第3章 光的干涉与相干性分解

第三章 光的干涉和干涉仪杨振宇干涉：同频率、同振动方向的两个或两个 以上单色光波叠加，其合成光强在叠加 区域出现稳定的强弱分布现象。

干涉仪：让实际光波产生干涉的装置3-1 产生干涉的条件（相干条件）回顾：什么是干涉现象？ 两个或多个光波在某区域叠加时，在叠加 区域内出现的各点强度稳定的强弱分布 现象。

思考：如图的两个独 立的普通光源，能 在观察屏上看到干 涉现象吗？观察屏3-1回顾：同频率、同振动方向两列光波在P 点的合强度I。

I = a + a + 2a1a2 cos δ2 1 2 2从干涉现象的定义出发，这一值应该不随 时间的变化而变化。

δ = const因此，产生干涉的条件是：3-1相干条件： 光波的频率相同 振动方向相同 位相差恒定补充条件：必须使光 程差小于光波的波 列长度。

2 2I = a + a + 2a1a2 cos δ2 1再来解释为什么两独立光源不能产生干涉3-1分光束的方法 要严格满足干涉条件，必须将源于同一波 列光分成几束，然后再令其产生干涉。

3-13-13-2 杨氏干涉实验y S d S1 D x r1 r2 P(x,y,D) zS2分波前干涉，单色点光源S，d<<DI = a + a + 2a1a2 cos δ2 1 2 23-22 I = a12 + a2 + 2a1a2 cos δ → I = I1 + I 2 + 2 I1 I 2 cos δδ=I1=I2, 空气介质2πλn(r2 − r1 )2⎡π ⎤ (r2 − r1 ) → I = 4 I 0 cos ⎢ (r2 − r1 )⎥ I = 2 I 0 + 2 I 0 cos λ ⎣λ ⎦(r2 − r1 ) = mλ ...极大值 = 4 I 02πy S dx(r2 − r1 ) = (m + 1 / 2)λ ...极小值 = 0r1 r2 S1 DP(x,y,D) z如何确定屏幕上极大值、极小值的位置？S23-2r1 = ( x − d / 2) 2 + y 2 + D 2 r2 = ( x + d / 2) 2 + y 2 + D 22 xd r − r = 2 xd → r2 − r1 = r2 + r12 2 2 1Q D >> d xd 2 xd ≈ ∴ r2 + r1 Dy S dxr1 r2 S1 DP(x,y,D) zS23-2干涉级mλD x= d m = 0,±1,±2,...... （m＋1 / 2）λD x= d3-2ee = λ / ω, 会聚角ω ≈ d / Dee3-2S1、S2连线垂直3-23-2对于屏幕任意放置的情况，要研究两点光源的等光程差在空间的轨 迹，然后再考虑屏幕与这些等光程差点相交的轨迹。

