剖析光学之光的干涉(上)
光的干涉(第1讲)详解
S
d S2 r
r2
O
d
暗纹中心坐标： d x = (2 k +1) 2d (k=0,1,2,) 0级,1级暗纹 (11-3)
明纹 暗纹
d x = k d P ( k =0,1,2, ) d x = (2 k +1) 2d B r1 S
复色光： 具有多个波长(频率)的光。: 1～2
激光的单色性最好！ 如何获得单色光？
E S
2．光的干涉条件
频率相同；E 的振动方向相同； 相差恒定。
普通光源发出的光一般不能满足干涉条件。
3. 获得相干光的方法 对实验仪器的要求： ① 两束相干光取自同一波列：“一分为二”
② 光波的波程差小于波列长度。
理论：(1) 牛顿的微粒说： 光是按照惯性定律沿直线飞行的微粒流。
u水 u空气
(2)惠更斯的波动说： u水 光是在特殊媒质“以太”中传播的机械波。 此间微粒说占据统治地位。
u空气
三．波动光学时期 (19世纪)
实验： 光的干涉(杨-英) 光的衍射(费涅耳-法)。 此间波动 理论： 麦克斯韦建立电磁场理论，指出光也是电磁波。说占主导 地位。 赫兹证实电磁波的存在；并测出光速。 确定光不是机械波 四．量子光学时期(19世纪后期——20世纪初) 普朗克提出能量量子化假说 爱因斯坦提出光量子假说 认为： 光是以光速运动的粒子流。 光到底是什麽？ ， 光也是物质的一种 它既具有波的性质、也具有粒子的性质。 它既非波、也非粒子、更不是两者的混合物。它就是它自己！
电磁波动说在解释“热幅射”及“光电效应”等实验时遇到困难。
在某些条件下，波动性表现突出，在另一些条件下，粒子性
光的干涉和衍射
光的干涉和衍射光的干涉和衍射是光学中重要的现象，揭示了光波的性质和传播规律。
本文将详细介绍光的干涉和衍射的概念、原理以及应用。
一、光的干涉光的干涉是指两个或多个光波相遇时产生的干涉现象。
干涉效应使得不同波峰和波谷相遇时产生增强或减弱的现象。
这一现象的解释可以借助波动理论来说明。
光的干涉可分为两种类型：干涉现象和干涉条纹。
干涉现象是指两束光波相遇后出现交替明暗的效果。
而干涉条纹则是在干涉现象下产生的一组明暗相间的亮纹和暗纹。
光的干涉现象和干涉条纹可通过杨氏双缝干涉、杨氏单缝干涉等实验来观察和研究。
这些实验揭示了光的波动性质和干涉规律，丰富了光学理论。
二、光的衍射光的衍射是指当光线遇到一个垂直方向上有小孔或者细缝时，光线通过小孔或缝隙后会发生偏折并扩展到周围空间的现象。
光的衍射同样可以利用波动理论来解释。
当光波通过小孔或细缝时，波前会发生变形，并以波纹状扩散出去，形成衍射现象。
光的衍射是光学中重要的现象之一，其应用广泛。
例如，天空中的彩虹就是光的衍射现象。
同时，光的衍射也是显微镜、望远镜等光学仪器中必须考虑的因素。
三、光的干涉和衍射的应用光的干涉和衍射在科学研究和技术应用中起到重要作用。
下面将介绍其中几个应用。
1. 干涉测量：基于光的干涉现象，可以实现高精度的测量。
例如，激光干涉仪可用于测量物体的位移和形状变化，广泛应用于制造业、建筑等领域。
2. 衍射光栅：衍射光栅是一种利用光的衍射现象制造的光学元件。
它可以将入射的光波分散成不同的波长，应用于光谱学、光通信等领域。
3. 干涉滤光片：干涉滤光片利用光的干涉现象，通过多层膜膜层的透射和反射，实现对特定波长的滤除或增强。
它在光学仪器、摄像、显示技术等方面有广泛应用。
4. 衍射成像：衍射成像是一种基于光的衍射现象的成像技术。
例如，在X射线衍射成像中，通过分析样品衍射的图样，可以得到样品的结构信息。
