第八单元波动光学
I 光的干涉
一、知识框图
光 相干光的基本条件：①频率相同②相位获得相干光的方法①分波阵面法 ②分光程nr 光波差??n2r2?n1r1 2?光程差与相位差的关系???? ???基本概分波阵面几种分振幅的2k,k?1,2...加强??2相干加强、减弱的条件??? ??2(k?1),k?0,1,2...减弱半波损失：从光疏介质向光密介质入射，反射光在反射面?2?杨氏双缝干等倾干 干
迈克耳逊干涉仪（M1,M2互相垂牛顿劈尖干迈克耳逊干涉仪（M1,薄膜干等厚干干二、基本要求 M2互相不1.了解光的相干条件以及获得相干光的方法。
2.理解光程的概念，掌握光程差与相位差的关系和计算方法。
3.掌握杨氏双缝干涉和薄膜等倾干涉、劈尖、牛顿环等厚干涉条纹的分布规律，以及半波损失的概念。
4．了解迈克尔逊干涉仪的工作原理。 三、主要内容 1．基本概念 （1）相干光
由于光是原子受外界能量激发至高能态，再自发跃迁回低能态时发射的电磁波，而原子自发跃迁具有随机性，故除激光外，两个任意光源或一个光源上两个不同部分发出的光不满足相干条件，甚至同一光源同一部分先后发出的光也不满足相干条件，不会发生干涉。因而，只有用人为的方法，使光源上同一点发出的同一列光波沿不同路径传播后再相遇，才能产生干涉现象。
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能够产生干涉现象的光，叫做相干光。能产生相干光的光源叫相干光源。两列相干光，必须满足下列基本条件：①频率相同；②振动方向相同；③相位差恒定。
此外，两列光的光程差必须小于波列长度，光强度差别不得过于悬殊。 （2）光程
对光波来说，其位相的变化，不仅与光波传播的几何路径有关，而且与光波传播的速度v有关，而光在媒质中的v?c，故与媒质的折射率有关，把光n波传播的几何路径r与媒质折射率n的乘积，称为光程，两列相干光波光程之差称为光程差，用?表示，即
引入光程的光程差的概念以后，可以把光在任意媒质中传播时位相的变化，都折算成光在真空中传播时位相的变化，大大简化了位相差的计算。同一时间内，光通过不同的介质虽然所走的几何路径不同，但光所走的光程相同。
使用薄透镜不会引起附加的光程差。 （3）相干加强或减弱的条件
相干结果是加强还是减弱（即相干相长还是相干相消），完全取决于干涉处两列光波的相位差??
??0为初相差。由相干光的产生方法可知??0?0，则????2???
所以上述条件用?表示时则为 （4）半波损失
光从光疏媒质射向光密媒质，又从光密媒质反射回光疏媒质时，反射光在反射面位相变?，相当于增加（或减少）了半个波长的附加光程，这种现象称为半波损失。
所谓光疏媒质和光密媒质，是由界面两侧媒质折射率的相对大小来决定的，n 较小的媒质叫做光疏媒质，n较大的媒质叫光密媒质。
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由于决定相干结果是加强还是减弱的是两列光波的光程差，故只有薄膜上、下两表面反射光之一有半波损失时，才在光程差中有??，如果上、下2表面的反射光都有（或都没有）半波损失，求差时互相抵消，则光程差不变。 2．几种干涉规律 （1）杨氏双缝干涉
以d表示双缝间的距离，D表示缝到观察屏的距离，很容易证明，与屏中心相距为x
处两束光的光程差为 ??dxD
则第k级明条纹到屏中心的距离为
则第k级暗条纹到屏中心的距离为
相邻的两个明条纹或两个暗条纹之间距离为
即杨氏双缝干涉的干涉条纹是明暗相间、等距离分布的。 （2）薄膜干涉
光由折射率n1的媒质以入射角射入折射率为n，厚度为e的薄膜，当反
2射光之一有半波损失时，则由薄膜上下表面反射的光波的光程差 当光线垂直入射时