光的干涉现象与空间相干性光的干涉现象是光学中的一个重要现象，它揭示了光波的波动性质和波动光学的基本原理。

而干涉现象的产生与光的空间相干性密切相关。

本文将从光的干涉现象和空间相干性两个方面进行探讨。

一、光的干涉现象光的干涉现象是指两束或多束光波相互叠加而产生的干涉条纹。

干涉现象的产生需要满足两个条件：一是光源必须是相干光源，即光源发出的光波的频率和相位保持稳定；二是光波必须是相干光波，即光波的相位关系满足一定条件。

在干涉现象的实验中，常用的装置有杨氏双缝干涉装置和迈克尔逊干涉仪。

杨氏双缝干涉装置由一块屏幕上有两个狭缝的光源和一个屏幕组成。

当光通过两个狭缝后，会形成一系列明暗相间的干涉条纹。

迈克尔逊干涉仪则是利用半反射镜和全反射镜的干涉效应来观察干涉条纹。

干涉现象的产生可以解释为光波的叠加效应。

当两束光波相遇时，它们的振幅会相互叠加，形成新的波面。

如果两束光波的相位差为整数倍的波长，它们的振幅将增强，形成明亮的干涉条纹；如果相位差为半波长的奇数倍，它们的振幅将相互抵消，形成暗淡的干涉条纹。

二、空间相干性空间相干性是指光波在空间上保持相位关系的性质。

在光学中，空间相干性是光的相干性的一种表现形式。

相干性是指两个或多个光波的相位关系保持稳定的性质。

空间相干性可以通过干涉实验来验证。

在干涉实验中，如果两束光波的相干时间长，它们的相位关系将保持稳定，干涉条纹将清晰可见；如果相干时间短，光波的相位关系将不稳定，干涉条纹将模糊不清。

空间相干性与光的波长和光源的发散性有关。

光的波长越短，空间相干性越好，干涉条纹越清晰；光源的发散性越小，空间相干性越好，干涉条纹越清晰。

因此，使用单色光源和点光源可以提高干涉实验的分辨率。

三、光的干涉现象与空间相干性的应用光的干涉现象和空间相干性在科学和技术领域有着广泛的应用。

其中最重要的应用之一是干涉测量技术。

干涉测量技术是一种非接触式的测量方法，可以精确测量物体的形状、表面粗糙度和位移等参数。

什么是光的相干光干涉和相干光学？光的相干光干涉和相干光学是光波的相干性特征和干涉现象的研究领域。

相干光干涉涉及到光波的相干性和干涉现象，而相干光学则是利用相干光进行干涉测量和光学研究的学科。

下面我将详细介绍光的相干光干涉和相干光学的原理和应用。

1. 相干光的特征：相干光是指发出相干光波的光源。

相干光的特点是光波的振幅、相位和波长等参数在时间和空间上呈现一致的变化。

相干光的产生需要满足相干性条件，即光波之间的相位差在一定范围内保持稳定。

当光波的相位差在相干长度范围内保持稳定，它们就可以被认为是相干光。

相干光的产生方式有多种，例如激光器、干涉仪和光纤等。

这些光源能够产生高度相干的光，具有高强度、高方向性和高单色性等特点。

2. 光的相干光干涉：相干光干涉是指当光波之间存在相干性时，它们会发生干涉现象。

干涉是光波的叠加效应，当两束或多束相干光波叠加时，它们之间会发生干涉效应，形成干涉条纹。

干涉条纹是干涉现象中出现的明暗交替的条纹。

干涉条纹的形成是由于光波的波动性质和干涉效应的相互作用。

当光波的相位差满足一定条件时，干涉条纹就会出现。

具体而言，当两束光波的相位差为奇数倍的半波长时，它们会相互加强，形成明条纹；当相位差为偶数倍的半波长时，它们会相互抵消，形成暗条纹。

相干光干涉的应用非常广泛。

例如，通过利用相干光的干涉条纹，可以实现测量长度、形状和折射率等物体的特性。

干涉仪器如迈克尔逊干涉仪和马赫-曾德尔干涉仪等利用相干光的干涉条纹进行测量和研究。

3. 相干光学的应用：相干光学是利用相干光进行干涉测量和光学研究的学科。

相干光学的应用包括但不限于以下几个方面：-光学显微镜：相干光学显微镜利用相干光源和干涉条纹的形态和变化，实现对样品的高分辨率和高对比度的显微观察。

-光学干涉测量：相干光学干涉测量利用相干光源的干涉效应，实现对长度、形状和折射率等物体特性的测量。

-光学存储与通信：相干光学存储和通信利用相干光的高度相干性和干涉效应，实现高密度和高容量的光学数据存储和传输。

第三章干涉装置和光场的时空相干性第一课§3.1 分波前干涉装置光场的空间相干性本章将在第二章的基础上，具体讨论光的各种干涉装置和干涉仪，介绍光的干涉现象的一些实际应用。

与此同时，结合具体的干涉装置，阐明两个重要的概念—光场的空间相干性和时间相干性。

第二章中已述由于普通光源是不相干的，我们不能简单地由两个实际点光源或面光源的两个独立部分形成稳定的干涉场，为了保证相干条件，通常的办法是利用光具组将同一列波分解为二，使它们经过不同的路径后重新相遇。

由于这样得到的两个波列是由同一波列分解而来的，它们频率相同，位相差稳定，振动方向也可作到基本上平行，相干条件都得到满足，从而可以产生稳定的可观测的干涉场，分解波列的方法有：（1）分波前法：将点光源的波前分割为两部分，使之分别通过两个光具组，经衍射、反射或折射后交迭起来，在一定区域内产生干涉场。

杨氏实验是这类分波前干涉装置的典型。

（2）分振幅法：当一束光投射到两种透明媒质的分界面上时，光能一部分反射，一部分透射。

这种方法叫做分振幅法。

最简单的分振幅干涉装置是薄膜。

（3）分振动面法：利用晶体的双折射效应，使不同振动方向的光相干。

这种方法叫做分振动面法。

1. 杨氏干涉装置结构杨氏实验是分波前干涉装置的典Array型，或者说，它是下面将介绍的各种的分波前干涉装置的原型。

在杨氏实验中光具组Ⅰ，Ⅱ就是单孔屏和双孔屏（或者两条狭缝）。

光束1，2是靠衍射效应交迭起来的。

在下面的介绍中的几种装置中，光束1，2的交迭或靠反射，或靠折射形成。

2. 其他分波前干涉装置 （1）洛埃镜 如图所示，MN 是一平面反射镜，从狭缝光源S 发出的波列中的一部分掠入射到平面镜后反射到幕上，另一部分直接投射到幕上，在幕上两光束交迭区域里将出现干涉条纹。