综上所述，光的干涉和衍射是光学中重要的现象，揭示了光波的性质和传播规律。
光学中的干涉原理
光学中的干涉原理光学是研究光的传播、反射、折射、干涉、衍射等现象的科学。
干涉是光学中的一个重要现象，指两束或多束光线相遇时互相影响的现象。
光的干涉是利用光波的波动性质，通过相消或者相长等运动状态，实现对光强度或者相位的调节。
在光学中，干涉原理是重要而基础的概念之一。
一、光的干涉原理（一）干涉光束形成条件在光的干涉现象中，需要满足两束或多束光线相遇时，其光程差相等的条件，才能达到扰动的合成或抵消。
光程差是指两束光线从不同的发射点到达相遇点所走的路径长度之差。
（二）厚膜干涉原理当一个薄膜或者透明介质被光照射时，光线在薄膜两侧的介质中传播时，波长和速度的差异导致了光程差，从而引起干涉现象。
对于平行垂直于入射面的两束光线，其光程差可以用以下公式表示：d=2tcosθ其中，d是光程差，t是薄膜的厚度，θ是两束光线入射角。
（三）牛顿环干涉原理牛顿环是一种环形干涉条纹图案，由牛顿于17世纪利用两片光学仪器中的透镜与凸面镜制作而成。
在这种干涉现象中，通过一个凸透镜和一个玻璃平面之间留下的空气隙，光线在空气与玻璃之间的反射和透射过程中产生干涉现象，从而形成环形条纹。
二、干涉现象在实际应用中的意义（一）光学干涉仪光学干涉仪是一种利用光的干涉现象测量物体表面形状的仪器。
光学干涉仪利用干涉仪对光的相位及其变化进行检测，利用光程差的变化，可以测量物体表面形状、薄膜厚度、光学元件的表面形态等。
（二）激光干涉测量激光干涉测量是一种利用激光的光波干涉原理，对物体表面上形状及表面透明度的变化进行测量的科学方法。
由于激光光源具有高亮度、单色性等特点，能够在远距离进行高精度的测量，因此在工业生产领域得到广泛应用。
（三）衍射干涉衍射干涉是女士光学中的一种重要的干涉现象，指光线通过物体出现衍射现象并且发生干涉。
这种干涉现象在显微镜、分光镜等装置中得到了广泛应用。
三、结语在现代光学中，干涉现象已经被广泛应用在各种领域，例如测量、显微镜、光学元件、激光制造等方面。
理解高考物理中的光的干涉现象及其应用
理解高考物理中的光的干涉现象及其应用高考物理是考生们备战高考不可忽视的一科，其中光学部分是考生们需要重点复习的内容之一。
在光学中，光的干涉现象是一个重要的概念，也是高考中可能涉及的一个重要考点。
理解光的干涉现象及其应用，对于解答相关考题具有重要意义。
一、干涉现象的理解在物理学中，干涉是指两束或多束光相互作用产生干涉现象的现象。
光的干涉现象发生的条件是光的波长相近，光程差符合一定的条件。
常见的光的干涉现象有干涉条纹、黑暗条纹、彩色环等。
干涉是波动理论的一个重要应用，它体现了光的波动特性。
干涉现象的解释可以使用波动光学理论，如双缝干涉实验中的杨氏干涉理论，或使用光的波动和粒子性质相结合的量子光学理论。
二、常见光的干涉现象及其应用1. 杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉实验证明了光具有波动性质。
通过射入平行光线照射到一块有两条很窄缝的屏上，通过观察屏幕上出现的干涉条纹，可以证明光的干涉现象。
杨氏双缝干涉的应用非常广泛。
例如，通过精确地控制双缝的宽度和距离，可以使用杨氏双缝干涉装置来测量光的波长；还可以通过调整透过的光束相位差来制造出特定的干涉图案，用于光学元件的检验和校准。
2. 牛顿环干涉牛顿环干涉是由一块平凸透镜和一块玻璃片之间的空气薄膜引起的。
当平凸透镜的一侧与玻璃片接触，另一侧与空气接触时，在两者之间形成了一系列的同心圆环。
