目录

概述

现象简介

双缝干涉

干涉分类

产生相干光波

光的干涉
中文名
光的干涉
外文名
Interference of Light
现 象
在区域削弱,形成稳定强弱分布
光的干涉现象是波动独有的特征,如果光真的是一种波,就必然会观察到光的干涉现象。1801年,英国物理学家托马斯·杨(1773—1829)在实验室里成功地观察到了光的干涉。
两列或几列光波在空间相遇时相互叠加,在某些区域始终加强,在另一些区域则始终削弱,形成稳定的强弱分布的现象,证实了光具有波动性。
产生条件
只有两列光波的频率相同,相位差恒定,振动方向一致的相干光源,才能产生光的干涉。由两个普通独立光源发出的光,不可能具有相同的频率,更不可能存在固定的相差,因此,不能产生干涉现象。
干涉条纹
在各种干涉条纹中,等倾干涉条纹和等厚干涉条纹是比较典型的两种。以上假定光源发出的是单色光(或者用滤光片从光源所发的许多波长的光中取出某一单色光)。当光源发出的许多波长的光皆发生干涉时,会形成彩色干涉条纹(见白光条纹)。
白光双缝干涉图像
若干个光波(成员波)相遇时产生的光强分布不等于由各个成员波单独造成的光强分布之和,而出现明暗相间的现象。例如在杨氏双孔干涉(见杨氏干涉实验)中,由每一小孔H1或H2出来的子波就是一个成员波,当孔甚小时,由孔H1出来的成员波单独造成的光强分布 I1(x)在相当大的范围内大致是均匀的;单由从孔H2出来的成员波造成的光强分布I2(x)亦如此。二者之和仍为大致均匀的分布。而由两个成员波共同造成的光强分布I(x),则明暗随位置x的变化十分显著,显然不等于I1(x)+l2(x)。
每个成员波单独造成大致均匀的光强分布,这相当于要求各成员波本身皆没有明显的衍射,因为衍射也会造成明暗相间的条纹(见光的衍射)。所以,当若干成员波在空间某一区域相遇而发生干涉时,应该是指在该区域中可以不考虑每个成员波的衍射。
应注意,前面所说的光强并不是光场强度(正比于振幅平方)的瞬时值,而是在某一段时间间隔Δt内光场强度的平均值或积分值;Δt的长短视检测手段或装置的性能而定。例如,人眼观察时,Δt就是视觉暂留时间;用胶片拍摄时,Δt则为曝光时间。
干涉现象通常表现为光场强度在空间作相当稳定的明暗相间条纹分布;有时则表现为,当干涉装置的某一参量随时间改变时,在某一固定点处接收到的光强按一定规律作强弱交替的变化。
光的干涉现象的发现,在历史上对于由光的微粒说到光的波动说的演进起了不可磨灭的作用。1801年,T.杨提出了干涉原理并首先做出了双狭缝干涉实验,同时还对薄膜形成的彩色作了解释。1811年,D.F.J.阿喇戈首先研究了偏振光的干涉现象。现代,光的干涉已经广泛地用于精密计量、天文观测、光弹性应力分析、光学精密加工中的自动控制等许多领域。
双缝干涉,是指平行的单色光投射到一个有两条狭缝的挡板上,狭缝相距很近,平行光的光波会同时传到狭缝,它们就成了两个振动情况总是相同的波源称为相干波源,它们发出的光在档板后面的空间相互叠加,就发生了干涉现象。
平行的单色光投射到一个有两条狭缝的挡板上,狭缝相距很近,平行光的光波会同时传到狭缝,它们就成了两个振动情况总是相同的波源称为相干波源,它们发出的光在档板后面的空间相互叠加,就发生了干涉现象。
白光双缝干涉图像
补充概念
当单色光经过双缝后,在屏上产生了明暗相间的干涉条纹。当屏上某处与两个狭缝的路程差是半波长的偶数倍时,形成亮条纹。当屏上某处与两个狭缝的路程差是 半个波长的奇数倍时,出现暗条纹。
$$干涉条纹宽度x=\frac{L(屏到狭缝水平距离)*波长}{d(双缝间距)}$$
