2_光的相干性

光波的相干条件光波的相干条件光学是一门探究光的性质和行为的科学，其中一个重要的概念就是光波的相干性。

光波的相干性是衡量光波的稳定度和强度的因素之一。

因此，深入了解光波的相干条件对于光学领域的学习和研究至关重要。

1.相干性的定义相干性是指两个或更多的光波在时间和空间上保持稳定和有序的现象。

具体来说，光波的相位相对稳定且相互关联，导致它们能够产生干涉现象。

光波的相干性对于干涉、衍射和散射等现象的产生有着重要的影响。

2.相干的种类相干性可以分为两种类型，即时域相干和频域相干。

时域相干是指光波的相位关系在时间上保持稳定。

频域相干是指光波的相位关系在频率或波长上保持稳定。

3.相干条件相干条件是指产生相干性的物理条件。

两个最基本的相干条件是：同一光源发出的光波应当是相干的；两个不同光源发出的光波应当在相对位置、波长和相位上一致。

4.相干长度相干长度是指一个光子在光学路径中保持相干的长度。

相干长度是波导、光纤和其他光学系统中的重要参数。

波长越长，相干长度越短，因为波长越短，相位关系更容易被破坏。

5.相干度相干度是用来描述两个或多个光源的相干性程度的参数。

其数学定义是两个相干光波的平均干涉强度与它们的总亮度之比。

相干度越高，干涉模式就越易于观察和测量。

6.应用相干性是光学中许多重要现象的基础，如Michelson干涉仪的原理、自聚焦效应和光波导。

相干光的应用范围广泛，包括激光器、干涉仪、成像、通信、拉曼光谱学和光场计算等领域。

总结光波的相干性是光学领域的重要概念，对于干涉、衍射和散射等现象的产生有着重要的影响。

在相干度和相干长度的帮助下，科学家能够更好地理解光学系统的行为，提高其稳定性和每单位时间的光功率。

相干性的理解和应用有助于推动光学领域的发展，满足未来的日益增长的需求。

光学习题及答案练习二十二 光的相干性 双缝干涉 光程一.选择题1. 有三种装置(1) 完全相同的两盏钠光灯 ,发出相同波长的光 ,照射到屏上；(2) 同一盏钠光灯 ,用黑纸盖住其中部将钠光灯分成上下两部分同时照射到屏上； (3) 用一盏钠光灯照亮一狭缝 ,此亮缝再照亮与它平行间距很小的两条狭缝 ,此二亮缝的 光照射到屏上 .以上三种装置 ,能在屏上形成稳定干涉花样的是(A) 装置 (3). (B) 装置 (2). (C) 装置 (1)(3). (D) 装置 (2)(3).2. 在双缝干涉实验中，为使屏上的干涉条纹间距变大，可以采取的办法是 (A) 使屏靠近双缝 .(B) 把两个缝的宽度稍微调窄 . (C) 使两缝的间距变小 . (D) 改用波长较小的单色光源 .3. 如图所示 ,设 s 1、s 2 为两相干光源发出波长为的单色光 ,分别通过两种介质 (折射率分别为 n1和 n 2，且 n 1>n 2)射到介质的分界面上的 P 点,己知 s 1P = s 2P = r,则这两条光的几何路程 r, 在刻有双缝一边的箱子外边时 ,在箱子的对面壁上产生干涉条纹 这箱子时 ,条纹的间隔将会发生什么变化答(A) 保持不变 . (B) 条纹间隔增加 . (C) 条纹间隔有可能增加 . (D) 条纹间隔减小 .5. 用白光 (波长为 4000～ 7600)垂直照射间距为 a=的双缝 ,距缝 50cm 处放屏幕 ,则观察到 的第一级彩色条纹和第五级彩色条纹的宽度分别是 (A) × 104m ,× 104m (B) ×104m , × 103m (C) ×104m , ×104m(D) × 104m ,× 104m 光程差 和相位差分别为(A) r = 0 , = 0 , = 0.(B) r= (n 1－ n 2 ) r , =( n 1－n 2) r , =2 (n 1－ n 2) r/ (C) r= 0 , =( n 1 －n 2) r , =2 (n 1－ n 2) r/ . (D) r =0 , =( n 1－ n 2) r , =2 (n 1－ n 2) r.,当把一个钠光灯照亮的狭缝放.如果把透明的油缓慢地灌入 4. 如图所示，在一个空长方形箱子的一边刻上一个双缝 图.填空题1. 在双缝干涉实验中 ,两缝分别被折射率为 n 1和 n 2 的透明薄膜遮盖 ,二者的厚度均为 e ,波长为的平行单色光垂直照射到双缝上 ,在屏中央处 ,两束相干光的相位差 =2. 