光的干涉和衍射

一、光的干涉1、相干條件------能在長時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉現(xiàn)象的條件（1）兩光波頻率相同（2）兩光波的位相差恒定（3）兩光波的振動(dòng)方向不互相垂直（一般以電場的振動(dòng)方向作為光波的振動(dòng)方向）光的干涉和衍射2、干涉條紋LS1S2dXSr1r2P?觀察屏上的光強(qiáng)分布光程差：其中-------位相差圖示：光強(qiáng)的分布或時(shí)或時(shí)3、實(shí)現(xiàn)干涉的途徑將一個(gè)光源的一束光波分割成兩束或多束，使其重新相互交會(huì)，在交會(huì)區(qū)域可能產(chǎn)生干涉條紋.波前分割法振幅分割法光波的分割方法將光源發(fā)出的波前分成兩部分（或多部分），使它們各自經(jīng)歷不同路程后再相交，在相交區(qū)域產(chǎn)生干涉。將同一光源發(fā)出的波列，利用振幅分解的方法，分解成兩個(gè)或兩個(gè)以上的相干波列。光的反射和折射是天然地實(shí)現(xiàn)振幅分解的方法。（1）波前分割法

楊氏雙孔（雙縫）干涉SS1S2菲涅爾雙面鏡菲涅爾雙棱鏡羅埃鏡比累對剖透鏡（2）振幅分割法—薄膜干涉（A）薄膜表面的反射和折射nn’aatarnn’aat’ar’反射系數(shù)

透射系數(shù)（r和r’代表上下表面的振幅反射率，由于r和r’絕對值相等，所以以后就不再區(qū)別r和r’）(t和t’代表上下表面的振幅透射率）圖示：薄膜表面的反射和折射透明薄膜的反射光干涉主要為1

和2之間的雙光束干涉同樣，透射光的干涉也為雙光束干涉半波損失

兩個(gè)反射光波之間的光程差qiABCnn’n’aaratt’rtDi（B）薄膜干涉的規(guī)律a.反射光的干涉（光從光疏介質(zhì)射到光密介質(zhì)界面反射時(shí)，有位相π的突變，即有半波損失）干涉亮條紋：干涉暗條紋：b.透射光的干涉

qABCnn’n’aattr’2att’tD兩透射光波之間的光程差：無半波損失

干涉亮條紋：干涉暗條紋：薄膜干涉光程差決定于膜厚、傾角qnaaratt’rtnaattr’2att’tq等傾等厚（C）分振幅干涉的兩種類型-------等厚干涉和等傾干涉a.等厚干涉牛頓環(huán)兩平板玻璃間形成的劈形膜---傾角q

恒定只決定于膜厚同級干涉條紋由相同厚度處的兩光束形成圖示：利用Newton環(huán)原理檢測工件表面等厚干涉應(yīng)用之一圖示：平板平整度的檢測條紋？？條紋條紋等厚干涉應(yīng)用之二b.等傾干涉---膜厚t

恒定

只決定于入射角，同一級干涉條紋由相同入射角的光束干涉形成?邁克爾遜干涉儀振幅分割型雙光束干涉儀；許多現(xiàn)代干涉計(jì)量儀器的基礎(chǔ)。M1M2M2’BCtPθ空氣層光程差位相差圖示：Michelson干涉儀的光路面光源照明分束板補(bǔ)償板Michelson

