目录
第1章 概述
1.1 什么是光干涉
1.2 产生干涉的必要条件
1.3 非相干光 - 自发辐射无法产生干涉
1.4 相干光 - 受激辐射
1.5 时间相干性
1.6 空间相干性
它山之石
第1章 概述
1.1 什么是光干涉
它是指因两束光波相遇而引起光的强度重新分布的现象。
指两列或两列以上的波在空间中重叠时发生叠加,形成新的波形现象。
这是从光是一种波(即波动性)的角度来解释干涉现象,对于两束电磁波的干涉,我们也可以将其描述为:彼此振动的电场强度向量叠加的结果。
而在实验中,光会体现出一种波粒二象性,即光是一种概率波。当光的粒子数密度极高(或数量极高),且探测仪器分辨本领远低于一个光子的能量时,则可以看做是经典电磁波,遵循麦克斯韦方程组。因此,从光的粒子性角度来描述干涉,就是:光的干涉也是光子自身的概率幅(probability amplitude,描述粒子的量子行为的复函数)叠加的结果。
虽然光在某种程度上表现出粒子性,但是在当前(二十一世纪初)以干涉术为手段的量测手段中,我们大多数情况下只考虑光的波动性,即以光是电磁波为主的几何光学原理作为参考。
在波恩与沃尔夫的《光学原理:光的传播、干涉和眼内设的电磁理论》书中,通过一段实验上的现象描述引入干涉的概念:
例如,如果用适当的仪器把光源来的光分成两束,然后把他们叠加起来,就会发现叠加区域中的强度在极大与极小之间逐点变化:极大超过二光束强度之和,极小可能是零。这种现象称为干涉。
1.2 产生干涉的必要条件
频率相同/波长相同电磁场振动方向相同相位差恒定两光波光程差小于波列长度相干波路径间距小于相干长度1.3 非相干光 - 自发辐射无法产生干涉
自发辐射的结果:
频域:有一定的频谱宽度时域:幅度呈现不规则变化
1.4 相干光 -受激辐射
受激辐射过程:
电子从激发态向基态跃迁不是自发形成的,而是由外界光子照射引起,并且照射光子的能量与两种能态的能量差相等。
随跃迁产生的新光子的相位与激励源光子的相位相同,因而具有相同能量和相位的光子数得到放大。如果进一步用谐振器增加反馈,就会引起相同相位的激光震荡,这样就可以得到接近为正弦波的电磁波,这种光即为相干光(coherent light)。
相干辐射的结果:
频域:频谱很窄时域:幅度呈现规则变化聚光性:
在透镜系统中,非相干光用透镜聚光,因产生辐射的位置独立且不相同,仅能在透镜焦点形成虚像。而相干光用透镜聚光,因产生光子为等相位面且相互平行,可在透镜焦点聚焦为波长大小的点。
时间相干性 Temporal coherence:光的振幅变化作为时间的一元函数所观察到的现象。空间相干性 Spatial coherence:光的振幅也是在空间坐标系中的函数。
而光作为一种电磁波,其振幅也是在空间坐标系中的函数,因此也存在空间相干性。
1.5 时间相干性
光波在一定光程差下能够发生干涉,把光通过相干长度所需的时间称为相干时间。
同一光源在相干时间Δt内不同时刻发出的光,经过不同几何路径相遇时能产生干涉,这种干涉性称为时间相干性。
举例:一道光对观察者迎面而来,若是在同一位置、但不同时间点,由观察者所量的波长都一致,那么就表示这道光在这段时间内具有良好的时间相干性。
即干涉实验中,光屏沿光线方向平移,光屏上某一固定点上产生的周期性明暗变化,体现干涉光束间的时间相干性。典型范例就是在相位移术中,通过逐步改变待测物与参考面间的光程差获得的干涉条纹,用“距离位移换取时间位移”(“时间位移转化为距离位移”)的方式获得的干涉现象:
关于相位移术,参考大佬文章:
三言两语说「相移」,四步相移的前世今生259 赞同 · 51 评论文章
时间相干性高,表明光的波长成分较为单一,即光的单色性高/带宽小/频宽小。
光源的单色性指:光源具有很小的光谱宽度Δλ或频宽Δf。
而较大频宽/带宽/多色成分构成的光,每个波长组分的光其产生的干涉条纹相位周期不一样,即条纹间隔不一,因此相互叠加使可见度(visibility)降低,具有较小的时间相干性。干涉条纹只存在于较小的光程范围内,在波长组分的公倍数距离处附近会形成干涉波包,这便是白光干涉的原理,利用白光光源短相干性、产生干涉波包的特点来进行干涉仪量测。
1.6 空间相干性
杨氏双缝干涉中,扩展光源照射挡板,若通过挡板上两点(,S1,S2两孔)的光在空间内相遇时能发生干涉,则称通过这两点的光具有空间相干性。
这里需要解释以下扩展光源的概念:实际光源有大小之分而非绝对标准的点光源,称为扩展光源,扩展光源被视为许多点光源的集合。
举例:两观察者左右相隔一段距离,于不同位置面对同一迎面而来的光波,分别量测该光波之波长,若包含两名观察者间的任一位置都能量得相同波长,则表示此光波在这两名观察者间具有良好的空间相干性。
即干涉实验中,光屏位置固定,光屏水平面上的条纹分布具有周期性的明暗变化,体现干涉光束间的空间相干性。典型范例就是在杨氏双缝干涉中的干涉条纹,其光屏平面上分布的的条纹:
它山之石
干涉术:光的干涉原理 - 知乎