長的光程，故這種現(xiàn)象叫做半波損失，多走的光程差稱為附加光程差。半波損失僅存在于當光從光疏介質射向光密介質時的反射光中，折射光沒有半波損失。

如圖14-9所示，一束平行光入射到厚度均勻為e的透明薄膜表面上，將有一部分光在上表面上發(fā)生反射，另一部分在下表面上發(fā)生反射并透射出上表面。

雖然光線在薄膜內(nèi)部會發(fā)生多次反射，但是由于其強度是逐漸減小的，所以，這里只考慮在下表面發(fā)生一次反射時的干涉情況。設光線在上表面上A點處發(fā)生反射形成光線1，光線由C點入射，在下表面B點反射形成光線2，兩束光線在A點處疊加。圖14-9等傾干涉圖14-10等傾干涉觀察裝置14.3.2等厚干涉

等傾干涉是在薄膜厚度均勻的前提下發(fā)生的干涉現(xiàn)象，下面討論薄膜厚度不均勻時的干涉現(xiàn)象。

如圖14-13所示，一束平行光入射到厚度不均勻的薄膜表面，A點入射的光在下表面C點反射，經(jīng)B點透射出來，形成光線1。照射在B點的光線經(jīng)反射形成光線2。圖14-13等厚干涉

首先介紹劈尖干涉實驗。如圖14-14（a）所示，兩塊平行玻璃板，一端相接觸，另一端夾一紙片。

此時，兩片玻璃間便形成楔形空氣薄膜，稱為空氣劈尖，接觸的交線稱為棱邊。

平行于棱邊的線上，各點空氣劈尖厚度是相等的。

入射光垂直入射于玻璃片時，將在

劈尖上下兩個表面上反射，形成相干光 1和相干光2，如圖14-14（b）所示。圖14-14劈尖等厚干涉

牛頓環(huán)實驗也是等厚干涉的典型實驗。如圖14-16（a）所示，將一平凸透鏡放在一個平面玻璃片上，將形成四周較厚、向中心逐漸變薄的空氣薄層。

當平行光垂直入射時，可以觀測到