如图所示 , s 1、、s 2为双缝 , s 是单色缝光源 ,当 s 沿平行于 s1、和 s 2 的连线向上作微小移动时 , 中央明条纹将向 s s1移动；若 s 不动 ,而在 s 1后加一很薄的云母片 ,中央 s 2明条纹将向 移动 .(2) 如果用厚度 e=× 102mm,折射率 n=的透明薄膜覆盖在图中的明条纹的坐标 x .练习二十三 薄膜干涉 劈尖.选择题1. 如图 所示 , 薄膜的折射率为 n 2, 入射介质的折射率为 n 1,透 射介质为 n 3,且 n 1< n 2< n 3, 入射光线在两介质交界面的反射光线分 别为 (1)和(2), 则产生半波损失的情况是(A) (1)光产生半波损失 , (2)光不产生半波损失 (B) (1)光 (2)光都产生半波损失 . (C) (1)光 (2)光都不产生半波损失 .(D) (1)光不产生半波损失 , (2)光产生半波损失2. 波长为的单色光垂直入射到厚度为 e 的平行膜上 ,如图 ,若反射光消失 ,则当 n 1<n 2<n 3时,应满足条件 (1)； 当 n 1<n 2>n 3时应满足条件 (2). 条件 (1),条件(2) 分别是(A) (1)2ne = k, (2) 2ne = k.3. 如图所示 ,在劳埃镜干涉装置中， 若光源 s 离屏的距离为 D, s 离平面镜的垂直距离为 a(a 很小).则平面镜与屏交界处 A 的 干涉条纹应为 条纹；设入射光波长为，则相邻条纹 中心间的距离为 . 三. 计算题1. 在双缝干涉实验中 ,单色光源 s 到两缝 s 1和 s 2的距离 分别为 l 1 和 l 2,并且 l 1－l 2=3, 为入射光的波长 ,双缝之间的距 离为d, 双缝到屏幕的距离为 D,如图 ,求(1) 零级明纹到屏幕中央 O 点的距离； (2) 相邻明条纹间的距离 . 2. 双缝干涉实验装置如图所示, 双缝与屏之间的距离D=120cm, 两缝之间的距离 d=,用波长 =5000 的单色光垂直照射双缝.(1) 求原点 O(零级明条纹所在处 )上方的第五级明条纹的 坐标 .ds s 12屏xs 1缝后面 ,求上述第五级A图(B) (1)2ne = k + /2,(C) (1)2ne = k －/2, (D) (1)2ne = k,3. 由两块玻璃片( n 1 = )所形成的空气劈尖 ,其一端厚度为零，另一端厚度为，现用波(2) 2ne = k+/2. (2) 2ne = k. (2) 2ne = k －/2.长为 7000 的单色平行光，从入射角为 30 角的方向射在劈尖的表面，则形成的干涉条纹数(A) 27. (B) 56. (C) 40. (D) 100.4. 空气劈尖干涉实验中 , (A) 干涉条纹是垂直于棱边的直条纹(B) 干涉条纹是垂直于棱边的直条纹(C) 干涉条纹是平行于棱边的直条纹 , 劈尖夹角变小时 , 劈尖夹角变小时 , 劈尖夹角变小时 , 劈尖夹角变小时 ,条纹变稀 ,从中心向两边扩展 . ,条纹变密 ,从两边向中心靠拢 . ,条纹变疏 ,条纹背向棱边扩展 .,条纹变密 ,条纹向棱边靠拢 .5. 一束波长为的单色光由空气入射到折射率为 则薄膜的最小厚度应为(A) /2.(B)/2n . (C) /4.(D)/4n ..填空题1. 如图所示 ,波长为的平行单色光垂直照射到两个劈尖上 ,两劈尖角分别为 1 和 2 ,折射率分别为 n 1 和 n 2 ,若二者形成干涉条纹的间距相等 , 则 1 , 2 , n 1 和 n 2 之间的关系是.2. 一束白光垂直照射厚度为 m 的玻璃片 ,玻璃的折射率为 ,在反射光中看见光的波长 是,在透射光中看到的光的波长是.3. 空气劈尖干涉实验中 ,如将劈尖中充水 ,条纹变化的情况是,如将一片玻璃平行的拉开 , 条纹变化的情况是 . 三. 计算题1. 波长为的单色光垂直照射到折射率为 n 2 的劈尖薄膜上 n 1<n 2< n 3,如图所示 ,观察反射光形成的条纹 .(1) 从劈尖顶部 O 开始向右数第五条暗纹中心所对应的 薄膜厚度 e 5 是多少(2) 相邻的二明纹所对应的薄膜厚度之差是多少2. 在折射率 n=的玻璃上 ,镀上 n=的透明介质薄膜 ,入射光垂直于介质膜表面照射 ,观察反n 的透明薄膜上 ,要使透射光得到加强图射光的干涉 ,发现对 1=6000的光干涉相消 ,对2=7000的光波干涉相长 ,且在 6000 ～ 7000之间没 有别的波长的光波最大限度相消或相长的情况 ,求所镀介质膜的厚度 .