光的相干性

§17-1 相干光 一、光的相干性 1. 光 广义：电磁波
狭义： 可见光，电磁波中的狭窄波段
:
760A0 ~ 390A0
: 3 .9 5 11H 0 4 ~ 7 z .6 9 11H 0 4 z
颜色： 红 ~ 紫
常用的单色光源及波长
氦氖激光 钠灯 汞灯 氢灯
光波： 交变电磁场在空间传播
光矢量： E :引起视觉和感光作用
波列越长，谱线宽度越窄，光的单色性越好。
不同原子发光、或同一原子各次发光
频率 振动方向 初相
具有随机性 难以满足相干条件
设观察时— 间至 为少为仪器或时 人间 眼反应
1
I I1 I2 2I1 I2 co d st I1 I2
0
均匀分布，
0
非相干叠加
两普通光源或同一光源的不同部分是不相干的
发展状况：
到了1900年，德国的普朗克、爱因斯坦分别
在解释黑体幅射、光电效应等实验时发现，光同时 具有波动性与粒子性――波粒二象性。这是我们目前 对光的本质的认识。
本篇关于光的波动规律的讲解，基本上还是近 200年前托马斯·杨和菲涅耳的理论，当然还有许多 应用实例是现代化的。现代的许多高新技术中的精 密测量与控制就应用了光的干涉和衍射的原理，激 光的发明更使“古老的”光学焕发了青春。
u r1
相O 1
干 光
源 O2
u r2
u
r1
相 O1
干 光
nu
r2
源 O2
d
P
212r2r1
当2 1时
2 r1 r2
P
2r 12(r2 dd)
如何简化？
思路：设法将光在介质中传播的距离折合成光在真空中 的距离，统一使用真λ空计算。
折合原则：在引起光波相位改变上等效。
真空 c
介质 u
x
介质中 x 距离内波数：
•装置（原理图）：
1 2
杨氏 570 nm
现代 555 nm
该实验对光的波动说的复苏起到关键 作用，在物理学史上占重要地位。
“尽管我仰慕牛顿的大名，但我并不因此非得认为他是 百无一失的。我……遗憾地看到他也会弄错，而他的权 威也许有时甚至阻碍了科学的进步。”
(1) 分波阵面法
将同一波面上两不同部 分作为相干光源
(2)分振幅法（分振幅~分能量）
k0,1,2
若1 2
k 相长
r1r2
(2k 1)
相消
2
k0,1,2
不同： 机械波源与光波波源特征不同
容易满足相干条件 难以满足相干条件
一般光源的发光机制：被激发到较高能级的原子跃迁 到低能级时，辐射出能量。
例：氢原子光谱巴耳末系（可见光）
…
5
4
EE1 n2
3 2
Ehhc
E11.36eV
一个原子，一次跃迁，发出 一个光波波列
光振动： E (t:大 ) 小、 t周方 期向 性随 变
EE 0cots ()
光强：
I E02
相对光强： I E02
2.光波与机械波相干性比较
相同：
振动方向相同
(1) 相干条件 频率相同
相位差恒定
(2) 光强分布： II1I22I1I2co s
干涉项
212r2r1
(3)
2k
(2k1)
相长 相消
2
4
？
2
4
x
真空中同样波数占据的距离
xxc
u
x c xn u
介质折射率
结论：光在折射率为 n 的介质中前进 x 距离引起的相位改 变与在真空中前进 nx 距离引起的相位改变相同.
定义：光 程 几 何 路 介程 质 折 射 率
等效真空程 光程差：等效真空程之差
n1r1n2r2
S1
r1
n1
P
S2
r2
n2
将透明薄膜两个面的反射 （透射）光作为相干光源
s
p
n1
①i
a
②
d
③
c
n2 n1
b
f
⑤
h
e
④
p
原稿中的插图和论述
当同一束光的两部分从不同的路径，精 确地或者非常接近地沿同一方向进入人 眼，则在光线的路程差是某一长度的整 数倍处，光将最强，而在干涉区之间的 中间带则最弱，这一长度对于不同颜色 的光是不同的。
光的干涉
光学的发展
可见光是一种可被人眼所感觉的电磁波（波长 390nm--760nm），是人类以及各种生物生存不可 缺少的最普通的要素，但对它的规律和本性的认识经 历了漫长的过程。
牛顿根据日常生活中光的直线特点，提出了光是 一种粒子的观点；但是，在一百来年后的1801年，英 国的托马斯－杨等人通过实验发现了光具有波的特点 ――能产生干涉、衍射等现象。于是，人们又慢慢接收 了光是一种波的观点。
光程差引起的相位差：
2( r1 1 r2 2
)2 n 1r1n 2r22 真空 真空
统一为： 212
光程差 真空中波长
2k 相长 ~ 明
当 (2k1) 相消 ~ 暗
k0,1,2
若 1 2
2
常见情况：
k
明
当 (2k 1) 暗 k0,1,2
2
(1)真空中加入厚 d 的介质、增加（n -1）d 光程
(1) 分波阵面法
将同一波面上两不同部 分作为相干光源
(2)分振幅法（分振幅~分能量）
将透明薄膜两个面的反射 （透射）光作为相干光源
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s
p
n
1
①i
a
②
d
③
c
n2 n1
b
f
⑤
h
e
④
p
在分别讨论两种方法以前，先建立一个重要概念
4.光程、光程差
相干光在相遇点 P 叠加的合振动强度取决于两分振动的 相位差
(1) 激光：产生机理不同，具有相干性
普通光源：自发辐射 激光：受激辐射
频率
完
相位
全
偏振态
相
同
传播方向
(2) 快速光电接收器件 ——皮秒技术
接受器时间反0应 1s常 数 μs由 , ns, ps 可以观察到十分短暂的干涉，甚至两个独立光源 的干涉。
3.从普通光源获得相干光
思路：将同一点光源、某一时刻发出的光分成两束， 再引导其相遇叠加
n
n dd(n1)d
d
(2)光由光疏介质射到光密介质界面上反射时附加 2光程差
折射率n较小 n较大
（半波损失）
(3)薄透镜不引起附加光程（物点与象点间各光线等光程）
S
S
§17.2 杨氏双缝干涉实验
Thomas Young 1773--1829
英国医生、科学家托马斯.杨1801年 用双缝干涉实验证明了光的波动性， 并首先测出太阳光的平均波长：
频率一定
Eh
振动方向一定
E h
初相一定
持续时间有限: 波列长度有限:
t ~108s lct
断续、脉冲式 非严格单色波
单色光的波列
不同原子发出的波列 波列的叠加
单色光波：频率恒定的一列无限长正弦（或余弦）光波。
所以原子发射的光，其波列长度是有限的，光谱线 都有一定宽度，通常说的单色钠光灯发出的黄色光不 是严格的单色光。氦-氖激光器发出的光也不是严格的 单色光。