牛顿环干涉的应用包括测量光的波长、检测透镜的曲率、测量液体的折射率等。
3. 薄膜干涉薄膜干涉是指光在两个介质之间透过一薄膜时发生的干涉现象。
常见的薄膜干涉现象有菲涅尔双透射、斜入射等。
薄膜干涉在实际应用中有很大的价值。
例如，光学薄膜的设计和制备是光学仪器、光学元件和一些光学设备制造的关键技术之一。
通过控制薄膜的厚度和折射率，可以实现对光的反射和透射的特殊要求，用于制造滤光片、反射镜、透明导电薄膜等。
三、如何理解和掌握光的干涉现象1. 理论知识的学习理解干涉现象的基本理论知识是掌握干涉现象的前提。
光的干涉现象
光的干涉现象光的干涉现象是光学中重要而又有趣的现象之一。
它揭示了光的波动性质，并深化了人们对光的理解。
本文将通过对光的干涉现象的介绍和实例分析，探讨其原理、应用以及对科学研究和技术发展的影响。
一、光的干涉现象简介光的干涉现象指的是两束或多束光波相互叠加产生的干涉条纹现象。
当两束光波的相位差满足某一特定条件时，它们在空间中会相互干涉。
干涉的结果是光的强弱发生变化，形成了明暗相间的条纹。
在光的干涉现象中，存在两种类型的干涉：同态干涉和非同态干涉。
同态干涉是指两束来自同一光源的光波相互叠加产生的干涉现象，如杨氏双缝干涉和牛顿环等。
非同态干涉是指两束或多束不同光源的光波相互叠加产生的干涉现象，如薄膜干涉和透明薄板干涉等。
二、光的干涉现象原理光的干涉现象可以用波的叠加原理解释。
当两束光波相遇并叠加时，它们的电场强度相互叠加，形成一个新的电场强度分布。
而光的亮暗程度与电场强度的平方成正比，因此，新的电场强度分布也决定了光的亮暗程度。
在同态干涉中，双缝干涉是最典型的实例。
当一束光通过一个有两个细缝的屏幕时，射到屏幕后，光波会分成两束继续传播。
这两束光波在屏幕后再次相遇并叠加，产生干涉现象。
干涉的结果是在屏幕上形成一系列明暗相间的条纹，称为干涉条纹。
三、光的干涉现象应用光的干涉现象在科学研究和技术应用中具有重要意义。
以下是一些常见的应用。
1. 干涉测量：利用光的干涉现象，可以进行高精度的测量。
例如，通过测量干涉条纹的间距和光波的波长，可以计算出被测物体的长度或形状。
2. 光学薄膜：通过在透明介质表面上涂敷一层薄膜，可以利用薄膜的干涉现象来改变光的反射和透射性质。
这在光学元件的设计和制造中有广泛的应用。
3. 涡旋光：涡旋光是一种具有自旋角动量的光。
通过制造特殊形状的相位板，可以实现光的幅度和相位的分离，产生具有涡旋光性质的光束。
涡旋光在光学通信和光学显微镜等领域有重要应用。
4. 光学干涉仪器：干涉仪器是利用光的干涉现象设计和制造的仪器。
光学知识点光的干涉与衍射
光学知识点光的干涉与衍射光学知识点：光的干涉与衍射在光学的奇妙世界中，光的干涉与衍射是两个极为重要的现象。
它们不仅让我们对光的本质有了更深入的理解，也在众多领域有着广泛的应用。
光，作为一种电磁波，具有波粒二象性。
而光的干涉和衍射现象，正是光波动性的有力证明。
先来说说光的干涉。
当两列或多列光波在空间相遇时，如果它们的频率相同、振动方向相同，并且在相遇点的相位差恒定，就会发生干涉现象。
简单来说，就是光波相互叠加，导致某些区域的光强增强，而另一些区域的光强减弱。
最经典的光干涉实验当属杨氏双缝干涉实验。
在这个实验中，一束光通过两条相距很近的狭缝，在屏幕上形成了明暗相间的条纹。
这是因为从两条狭缝射出的光就像是两个相干光源，它们在屏幕上相遇时发生了干涉。
在实际生活中，光的干涉有着许多应用。
