光学(第三章--分波前干涉和空间相干性).ppt

1、光 学 20082008年年1010月月参考教材参考教材 赵凯华赵凯华 编著：新概念物理学编著：新概念物理学光学光学光光光光 学学学学 第三章第三章 干干 涉涉 l 空间相干性和时间相干性空间相干性和时间相干性 分波前干涉法分波前干涉法 分振幅干涉法分振幅干涉法 将点光源的波前分割为两个部分，使之分别通过两个光组，经折射、反射或衍射后再交迭起来。当满足一定条件时，在一定区域发生干涉。当一束光入射到两种介质分界面上时，光振幅将被分解为反射分量和折射分量，使之分别通过两个光组，经折射、反射或衍射后再交迭起来。当满足一定条件时，在一定区域发生干涉。由于光源各个点的发光是随机的，同时每一个点发的光波的

2、波列的长度是有限的，这样都会影响光的干涉。光场的空间相干性与扩展光源各个点的发光性质有关，时间性与某个光点发光性质有关。第四节第四节 分波前干涉与光的空间相干性分波前干涉与光的空间相干性光光光光 学学学学 第三章第三章 干干 涉涉1分波前干涉的光强分布和条纹的特征分波前干涉的光强分布和条纹的特征光强分布：光强分布：两个点光源干涉傍轴近似时位相差：两个点光源干涉傍轴近似时位相差：式中式中 d 为参与干涉的两个点光源间的距离，为参与干涉的两个点光源间的距离，D是参与干涉的两个点光源与观察是参与干涉的两个点光源与观察屏之间的距离，屏之间的距离，x是观察屏是观察屏P点的坐标点的坐标条纹间隔：条纹间隔：

3、问题：对于各种分波前干涉装置，问题：对于各种分波前干涉装置，d 和和 D各是什么？各是什么？第四节第四节 分波前干涉与光的空间相干性分波前干涉与光的空间相干性光光光光 学学学学 第三章第三章 干干 涉涉 2各种分波前干涉装置各种分波前干涉装置v 杨杨氏氏双孔干涉双孔干涉参数：双孔间隔参数：双孔间隔 d，双孔与观察屏的距离双孔与观察屏的距离 D 点光源与双孔距离点光源与双孔距离 R第四节第四节 分波前干涉与光的空间相干性分波前干涉与光的空间相干性位相差位相差光程差光程差光光光光 学学学学 第三章第三章 干干 涉涉v 菲涅耳双棱镜干涉菲涅耳双棱镜干涉2各种分波前干涉装置各种分波前干涉装置参数：棱角

4、参数：棱角 点光源与棱镜的距离点光源与棱镜的距离 B棱镜与观察屏距离棱镜与观察屏距离 C棱镜的偏向角：棱镜的偏向角：双象双象之间的距离之间的距离 d=？第四节第四节 分波前干涉与光的空间相干性分波前干涉与光的空间相干性光光光光 学学学学 第三章第三章 干干 涉涉 v 菲涅耳双面镜干涉菲涅耳双面镜干涉第四章第四章 干涉的应用干涉的应用 参数：点光源与双镜交线的距离参数：点光源与双镜交线的距离 r 双像与观察屏的距离双像与观察屏的距离 D2各种分波前干涉装置各种分波前干涉装置一、分波前干涉原理一、分波前干涉原理双面镜的夹角双面镜的夹角 双象双象之间的距离之间的距离 d=？光光光光 学学学学 第三章

5、第三章 干干 涉涉v 劳埃镜干涉劳埃镜干涉2各种分波前干涉装置各种分波前干涉装置参数：点光源与反射镜的垂直距离参数：点光源与反射镜的垂直距离 a点光源与观察屏距离点光源与观察屏距离 Dd点源与象之间的距离点源与象之间的距离 d=？注意：半波损失问题！注意：半波损失问题！第四节第四节 分波前干涉与光的空间相干性分波前干涉与光的空间相干性光光光光 学学学学 第三章第三章 干干 涉涉3光场的空间相干性光场的空间相干性1）光源的移动对干涉条纹的影响）光源的移动对干涉条纹的影响设设光源移动光源移动 s，R1 和和R2 不再相等，光程差修订不再相等，光程差修订第四节第四节 分波前干涉与光的空间相干性分波前

6、干涉与光的空间相干性R2R1r2r1与与 s有什么关系？有什么关系？假设假设 sR1 和和R2，dR1 和和R2 R光光光光 学学学学 第三章第三章 干干 涉涉3光场的空间相干性光场的空间相干性1）光源的移动对干涉条纹的影响）光源的移动对干涉条纹的影响设设光源移动光源移动 s，R1 和和R2 不再相等，光程差修订不再相等，光程差修订可以证明：可以证明：第四节第四节 分波前干涉与光的空间相干性分波前干涉与光的空间相干性R2R1r2r1R光光光光 学学学学 第三章第三章 干干 涉涉3光场的空间相干性光场的空间相干性1）光源的移动对干涉条纹的影响）光源的移动对干涉条纹的影响 此时，在观察屏幕上干涉条