叠加干涉 (亮纹) : $\Delta l=m^*$ 波长 ( $\mathrm{m}$ 为整数) 相消干涉 (暗纹) : $\Delta l=\left(m+\frac{1}{2}\right) \cdot$ 波长 ( $\mathrm{m}$ 为整数)
发生干涉的条件
相干光源:频率相同,振动方向平行,相位相同或相位差恒定的两列波
发生干涉图样特点
(1)若用单色光作光源, 中央为亮条纹, 两边是明 暗相间的条纹, 亮条纹与亮条纹间、暗条纹与暗 条纹间的距离相等。 (2)不同颜色的光波长不同,则干涉条纹间距不 同,波长越长,条纹间距越大。 (3)若用白光作光源,干涉条纹是彩色条纹(同 一级条纹内紫外红), 且中央亮条纹是白色的。 (4)干涉是波特有的现象, 所以杨氏双缝干涉实验 有力地证明了光是一种波。
双光波干涉
即两个成员波的干涉。杨氏双孔和双缝干涉、菲涅耳双镜干涉及牛顿环等属于此类。双光波干涉形成的明暗条纹都不是细锐的,而是光强分布作正弦式的变化,这就是双光波干涉的特征。多光波干涉则可形成细锐的条纹。
多光波干涉
即多于两个成员波的干涉。陆末-格尔克片干涉属于此类。图1中A为平行平板玻璃,一端开有倾斜的入射窗BC。从S发出的源波经BC进入玻璃片后在其上、下表面间多次反射。每次在上表面反射时,皆同时有一波折射入空气中。所有各次折射入空气中的波就是从同一源波按分振幅方式造成的一组成员波。在透镜L 的焦平面Π上观测干涉条纹。相邻两波在P点的位相差为式中λ 为光波在真空中的波长,n为玻璃的折射率,t为玻璃片厚度,β 为玻璃片内的光程辅助线与表面法线的夹角。在接收面光强分布的条纹十分细锐,这是多光波干涉的特征。
偏振光的干涉
在以上所举的干涉中,各成员波在考察点处可认为偏振方向大体一致。当参与干涉的两个成员波的偏振面夹有一定角(例如 90°)时,如何产生干涉见偏振光的干涉。
综述
由一般光源获得一组相干光波的办法是,借助于一定的光学装置(干涉装置)将一个光源发出的光波(源波)分为若干个波。由于这些波来自同一源波,所以,当源波的初位相改变时,各成员波的初位相都随之作相同的改变,从而它们之间的位相差保持不变。同时,各成员波的偏振方向亦与源波一致,因而在考察点它们的偏振方向也大体相同。一般的干涉装置又可使各成员波的振幅不太悬殊。于是,当光源发出单一频率的光时,上述四个条件皆能满足,从而出现干涉现象。当光源发出许多频率成分时,每一单频成分(对应于一定的颜色)会产生相应的一组条纹,这些条纹交叠起来就呈现彩色条纹。
这里补充一下托马斯·杨当年获取相干光的方法:利用在双孔之前加一小孔S,根据惠更斯原理,经小孔S衍射的光成为一球面波,从而获得相干光。一般采用相干性很好的激光来进行实验,不需要小孔S,直接将激光照射在双孔上即可获得干涉图样。
分波阵面法
将点光源的波阵面分割为两部分,使之分别通过两个光具组,经反射、折射或衍射后交迭起来,在一定区域形成干涉。由于波阵面上任一部分都可看作新光源,而且同一波阵面的各个部分有相同的位相,所以这些被分离出来的部分波阵面可作为初相位相同的光源,不论点光源的位相改变得如何快,这些光源的初相位差却是恒定的。杨氏双缝、菲涅耳双面镜和洛埃镜等都是这类分波阵面干涉装置。
分振幅法
当一束光投射到两种透明媒质的分界面上,光能一部分反射,另一部分折射。这方法叫做分振幅法。最简单的分振幅干涉装置是薄膜,它是利用透明薄膜的上下表面对入射光的依次反射,由这些反射光波在空间相遇而形成的干涉现象。由于薄膜的上下表面的反射光来自同一入射光的两部分,只是经历不同的路径而有恒定的相位差,因此它们是相干光。另一种重要的分振幅干涉装置,是迈克耳孙干涉仪。
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