比如，在光学精密测量中，利用干涉原理可以精确测量长度、角度等物理量。
干涉显微镜就是一个很好的例子，它能够检测出微小的表面形貌差异。
再谈谈光的衍射。
光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，会偏离直线传播的路径，在障碍物的几何阴影区域内出现光强分布不均匀的现象，这就是光的衍射。
衍射现象的产生可以用惠更斯菲涅耳原理来解释。
这个原理认为，波阵面上的每一点都可以看作是一个新的次波源，这些次波源发出的次波在空间相遇时相互叠加，从而形成了衍射图样。
单缝衍射是一种常见的衍射现象。
当一束平行光通过一个宽度有限的单缝时，在屏幕上会出现中央亮纹最宽最亮，两侧对称分布着明暗相间的条纹。
光的衍射在许多方面也发挥着重要作用。
比如，在光学仪器的设计中，必须考虑衍射效应，以提高仪器的分辨率。
衍射光栅则是利用衍射原理来分光的重要器件。
光的干涉和衍射既有相似之处，又有不同点。
相似之处在于，它们都是光的波动性的表现，都涉及到光的叠加和能量的重新分布。
不同之处在于，干涉通常是两列或多列光波的叠加，而衍射则是光波自身遇到障碍物或孔隙时发生的弯曲和展宽。
要深入理解光的干涉和衍射，还需要从数学的角度进行分析。
物理光学中的干涉现象
物理光学中的干涉现象在物理学中，干涉是指两个或多个相同或不同的波在空间重合时相互影响的现象。
物理光学中的干涉现象是指光波在空间中重合时相互影响产生的现象。
光的波动性是物理光学中的基础，干涉现象的产生与这一性质密切相关。
一、基本原理所谓干涉，是指光波在空间中相遇时发生的相互作用。
当光波单色、同向、同相干时，它们在某些点上或某些区域内相加会产生干涉。
干涉现象的基本原理可以通过双缝干涉实验加以说明。
双缝干涉实验通常采用的是一束单色光通过两个互相平行、与光波传播方向垂直的狭缝后，形成干涉条纹的现象。
在特定位置，两个狭缝出射的光波重迭，产生干涉现象。
二、干涉现象的表现形式物理光学中的干涉现象主要表现为干涉条纹、牛顿环、等厚干涉等形式。
在实际应用中，干涉现象被广泛应用于电视机、摄影、激光等领域。
1、干涉条纹干涉条纹是光波通过两个狭缝产生干涉现象的表现形式之一。
双缝干涉实验可以明显观察到干涉条纹的现象。
在干涉条纹区域，光的强度和颜色随着空间位置的变化而发生变化，呈现出一定的规律性。
2、牛顿环牛顿环是光波在透明介质表面重迭产生干涉的现象。
在牛顿环实验中，一块透明的平凸透镜与一块玻璃片组成一对具有透明的、光学质量相同的半球体，使双方接触，形成一个随半球体的半径二次变化，由圆环组成的形状。
3、等厚干涉等厚干涉是指等厚度的介质体对光线的透射和反射引起的干涉现象。
当光线沿着光线图中任意一条路径从空气经过等厚度介质区域，再退回空气中时，在两条路程上的光波相遇会出现干涉现象，反射的光波与透射的光波之间也会出现干涉现象。
三、应用领域干涉现象在实际应用中有着广泛的应用。
实际中，光学干涉现象被应用于电视机等彩色显示器，晶体振荡器，高质量光学元件的制造等众多领域。
1、电视机彩色显示器彩色显示器采用了光学干涉原理，利用三个不同颜色的像素点光波的不同光程差，结合干涉现象将不同颜色的光波混合，实现画面的精美和清晰。
2、晶体振荡器晶体振荡器中，利用晶体对电磁波的吸收和放射来产生电信号，借助反射的特性进行干涉，选择合适的波长，实现精确的振荡。
光的干涉-精品文档
02
光的干涉条件
相干光条件
同一波源
01
干涉光必须来自同一波源，这样波源的相干性会影响干涉条纹
的质量。
频率相同
02