设S' 为S 对平面镜所成的虚象，幕上干涉条纹就如同是实际光源S 和虚象光源 S'发出的光束产生的一样，因此条纹间隔的计算也可利用杨氏装置的结果。

光波的相干性与干涉现象光学是研究光的传播、反射和折射等现象的科学，而光波的相干性和干涉现象是光学中非常重要的概念。

相干性是指两个或多个光波的相位关系是否保持稳定的特性，而干涉现象是指两个或多个相干光波叠加产生的干涉条纹或干涉带的形成。

下面将深入探讨光波的相干性和干涉现象。

首先，相干性是描述两个或多个光波的相位关系的一种性质。

光波是电磁波，它具有振幅和相位两个方面的特性。

光波的相位表示波峰或波谷的位置关系，当两个光波的相位相同或相差整数倍的情况下，它们是相干的。

相干波的特点是能够产生干涉现象，即两个波叠加时能够形成稳定的干涉图样。

而如果两个光波的相位关系不稳定，则它们是不相干的，无法产生干涉现象。

因此，相干性是干涉现象产生的前提。

干涉现象是当两个或多个相干光波叠加时产生的一种特殊的波动现象。

当光波通过多个狭缝或透过不同厚度的介质时，会产生相位差，从而形成干涉条纹或干涉带。

干涉条纹是一系列明暗交替的条纹，在干涉带上明暗交替的区域被称为条纹，而在条纹之间的区域被称为暗条纹。

干涉现象是光波的波动性质的重要体现，通过观察干涉条纹的变化可以了解光波的波长、相位等特性。

干涉现象的基本原理是光波的叠加原理。

根据叠加原理，当两个相干光波叠加时，它们的振幅会简单相加。

当两个光波的相位相差为整数倍时，它们会发生干涉增强，振幅叠加形成明条纹；而当两个光波的相位相差为半整数倍时，会发生干涉消弱，振幅相互抵消形成暗条纹。

这种干涉现象的形成与光波的波长和相位差有关，可以通过调整光源的相位差或改变干涉装置的参数来控制干涉条纹的位置和形状。

干涉现象不仅在实验中可以观察到，也广泛应用于各个领域。

例如，在光学显微镜中，通过光的干涉现象可以增强显微镜的分辨率，提高观察的清晰度。

在干涉测量中，可以利用光的干涉现象来测量物体的形状和厚度等参数。

干涉现象还被应用于激光技术、光纤通信和光学成像等领域，推动了光学科学的发展和应用。

综上所述，光波的相干性和干涉现象是光学中重要的概念和现象。

光的干涉与杂散光的相干性光的干涉是光学中常见且重要的现象之一。

当两束或多束光波相遇时，会产生干涉现象。

而杂散光是指光在传输或反射时所发生的一种失去相干性的现象。

本文将探讨光的干涉与杂散光之间的相干性关系。

光的干涉现象是由于光的波动性而产生的。

当光波传播到光学装置中时，如果满足一定的条件，光波会发生相互叠加干涉，形成明暗相间的干涉条纹。

这种干涉现象不仅在实验室中可以观察到，也在日常生活中产生，比如彩虹就是光的干涉现象。

干涉现象的产生需要满足两个条件：一是有两束或多束光波相互叠加；二是光波之间存在相位差。

相位差是指两束光波波峰或波谷之间的差值，可以通过光程差来计算。

当两束光波到达同一点时，如果它们的相位差为整数倍的波长，它们将会加强干涉，形成亮区；如果相位差为半整数倍的波长，它们将发生相消干涉，形成暗区。

相位差的变化可以通过改变光程差来实现。

例如，在干涉实验中我们常使用的是马赫-曾德尔干涉仪，其中一个光路较长的干涉臂可以通过调节镜子的位置来改变光程差，从而改变相位差，产生干涉现象。

这种通过控制光程差来控制相位差的方法非常常见，因为相位差是干涉现象产生的关键。

而在实际应用中，我们常常会遇到一种现象，即光在传输或反射过程中发生相干性的丧失，形成杂散光。

相干性是指两束或多束光波之间的相位关系的稳定性。

在杂散光中，不同光波之间的相位关系是随机的，导致无法出现明显的干涉现象。

杂散光的产生有多种原因。

一种常见的原因是光在经过介质时发生散射或吸收，从而改变了光波的相位关系。

举个例子，当光波通过一个粗糙的表面时，会发生散射，导致光波的相位关系被破坏，无法形成干涉现象。

另外，杂散光还可以由于光源的不稳定性、光学材料的非均匀性等因素引起。

不同的原因会导致不同形式的杂散光，但它们都有一个共同特点，即失去了相干性。

相干性的丧失对于光学应用是一个重要的挑战。

因为干涉现象的产生需要相干光源，而杂散光的出现使得我们无法利用干涉技术来获取精确的测量结果或实现高分辨率成像。