7、纹有什么变化？零级发生在观此时，在观察屏幕上干涉条纹有什么变化？零级发生在观察屏上什么的地方？察屏上什么的地方？第四节第四节 分波前干涉与光的空间相干性分波前干涉与光的空间相干性R2R1r2r1光光光光 学学学学 第三章第三章 干干 涉涉3光场的空间相干性光场的空间相干性1）光源的移动对干涉条纹的影响）光源的移动对干涉条纹的影响在在观察屏幕上零级发生在：观察屏幕上零级发生在：的地方，即：的地方，即：设此时零级在观察屏上位置为设此时零级在观察屏上位置为 x，则有第四节第四节 分波前干涉与光的空间相干性分波前干涉与光的空间相干性R2R1r2r1R光光光光 学学学学 第三章第三章 干干 涉涉3光场的

8、空间相干性光场的空间相干性1）光源的移动对干涉条纹的影响）光源的移动对干涉条纹的影响第四节第四节 分波前干涉与光的空间相干性分波前干涉与光的空间相干性所以所以R2R1r2r1R光光光光 学学学学 第三章第三章 干干 涉涉3光场的空间相干性光场的空间相干性1）光源的移动对干涉条纹的影响）光源的移动对干涉条纹的影响第四节第四节 分波前干涉与光的空间相干性分波前干涉与光的空间相干性光光光光 学学学学 第三章第三章 干干 涉涉3光场的空间相干性光场的空间相干性1）光源的移动对干涉条纹的影响）光源的移动对干涉条纹的影响若若上述各个点光源同时存在，将会发生什么现象？上述各个点光源同时存在，将会发生什么现象

9、？当点光源扩展到多大的时候，干涉条纹消失？当点光源扩展到多大的时候，干涉条纹消失？如果如果 x 等于干涉条纹的间距，等于干涉条纹的间距，s 为多少？为多少？第四节第四节 分波前干涉与光的空间相干性分波前干涉与光的空间相干性光光光光 学学学学 第三章第三章 干干 涉涉3光场的空间相干性光场的空间相干性2）光场的空间相干性）光场的空间相干性 形成对比度不为零的干涉条件：形成对比度不为零的干涉条件：空间相干线度范围空间相干线度范围空间相干角度范围空间相干角度范围第四节第四节 分波前干涉与光的空间相干性分波前干涉与光的空间相干性如果光源的线度如果光源的线度b已经确定，那么，双孔的间距为多少时才能产生干

10、涉现象？已经确定，那么，双孔的间距为多少时才能产生干涉现象？光光光光 学学学学 第三章第三章 干干 涉涉假设两个点光源干涉时，假设两个点光源干涉时，A1=A2=A，干涉条纹分布可以写成，干涉条纹分布可以写成位相差位相差或或干涉条纹对比度干涉条纹对比度3光场的空间相干性光场的空间相干性3）干涉条纹的对比度与光场的空间相干性的关系）干涉条纹的对比度与光场的空间相干性的关系第四节第四节 分波前干涉与光的空间相干性分波前干涉与光的空间相干性光光光光 学学学学 第三章第三章 干干 涉涉 对于单色光源，设其在双孔方向的长度为对于单色光源，设其在双孔方向的长度为b，观察屏上某点的，观察屏上某点的干涉强度正比

11、于所有点光源产生的干涉迭加：干涉强度正比于所有点光源产生的干涉迭加：3光场的空间相干性光场的空间相干性3）干涉条纹的对比度与光场的空间相干性的关系）干涉条纹的对比度与光场的空间相干性的关系第四节第四节 分波前干涉与光的空间相干性分波前干涉与光的空间相干性光光光光 学学学学 第三章第三章 干干 涉涉干涉条纹的对比度：干涉条纹的对比度：当当对比度下降为零时，对比度下降为零时，b d/R =1，此时：此时：这这就是产生干涉对面光源大小的要求就是产生干涉对面光源大小的要求3光场的空间相干性光场的空间相干性3）干涉条纹的对比度与光场的空间相干性的关系）干涉条纹的对比度与光场的空间相干性的关系第四节第四节