练习二十四 牛顿环 迈克耳逊干涉仪 衍射现象.选择题1. 严格地说 ,空气的折射率大于 1,因此在牛顿环实验中 ,若将玻璃夹层中的空气逐渐抽去时 ,干涉圆环的半径将(A) 变小 . (B) 不变 . (C) 变大 . (D) 消失 .2. 在图所示三种透明材料构成的牛顿环装置中 涉条纹 ,则在接触点 P 处形成的圆斑为(A) 全明 . (B) 全暗 .(C) 右半部明 ,左半部暗 . (D) 右半部暗 ,左半部明 .3. 在一块平玻璃片 B 上,端正地放一个顶角接近于 ,但小于的圆锥形平凸透镜 A,在 A 、B间形成空气薄层 ,如图所示 ,当用单色光垂直照射平凸透镜时 ,从玻璃片的下面可观察到干涉 条纹 ,其特点是4.把观察牛顿环装置中的平凸透镜换成半径很大的半圆柱面透镜 , 用单色光垂直照射 半圆柱面的平凸透镜时 ,观察到的干涉条纹的特点是(A) 间隔不等的与圆柱面母线平行的干涉直条纹 ,中间密 ,两边稀 . (B) 间隔不等的与圆柱面母线平行的干涉直条纹 ,中间稀 ,两边密 . (C) 间隔相等的与圆柱面母线平行的干涉直条纹 . (D) 间隔相等的与圆柱面母线垂直的干涉直条纹 .5. 在迈克尔逊干涉仪的一条光路中放入一个折射率为 n,厚度为 d 的透明片后 ,这条光路的光程增加了(A) 2(n － 1)d. (B) 2nd.,用单色光垂直照射 ,在反射光中看到干(A) 中心暗的同心圆环状条纹 ,中心密 ,四周疏 . (B) 中心明的同心圆环状条纹 ,中心疏 ,四周密 . (C) 中心暗的同心圆环状条纹 ,环间距相等(D) 中心明的同心圆环状条纹 ,环间距相等(C) (n－1)d.(D) nd..填空题1. 用= 6000 的单色光垂直照射牛顿环装置时，从中央向外数第 4 个暗环(中央暗斑为第 1 个暗环)对应的空气膜厚度为m.2. 光强均为I0 的两束相干光相遇而发生干涉时, 在相遇区域内有可能出现的最大光强是.3. 惠更斯－菲涅耳原理的基本内容是:波阵面上各个面积元上，所发出的子波在观察点P 的, 决定了P 点的合振动及光强.三. 计算题1. 图所示为一牛顿环装置,设平凸透镜中心恰好和平玻璃接触,透镜凸表面的曲率半径是R=400cm, 用某单色平行光垂直入射,观察反射光形成的牛顿环,测得第 5 个明环的半径是.(1) 求入射光的波长(2) 设图中OA=,求在半径为范围内可观察到的明环数目.2. 在如图所示的牛顿环装置玻璃平凸透镜和平面玻璃( 设玻璃折射图中率 n1=之间的空气(n2=改换成水(n2 = ),求第k 个暗环半径的相对改变量(r k－r k ) / r k.练习二十五单缝衍射圆孔衍射光学仪器的分辨率一.选择题1. 对杨氏双缝干涉的理解应为(A) 杨氏双缝干涉是两狭缝衍射光的干涉,因此干涉条纹的分布受单缝衍射因子的调制(B) 杨氏双缝干涉完全是两束相干光的干涉.(C) 杨氏双缝干涉是两条单缝的衍射,无干涉.(D) 杨氏双缝干涉是双光束干涉与单缝衍射的迭加.2. 关于半波带正确的理解是(A) 将单狭缝分成许多条带,相邻条带的对应点到达屏上会聚点的距离之差为入射光波长的1/2.(B) 将能透过单狭缝的波阵面分成许多条带, 相邻条带的对应点的衍射光到达屏上会聚点的光程差为入射光波长的1/2.(C) 将能透过单狭缝的波阵面分成条带,各条带的宽度为入射光波长的1/2.(D) 将单狭缝透光部分分成条带,各条带的宽度为入射光波长的1/2.3. 波长= 5000 的单色光垂直照射到宽度 a = mm 的单缝上,单缝后面放置一凸透镜在凸透镜的焦面上放置一屏幕,用以观测衍射条纹,今测得屏幕上中央条纹一侧第三个暗条纹和另一侧第三个暗条纹之间的距离为 d = 12 mm ,则凸透镜的焦距为(A) 2m. (B) 1m. (C) . (D) . (E) .4. 单色光垂直入射到单狭缝上 ,对应于某一衍射角 到屏上会聚点 A 的光程差为 = 2 , 则(A) 透过此单狭缝的波阵面所分成的半波带数目为二个(B) 透过此单狭缝的波阵面所分成的半波带数目为二个 (C) 透过此单狭缝的波阵面所分成的半波带数目为四个(D) 透过此单狭缝的波阵面所分成的半波带数目为四个5. 