来自同一波源的光线必须具有相同的频率，否则它们将无法产
生干涉。
相位差恒定
03
来自同一波源的光线必须具有恒定的相位差，这意味着它们的
振动方向必须相同。
干涉条纹条件
稳定的干涉条纹
为了获得清晰的干涉条纹，需要 确保光线经过的路程差是恒定的 ，这意味着需要使用稳定的实验 装置和精确的控制光源。
相间的干涉条纹。
应用
分振幅干涉在光学实验、光学测 量等领域也有着广泛的应用，如 测量光学表面的形状、光学元件
的精度等。
迈克尔逊干涉仪
01
定义
迈克尔逊干涉仪是一种利用分振幅干涉原理测量光学表面形状和光学元
件精度的干涉仪。
02 03
原理
迈克尔逊干涉仪通过将一束光波分成两束相干光波，分别经过反射镜后 再次相遇，形成明暗相间的干涉条纹。通过测量干涉条纹的变化，可以 推算出光学表面的形状和光学元件的精度。
光线的平行性
为了使干涉条纹更加明显，需要确 保光线具有平行性，这可以通过使 用聚焦透镜或高亮度的光源来实现 。
03
光的干涉类型
分波面干涉
定义
应用
分波面干涉是指两束或多束相干光波 在空间某一点叠加时，形成明暗相间 的干涉条纹的现象。
分波面干涉在光学实验、光学测量等 领域有着广泛的应用，如测量光学表 面的形状、光学元件的精度等。
全息干涉实验
实验原理
全息干涉实验是一种利用全息技术实现的干涉实验，通过 将一束光分成两束相干光波，然后在全息底片上记录它们 之间的干涉图样。
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剖析光学
——光的干涉（上）
学习任务： 1、光是电磁波 2、光的波动性 3、双光束干涉 4、多光束干涉
1、光是电磁波
19世纪，杨氏和菲涅尔的著作使初步发展起来的波动理论形成体系，光的波动理论既能说明光的直线传播，也能解释光的干涉和衍射现象，并且横波的假设又可以解释光的偏振现象，但此时仍把光的波动看做是在“以太”中的机械波。
（1）光是电磁波
19世纪70年代电磁波被发现，电磁波具有发射、折射、干涉、衍射、偏振等现象，在真空中的传播速度0
01
με=
c 。
光波同样具有发射、折射、干涉、衍射、偏振等现象，且在实验误差允许范围内，光在真空中的传播速度c v =。
所以光波是某一波段的电磁波。
（2）光的折射率
在介质中电磁波的传播速度r
r c
v με=
，电磁波在介质中的折射率
r r v
c
n με==。
光属于电磁波，且在光频波段1=r μ，所以光的折射率r n ε=。
（3）光的强度
电磁波的平均能流密度2
20H E S 或∝ 引起光效应的主要是电场强度，所以光的平均能流密度（光的强度）20E S ∝
2、光的波动性
各种波所具有的共性就是波动性，波动性大致包含以下三个特性：独立性、叠加性、干涉性。
（1）独立性
从几个振源发出的波相遇于同一区域时，各自保持自己的特性，按照自己原来的传播方向继续前进，彼此不受影响。
（2）叠加性（位移的叠加） 在相遇区域内，介质质点的合位移是各波分别单独传播时在该点所引起的位移的矢量和。
（3）干涉性（振动的叠加）
由于波振动的叠加，而引起强度的重新分配。
这里我们要说明：只要有振动叠加，就会有强度的重新分配（原因），而干涉现象是我们观察到的强度重新分配的现象（结果）。
没有观察到干涉现象不能代表没有强度的重新分配，也不能代表没有发生振动叠加，只代表这两列波不相干。
a. 振动的叠加
两个频率相同、沿同一直线的电磁振动，假设其做简谐振动：
)cos(111ϕω+=t A X )cos(222ϕω+=t A X
合成的电磁振动：