12、 分波前干涉与光的空间相干性分波前干涉与光的空间相干性光光光光 学学学学 第三章第三章 干干 涉涉薄膜干涉的装置与特点薄膜干涉的装置与特点 一束光入射到透明媒质薄膜上，薄膜的上下两个表面对光的振幅一束光入射到透明媒质薄膜上，薄膜的上下两个表面对光的振幅分解，两个表面的反射光在空间相遇时将发生干涉；两个表面的透射光分解，两个表面的反射光在空间相遇时将发生干涉；两个表面的透射光相遇时也同样会发生干涉。相遇时也同样会发生干涉。薄膜干涉可分为两种类型：薄膜干涉可分为两种类型：等厚干涉：等厚干涉：干涉条纹的变化是由于薄膜的厚度引起的，即薄膜厚度相同，干涉条纹的变化是由于薄膜的厚度引起的，即薄膜厚度相同，

13、干涉条纹相同。干涉条纹相同。等倾干涉：等倾干涉：干涉条纹的变化是由于入射到薄膜上光线倾角决定的，即入干涉条纹的变化是由于入射到薄膜上光线倾角决定的，即入射角相同，干涉条纹相同。射角相同，干涉条纹相同。1薄膜干涉的概况薄膜干涉的概况第五节第五节 薄膜干涉薄膜干涉光光光光 学学学学 第三章第三章 干干 涉涉等厚干涉的实现等厚干涉的实现由于薄膜的厚度是不均匀，上下由于薄膜的厚度是不均匀，上下两个表面反射的光不平行，在相两个表面反射的光不平行，在相交的区域发生干涉产生干涉条纹交的区域发生干涉产生干涉条纹干涉条纹的干涉条纹的定域定域从薄膜表从薄膜表面附近一直延伸到无穷远面附近一直延伸到无穷远当当人眼观察

14、薄膜时，看到的干涉人眼观察薄膜时，看到的干涉条纹是薄膜表面附近的干涉条纹条纹是薄膜表面附近的干涉条纹1薄膜干涉的概况薄膜干涉的概况第五节第五节 薄膜干涉薄膜干涉P光光光光 学学学学 第三章第三章 干干 涉涉1薄膜干涉的概况薄膜干涉的概况等倾干涉的实现等倾干涉的实现薄膜的厚度是均匀的，上下两个薄膜的厚度是均匀的，上下两个表面反射的光平行出射，经透镜表面反射的光平行出射，经透镜会聚以后在焦平面上发生干涉产会聚以后在焦平面上发生干涉产生干涉条纹生干涉条纹干涉条纹的干涉条纹的定域定域是无穷远是无穷远当当人眼观察薄膜时，看到的干涉条人眼观察薄膜时，看到的干涉条纹可以看成是薄膜表面附近的干涉纹可以看成是薄

15、膜表面附近的干涉条纹，实际上是经过眼睛聚焦的。条纹，实际上是经过眼睛聚焦的。第五节第五节 薄膜干涉薄膜干涉P光光光光 学学学学 第三章第三章 干干 涉涉2薄膜干涉的光强分布和条纹的特征薄膜干涉的光强分布和条纹的特征光强分布：光强分布：位相差：位相差：这里这里 P 是观察点。是观察点。A1是薄膜第一表面反射光到达是薄膜第一表面反射光到达P点的振幅点的振幅A2是薄膜第二表面反射光再经第一表面折射到达是薄膜第二表面反射光再经第一表面折射到达P点的振幅点的振幅 L是两束光的光程差是两束光的光程差可以看出，可以看出，P点的光强取决与光程差点的光强取决与光程差第五节第五节 薄膜干涉薄膜干涉光光光光 学学学

16、学 第三章第三章 干干 涉涉2薄膜干涉的光强分布和条纹的特征薄膜干涉的光强分布和条纹的特征下面首先考虑下面首先考虑P点位于薄膜表面的情况。可以证点位于薄膜表面的情况。可以证明其它点的光程差与在薄膜表面的光程差一致。明其它点的光程差与在薄膜表面的光程差一致。几种情况的光程差几种情况的光程差CAPBCAPBDCAPBCAPBDn1n1n2n1n1n2n1n1n2n1n1n2第五节第五节 薄膜干涉薄膜干涉光光光光 学学学学 第三章第三章 干干 涉涉2薄膜干涉的光强分布和条纹的特征薄膜干涉的光强分布和条纹的特征设设入射角为入射角为 i1折射角为折射角为 i2第五节第五节 薄膜干涉薄膜干涉CAPBn1n1n2hAP光光光光 学学学学 第三章第三章 干干 涉涉2薄膜干涉的光强分布和条纹的特征薄膜干涉的光强分布和条纹的特征设设入射角为入射角为 i1折射角为折射角为 i2所以：所以：注意注意:在有些时候必须考虑半波损失！在有些时候必须考虑半波损失！此时：此时：第五节第五节 薄膜干涉薄膜干涉CAPBn1n1n2hAP光光光光 学学学学 第三章第三章 干干 涉涉2薄膜干涉的光强分布和条纹的特征薄膜干涉的光