第一章 光的干涉

这是一篇关于第一章 光的干涉的思维导图。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，

第一章 光的干涉

• 1、1 波动的独立性、叠加性和相干性
  • 1、电磁波的传播速度和折射率
  • 2、光的强度
  • 3、机械波的独立性和叠加性
    • 独立性
      • 表现在几个振源发出的波相遇时，各自保持自己的特性，按照各自原来的 传播方向继续前进，彼此不受影响
    • 叠加性
      • 表现在相遇区域内，介质质点的合位移是各波的分位移矢量和
  • 4、干涉的界定
    • 如果两波频率相等，在观察时间内波动不中断，而且在相遇处振动方向儿乎沿着同一直线，那么它们叠加后产生的合振动在有些地方加强，在有些地万减弱，这一强度按空间周期性变 的现象称为干涉
  • 5、干涉现象是波动的特性
    • ·波动的特征是能量以振动的形式在物质中依次转移，物质本身并不随波移动. ·凡强弱按一定分布的干涉图样出现的现象，都可作为该现象具有波动本性的最可靠、最有力的实验证据.
  • 6、相干与不相干叠加
    • 相干光源的定义：能引起干涉现象的光源.
    • 相干叠加的条件
      • 1、频率相同 2、振动方向几乎相同 3、在观察时间内相位差恒定
    • 非相干叠加的条件
      • 在观察时间内相位差无规则地改变
• 1、2 由单色波叠加所形成的干涉图样
  • 1、相位差和光程差
    • 相位差
      • • ∆φ=2π/λ δ
    • 光程差
      • 光程 ∆=nr
  • 2、干涉图样的形成
• 1、3 分波面双光束干涉
  • 获得稳定干涉图样的条件
    • 一个原则： 在任何时刻到达观察点的应该是同一批原子发射出来的经过不同的光程的两列波，各原子的发光尽管迅速改变，但是任何相位改变总是同时发生在这两列波上，因而他们到达同一观察点时总保持着不变的相位差.
    • 两种办法:分波面和分振幅
  • 典型的干涉实验
    • （1）杨氏实验 （2）菲涅耳双面镜实验 （3）劳埃德镜实验
• 1、4 干涉条纹的可见度
  • 1、干涉条纹的可见度
  • 2、光源的非(准）单色性对于干涉条纹的影响
  • 3、时间的相干性
  • 4、光源的线度对干涉条纹的影响
    • 由于光源总是具有一定的宽度的，可以把它看成有很多线光源的构成，各个线光源在屏幕上形成各自的干涉图样。这些图样间有一定的位移，他们的非相干叠加使总的干涉图样模糊不清，这就是光源的线度对条纹可见度影响的物理机理。
  • 5、空间相干性
• 1、5 菲涅耳公式
  • 1、菲涅耳公式
  • 2、半波损失的解释
• 1、6 分振幅薄膜干涉(一）——等倾干涉
  • 1、单色点光源引起的干涉现象
  • 2、单色发光平面所引起的等倾干涉条纹
    • ·薄膜各处的厚度虽然相同，从不同的发光点发出的光束对薄膜表面却有不同的倾角. ·由于入射角相同的光经薄膜两表面反射形成的反射光在相遇点有相同的光程差。也就是说只要是入射角，相同的光就形成同一条纹。故这些倾斜度不同的光束经薄膜反射所形成的干涉图样是一些明暗相间的同心圆环，这种干涉称为等倾干涉。
    • 条纹明暗的条件
    • 薄膜的厚度d越大。相邻的亮条纹之间的距离越小，条纹越密越不易辨认
• 1、7 分振幅薄膜干涉（二）——等厚干涉
  • 1、单色点光源所引起的等厚干涉条纹
  • 2、薄层色
    • • 这时会发生不同波长不同强度的条纹的重叠．对于很薄的薄膜，干涉级不大，用白光照射时也能看到条纹，在此情况下，干涉条纹是彩色的．这种彩色是田不四干涉级（对于相同的 i ）的某些波长的光发生干涉相消，某些波长的光发生十沙相长，互相重叠在一处而形成的，故这种彩色仍然是混合色，不是单色，这种色通常称为薄层色
• 1、8 迈克耳孙干涉仪
  • 1、基本原理
    • 一束入射光经过分光镜分为两束后各自被对应的平面镜反射回来，因为这两束光频率相同、振动方向相同且相位差恒定（即满足干涉条件），所以能够发生干涉。
    • 干涉中两束光的不同光程可以通过调节干涉臂长度以及改变介质的折射率来实现，从而能够形成不同的干涉图样。
  • 2、迈克耳孙干涉仪的应用
    • 1、测定国际标准米尺的长度 2、研究光谱线的精细结构
• 1、9 法布里-珀罗干涉仪 多光束干涉
  • 1、法布里-珀罗干涉仪
    • 定义: 是一种由两块平行的玻璃板组成的多光束干涉仪。其中两块玻璃板相对的内表面都具有高反射率。法布里－佩罗干涉仪也经常称作法布里－佩罗谐振腔，并且当两块玻璃板间用固定长度的空心间隔物来间隔固定时，它也被称作法布里－佩罗标准具或直接简称为标准具.
    • 干涉仪的特性: 当入射光的频率满足其共振条件时，其透射频谱会出现很高的峰值，对应着很高的透射率.
  • 2、多光束干涉
    • 是指一组相互平行的，而且任意两束光之间的光程差（或相位差）都相同的同频光束的相干叠加
• 1、10 光的干涉应用举例 牛顿环
  • 1、检查光学元件的表面
    • 在磨制光学元件时，必须检验元件表面的质量，通常先把被检验的表面与一个标准的表面相接触，然后在单色光照射下，通过观察两个表面间的空气薄膜所形成的干涉条纹形状来判断被检表面是否符合标准.如果是一组互相平行的直线条纹，就表明被检验的表面是平整的.如果干涉条纹发生弯曲、畸变，就表明被检表面有缺陷.
      • 平面干涉仪
  • 2、镀膜光学元件
    • 薄膜减少了光学元件表面反射所造成的光能量损失，因此增强了透射光的能量
      • 增透膜
        • 照相机镜头上的紫红色或淡蓝色反光
    • 薄膜增强对某一光谱区的反射能量，同时使透光减弱
      • 高反射膜
        • 登山运动员和滑雪者戴的眼睛片
    • 多层高反射膜，彩色分光膜、冷光膜以及干涉滤光片等
  • 3、测量长度的微小改变
    • 原理：当长度有微小改变时，在适当的装置中干涉条纹将发生移动. 应用：精确地测量固体样品的热膨胀系数——干涉热膨胀仪
  • 4、牛顿环
    • 装置
    • 当单色的平行光束垂直照射时，就会在空气层中形成等候干涉条纹。这些条纹是一组以o为圆心的同心圆环，称为牛顿环.
    • 公式
      • d略去
    • 两束反射光的光程差
    • 亮环的半径