干涉條紋

時(shí)：等厚干涉條紋1）M1

很靠近M2’時(shí)2）M1

離開M2’較遠(yuǎn)時(shí)等傾,等厚混合條紋同心圓環(huán)等傾干涉條紋M1M2M2’BCtPθ等傾條紋等厚+等傾條紋圖示：Michelson干涉儀的條紋形狀二、光的衍射?除了干涉現(xiàn)象外，衍射現(xiàn)象也是波動(dòng)特有的屬性。?當(dāng)一個(gè)波在傳播中遇到障礙物時(shí)，會(huì)繞過去繼續(xù)傳播，如聲音透過門縫，河里的水波穿過涵洞，這種不遵從直線傳播規(guī)律的繞射現(xiàn)象就是波的衍射。?當(dāng)障礙物的尺寸小到與波長可比擬時(shí)，衍射現(xiàn)象明顯。?光波長很短，光的衍射在障礙物很小時(shí)才易于觀察到。?衍射的分類菲涅爾衍射：光源或觀察屏靠近衍射屏?xí)r夫瑯和費(fèi)衍射：光源和觀察屏離開衍射屏很遠(yuǎn)菲涅爾圓孔衍射--------通過孔的波帶數(shù)為偶數(shù)時(shí)，中心是暗斑菲涅爾圓屏衍射--------泊松亮點(diǎn)圓孔的夫瑯和費(fèi)衍射-------愛里斑大小與衍射孔徑成反比單縫的夫瑯和費(fèi)衍射-------中央衍射區(qū)寬度與縫寬成反比演示：一維光柵、正交光柵和蜻蜓眼睛光柵的衍射三、全息照相

1948年，英國物理學(xué)家伽柏發(fā)明全息術(shù)，獲得1971年Nobel物理獎(jiǎng)。直到1960年激光出現(xiàn)后，因它的高度相干性和強(qiáng)度大，為全息照相提供了十分理想的光源，從此全息技術(shù)的研究進(jìn)入了一個(gè)新階段。如今，全息照相理論被推廣到許多應(yīng)用領(lǐng)域，如全息顯示、全息光學(xué)元件、全息干涉計(jì)量等。全息照相的再現(xiàn)過程全息照相的記錄過程1、全息照相的基本原理全息照相的理論實(shí)質(zhì)上是一種廣義的雙光束干涉和衍射理論的應(yīng)用。全息照相的過程分為記錄和再現(xiàn)兩步。圖示：普通照相過程全息照相過程2、全息照相的特點(diǎn)：要求相干光源、特殊底片和防震工作臺。普通照相全息照相以幾何光學(xué)的規(guī)律為基礎(chǔ)以干涉、衍射等波動(dòng)光學(xué)的規(guī)律為基礎(chǔ)記錄的只是光強(qiáng)信息記錄的是振幅和位相信息得到的是物體的二維平面像再現(xiàn)時(shí)得到的是物體的三維立體像底片記錄的是物體的平面像，不需再現(xiàn)就可看到像底片記錄的是干涉條紋，需再現(xiàn)才能看到像，且有一實(shí)一虛兩個(gè)像感光底片分辨率較低，約100條/mm全息底片分辨率高，要大于1000條/mm可重復(fù)曝光，一張底片可記錄多幅像曝光時(shí)間短曝光時(shí)間較長，一般需幾十秒甚至更長照片不具分割性照片具有分割性一張底片只記錄一幅像3、全息圖的幾種類型（1）菲涅爾全息：記錄平面位于物體衍射光場的菲涅爾衍射區(qū)，即物光直接照在記錄底片上。必須用相干光再現(xiàn)，且全息圖具有分割性（2）體全息：記錄介質(zhì)較厚，物光和參考光在介質(zhì)內(nèi)干涉形成三維結(jié)構(gòu)。再現(xiàn)時(shí)，只有當(dāng)入射角滿足布喇格條件時(shí)才能得到一個(gè)再現(xiàn)像?？梢杂冒坠庠佻F(xiàn)（3）像面全息：物體靠近記錄介質(zhì)平面或利用成像系統(tǒng)使物體成像在記錄介質(zhì)平面附近所得到的全息圖?？梢杂脤拵Ч庠椿虬坠夤庠磥慝@得再現(xiàn)像（4）彩虹全息：利用成像系統(tǒng)，并在記錄光路的適當(dāng)位置加一狹縫，沒有像面與記錄介質(zhì)平面的距離要小的限制。再現(xiàn)時(shí)，觀察的像將受到狹縫像的限制。用白光再現(xiàn)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)全息圖，看到的像的顏色變化猶如彩虹?？梢杂冒坠庠佻F(xiàn)，并可大量模壓復(fù)制，在全息顯示、商品防偽中有重要的價(jià)值另外，還有計(jì)算全息圖、傅里葉變換全息圖等。4、全