一直径为 2mm 的 He － Ne 激光束从地球上发出投射于月球表面 ,己知月球和地面的距离为 376×103km, He －Ne 激光的波长为 6328,则月球得到的光斑直径为(A) × 130m. (B) . × 13 0m. (C) 290× 130 m(D) 29× 130 m..填空题1. 在单缝夫琅和费衍射实验中，设第一级暗纹的衍射角很小，若用钠黄光(1≈ 5890 )照射单缝得到中央明纹的宽度为 , 则用 2=4420 的蓝紫色光照射单缝得到的中央明纹宽度 为.2. 波长为 5000 ～ 6000 的复合光平行地垂直照射在 a=的单狭缝上 ,缝后凸透镜的焦距为,则此 二波 长光零级明纹 的中心间隔为 ,一级明 纹的中 心间 隔为.3. 己知天空中两颗星相对于一望远镜的角距离为× 107rad,它们发出的光波波长按 5500计算 ,要分辨出这两颗星 ,望远镜的口镜至少要为 .三. 计算题1. 用波长 = 6328 的平行光垂直照射单缝 ,缝宽 a = ,缝后用凸透镜把衍射光会聚在焦平面上 ,测得第二级与第三级暗条纹之间的距离为 ,求此透镜的焦距 .2. 在某个单缝衍射实验中 ,光源发出的光含有两种波长 1 和 2,并垂直入射于单缝上 ,假如1的第一级衍射极小与 2 的第二级衍射极小相重合 ,试问(1) 这两种波长之间有何关系(2) 在这两种波长的光所形成的衍射图样中 ,是否还有其它极小相重合练习二十二 光的相干性 双缝干涉.选择题 A C C D B二. 填空题, 此单狭缝两边缘衍射光通过透镜,屏上 A 点为明点 . ,屏上 A 点为暗点 . ,屏上 A 点为明点 .,屏上 A 点为暗点 .1. 2(n1n2)e/.2. 下, 上.3. 暗, x=D/(2 a) .三.计算题1. 光程差=(l2+r2)(l1+r1)=(l2l1)+(r2r1)= l2l1+xd/D=3+xd/D(1)零级明纹=0 有x=3D/d(2)明纹=k=3+x k d/D 有x k=(3k)D/dx=x k+1-x k=D/d2.(1)光程差=r2r1=xd/D=kx k=kD/d因k=5 有x5=6mm(2)光程差=r2-(r1-e+ne)=r2-r1-(n-1)e=x'd/D -(n-1)e=k 有x'=[k+(n-1)e]D/d因k=5,有x'5=练习二十三薄膜干涉劈尖一.选择题B C A C B二.填空题1. n11= n22.2. m; m, m.3. 依然平行等间距直条纹,但条纹变密；依然平行等间距直条纹，条纹间距不变，但条纹平行向棱边移动.三.计算题1.(1)因n1<n2<n 3，所以光程差=2n2e暗纹中心膜厚应满足k=2n2e k=(2k+1)/2 e k=(2k+1)/(4n2)对于第五条暗纹，因从尖端数起第一条暗纹=/2，即k=0，所以第五条暗纹的k=4，故e4=9/(4 n2)(2)相邻明纹对应膜厚差e=e k+1-e k=/(2n2)2．因n1<n2<n3 所以光程差=2n2e1 相消干涉，有=2n2e=(2k1+1)1/22 相长干涉，有=2n2e=2k22/2因 2>1,且中间无其他相消干涉与相长干涉，有k1=k2=k，故(2k+1)1/2=2k2/2 k=1/[2( 2-1)]=3 得e=k2/(2n2)=10-4mm练习二十四牛顿环迈克耳逊干涉仪.选择题 C D D B A二.填空题1. .2. 4I0 .3. 干涉(或相干叠加).三. 计算题1. (1) 明环半径r=[(2k1)R/2]1/2=2r2/[(2 k1)R]=5000 (2) (2k1)=2r2/(R)=100k= 故在OA范围内可观察到50 个明环( 51 个暗环)2. 暗环半径r k kRλ n2r k kRλ n2r k r k kRλn2 kRλ n2r k kRλ n21 n2 1 n21n2 1 n2 n2 13.6%练习二十五单缝圆孔分辨率.选择题 A B B D C二.填空题1. .2. 0, 15mm.3. .三. 计算题1. 单缝衍射暗纹角坐标满足asin k=k线坐标满足x k=ftan≈fsin=f k/ax=x k x k-1f/afax/ =400mm= ；2.(1) 单缝衍射暗纹角坐标满足asin1=1 asin2=22因重合有asin2=asin1，所以1=22(2) asin1=k11 = k122 asin2=k22asin1= asin2得k 2=2k1故当k2=2k1 时,相应的暗纹重合。