其反射光干涉加强、减弱的条件为
此时对应不同的入射角i产生不同的干涉条纹，为等倾干涉。 （3）劈尖干涉
当单色光垂直入射到折射率为n，上下表面间夹角为?的劈尖时，干涉条纹是一系列平行于劈尖棱边的明暗相间的直条纹，由于同一明，暗条纹对应于劈尖上薄膜厚度相等的地方，故称为等厚干涉。 对于空气劈尖，其反射光干涉加强、减弱的条件为 因由半波损失，当e?0时，??（或暗条纹）处劈尖厚度差为 对于折射率为n的劈尖，则由
第 3 页 ?2，故劈尖顶端接触处为暗纹。相邻明条纹
相邻明（或暗）条纹间的距离l?（4）牛顿环
?en?n???n sin?2sin?2? 用单色光垂直入射平凸透镜的球面和平板玻璃的平面组成的折射率为n的媒质薄层时，可以观察到由一组明暗相间的同心圆环组成的干涉图样，称为牛顿环。当光线垂直入射，观察反射光干涉时，其干涉加强减弱条件仍为 因有半波损失，在环中心接触点将出现一个暗斑。干涉环纹的半径r?2Rr（R为球面半径），对应第k级明（暗）环半径为 式中?n??n，若媒质薄层为空气时n?1,?n??。
若观察透射光的干涉图样，由于两束透射光均无半波损失，故明暗干涉条纹位置与反射光恰好相反。牛顿环中心接触点为一个亮圆斑，劈尖棱边为明纹。
牛顿环产生的等厚干涉条纹是一组明暗相间、靠近中心稀疏、边缘密集的疏密不均匀的同心圆环。 四、难点辨析 1．杨氏双缝干涉
(1)由条纹间距：?x?xk?1?xk?D?，可见干涉条纹等距对称分布。且当?,Dd一定，d???x?，干涉谱清晰度 ?。
k??? (2)由????(2k?1)?2?明暗可见，当???k?，此时干涉谱向着光程增大的
一侧平移。
(3)对于一定的实验条件，d,D一定，当以白光或复色光入射时，由于波长不同，当入射光中?max的k级明纹与?min的k+1级明纹重叠时，将无法观察到清晰的干涉条纹。即 SkD?max(k?1)D?min?kD?max?(k?1)D?min，通过此式可求出不?ddePaiDABbb?n1n?C第 4 页
a?n2图8-1
重叠的级数。
2． 薄膜干涉中半波损失的问题
如图8-1在膜上下表面反射的两束相干光其光程差为：
?其中n?1，??等于或0，取决于光束在薄膜上、下表面反射时，是否
2存在半波损失）。①n1?n?n2，上、下表面的反射光均存在半波损失，② n1?n?n2，上、下表面的反射光均无半波损失，??取值0。③若n1?n，且n?n2下表面的反射光存在半波损失，或n1?n，且n?n2，上表面的反射光存在半波损失，??
?取值。
22 当2en2?n12sin2i?????）反射光加强，对应明纹中心 ?k?,(k?1,2,3,....
反射光减弱，对应暗纹中心?(2k?1)?,(k?0,1,2...)若为透射光干涉，如图为a?,b?两条光线相遇时相干，则半波损失问题与反射光恰好相反，故这两种干涉谱互补。
3．劈尖干涉中劈尖厚度、角度变化时，干涉谱的变化 (1)对于劈尖干涉，其条纹间距为?l???。如图 当劈尖厚度d增加时，2n?角随之增大，根据上式，条纹间距随?角增大而减小。
（2）当劈尖的上板向上平移时，由于在等厚干涉中，条纹的级数正比于膜的厚度可知:上板同一处，如图 所示a点，平移后为a?点，此处膜的厚度增大，因此a点处的干涉条纹级数k将增加。整体来看，上板平移后，干涉条纹向左平移。
（3）可利用上述劈尖干涉特点，用来检查工件的平整度。如图 ，劈尖上板为标准件，下板如果有缺陷，干涉条纹将发生弯曲。如图 所示，若下板凸起，则干涉条纹弯向高一级条纹；下板有凹陷，则干涉条纹弯向低一级条纹。
五、典型例题分析与解答
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