t A A t A A t t A t t A t A t A X X X ωϕϕωϕϕϕωϕωϕωϕωϕωϕωsin )sin sin (cos )cos cos ()sin sin cos (cos )sin sin cos (cos )
cos()cos(22112211222111221121+-+=-+-=+++=+=令：2211cos cos cos ϕϕϕA A A +=
2211sin sin sin ϕϕϕA A A +=
所以：
)
cos(sin sin cos cos ϕωωϕωϕ+=-=t A t A t A X
振动的强度正比于振幅的平方
)cos(2)sin ()cos (12212
221222ϕϕϕϕ-++=+=A A A A A A A
但人眼实际观察到的是在较长时间内的平均强度，合振动的平均强度：
⎰
⎰
⎰
-++=-++=
=
=τ
τ
τ
ϕϕτ
ϕϕτ
τ
122
12
2210
122122210
22)cos(1
2)
cos(21
1
dt
A A A A A A A A dt A A S
能不能观察到干涉现象取决于式中最后一项⎰
-τ
ϕϕτ
122
1)cos(1
2dt A A
㈠如果两个电磁振动的初相位始终保持不变，则它们的相位差不随时间改变：
)cos(
2122122212ϕϕ-++==A A A A A S 上式中最后一项被称作干涉项，因为： ⑴如果,...)3,2,1,0(212==-j j πϕϕ
则221)
(A A S += 合振动平均强度达到最大值，称为干涉相长；
⑵如果,...)3,2,1,0()1212=+=
-j j πϕϕ（
则221)
(A A S -= 合振动平均强度达到最小值，称为干涉相消。
㈡如果两个电磁振动的初相位各自独立地做不规则的改变，则 0)c os(
10
12=-⎰τ
ϕϕτ
2
2212A A A S +==
合振动平均强度等于分振动强度之和。
b.波的叠加
在讨论了电磁振动叠加的基础上，就可以进而讨论光波的叠加问题。
设从空间m 、n 两定点发出两个电磁波，它们的运动学方程分别为：
])(cos[])(cos[022
22011
11ϕωϕω+-
=+-=v x
t A Y v x
t A Y
此后当两列波同时到达空间另一定点p 时，p 点的振动如下：
]
)(cos[])(cos[022
222
011
1
11ϕωϕω+-=+-=v r
t A E v r t A E
点的距离、点到是、n m p r r 21
波在某点的强度也就是波在该点所引起的振动的强度，p 点的合振动为：
)cos(ϕω+=t A E
)cos(22122212ϕ∆++=A A A A A
）
（）
（）
（（4)
(23)
()(22)(])([)02010201112202
011122022
20111
ϕϕδλ
πϕϕλπ
ϕϕωϕωϕωϕ-+=-+-=
-+-=+--+-
=∆r n r n v r
v r v r t v r t 由第2式到第3式我们用到关系式λ
π
πωc
v 22==
折射率和路程的乘积称为光程，
表示
就是光程差，用点的光程点到、是、所以表示，用δ11222211;
r n r n p n m r n r n nr -=∆∆ 波在某点的强度也正比于振幅的平方，在振动的叠加中有关的平均能流密度
（平均强度）的公式也适用于波动，则：
dt A A A A A I )(cos 20
212
2212ϕτ
∆++==⎰
所以波在p 点的强度取决于两列波在p 点的相位差ϕ∆。