1、第3章 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。,3.1.1 產(chǎn)生干涉的基本條件 (The basic conditions for interference ),白光下的肥皂膜,白光下的油膜,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。,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,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,E1 與 E2 振動方向間的夾角為 ， P 點處的總光強為,I1、I2 是二光束的光強； 是二光束的相位差

2、，且有,1. 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強度和，而是多了一項交叉項 I12，它反映了這兩束光的干涉效應(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。,1. 兩束光的干涉現(xiàn)象,顯然，如果干涉項 I12 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；,1. 兩束光的干涉現(xiàn)象,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。,在能觀察到穩(wěn)定的光強分布的情況下，滿足,滿足,的空間位置為光強極大值，且光強極大值 IM 為,1. 兩束光的干涉現(xiàn)象,當兩束光強相等， ，相應(yīng)的極大值

3、和極小值分別為,1. 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 Im 為,光強極大值的條件是,光強極大值是,光強極小值的條件是,光強極小值是,1. 兩束光的干涉現(xiàn)象,2. 產(chǎn)生干涉的條件,1）干涉條紋可見度（對比度）,首先引入一個表征干涉效應(yīng)程度的參量干涉條紋可見度，由此深入分析產(chǎn)生干涉的條件。,2. 產(chǎn)生干涉的條件,1）干涉條紋可見度（對比度）,當干涉光強的極小值 Im= 0 時，V = l，二光束 完全 相干，條紋最清晰； 當 IM= Im 時，V = 0，二光束完全不相干，無 干涉條紋； 當 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。

4、,2）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，二光束頻率以及二光束振動方向夾角和二光束的相位差。,2）產(chǎn)生干涉的條件,(1)對干涉光束的頻率要求,當二光束頻率相等， = 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）對二干涉光束振動方向的要求,由（6）、（7）式可見，若二光束光強相等，則,（2）對二干涉光束振動方向的要求,若 = 0，二光束的振動方向相同時，V = l，干涉 條紋最清晰； 若 = / 2，二光束正交振動時，V = 0，不發(fā)生干

5、涉； 當0 / 2時，0 V 1，干涉條紋清晰度介于 上面兩種情況之間。 要求二光束的振動方向相同。,(3) 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固定不變，即要求二等頻單色光波的初相位差恒定。,可見，要獲得穩(wěn)定的干涉條紋，則： （1）兩束光波的頻率應(yīng)當相同； （2）兩束光波在相遇處的振動方向應(yīng)當相同； （3）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 常稱為相干條件。,2）產(chǎn)生干涉的條件,3. 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)的光源叫相干光源。,（1）兩束光波的頻率應(yīng)當相同； （2）兩

6、束光波在相遇處的振動方向應(yīng)當相同； （3）兩束光波在相遇處應(yīng)有固定不變的相位差。,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，我們看到的每一束光都是從大量原子(發(fā)光中心)發(fā)射和匯集出來的。 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(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。,1)原子發(fā)光的特點,1）原子發(fā)光的特點,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， 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)生的

7、各個波列之間，都沒有固定的相位關(guān)系,這樣的光波疊加，當然不會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。,1)原子發(fā)光的特點,在一有限的觀察時間 內(nèi)，二光束疊加的強度是時間 內(nèi)的平均，即為,如果在 內(nèi)各時刻到達的波列相位差 無規(guī)則地變化， 將在 內(nèi)多次(可能在108次以上)經(jīng)歷 0 與 2 之間的一切數(shù)值。,1）原子發(fā)光的特點,因此,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。,上式的積分為,1）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, 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。,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: . 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）; .光學(xué)諧振腔（方向性，光放大，單色性）。,2）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,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