目录摘要 (I)ABSTRCT (II)目录 (III)第一章绪论 (1)1.1引言 (1)1.2通过光的二级相干测量液体速度 (2)1.3热光关联成像 (2)1.4本章小结 (3)参考文献 (4)第二章光学相干理论 (7)2.1引言 (7)2.2时间相干性 (8)2.3空间相干性 (8)2.4经典相干函数 (9)2.4.1经典一级相干度的相关函数 (9)2.4.2经典二级相干度的相关函数 (10)2.5本章小结 (12)参考文献 (13)第三章热光理论和激光理论 (14)3.1引言 (14)3.2偏振热光的统计性质 (14)3.3非偏振热光的统计性质 (16)3.4热光的二级相关性 (17)3.5汉勃雷-布朗和特威斯实验与二级相关度的测量 (18)3.6赝热光理论 (20)3.7本章小结 (21)参考文献 (22)第四章利用热光的二级相干度实现液体速度的测量 (23)4.1引言 (23)4.2测量旋转毛玻璃的转速 (23)4.3测量微流体通道内液体的速度 (29)4.4本章小结 (32)参考文献 (33)第五章热光关联成像 (35)5.1引言 (35)5.2纠缠光实现关联成像 (35)5.3赝热光源实现关联成像 (38)5.4热光关联成像的统计光学分析 (45)5.5赝热光源的关联成像实验 (48)5.6本章小结 (50)参考文献 (51)第六章总结与展望 (53)致谢 (54)成果目录 (55)第一章绪论1.1引言无论是过去，现在，亦或是未来，光的性质，一直都吸引着人们。

在近代的古典光学的理论中，光的波动理论由荷兰的科学家惠更斯率先提出，并在之后的一百多年间，通过菲涅尔等人进一步发展的机械波理论来解释。

在时间来到十九世纪六十年代的时候，经典电磁波的理论由出生在英国爱丁堡的科学家麦克斯韦建立。

通过麦克斯韦自己建立的电磁波的波动方程，他发现电磁波的传播速度跟光速是一致的。

根据这个结果，麦克斯韦大胆预言了光也是一种电磁波。