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相干光物理学

相干光一切发光的物体统称为光源，如太阳、白炽灯、钠光灯和激光器等。按光的性质不同，光源可分为普通光源和激光光源；按光源的大小不同，光源可分为点光源、线光源和面光源等。光波是一种电磁波，它是横波，由两个相互垂直的振动矢量（电场强度E和磁场强度H）来表征。在光波中，对人的眼睛和感光仪器起作用的主要是电场强度E，因此，我们把E矢量称为光矢量，光矢量的振动称为光振动。光波中，可见光的波长范围在400～760nm之间，波长大于760nm的为红外线，波长小于400nm的为紫外线。

1.1光的相干性我们把能产生干涉现象的光称为相干光。根据波动知识可知，两束相干光应同时满足三个条件：频率相同、振动方向相同、相位差恒定。对于普通光源发出的光波，相干条件不容易满足，这是由普通光源的发光机理决定的。普通光源对外辐射出光波有两个特点：（1）每个分子或原子的辐射是间歇的、无规则的，每次辐射的时间很短，大约为10–10～10–8s，所以，每次只能发出一个有限长的波列；（2）每个分子或原子的发光是各自独立的，彼此之间没有关联，具有随机性。因此，同一分子或原子先后发出的各波列之间，以及不同分子或原子在同一时刻发出的各波列之间，在频率、振动方向及相位上都没有联系。由上述分析可知，两个普通光源或同一普通光源的两个不同部分发出的光，不会发生干涉。

1.2获得相干光的方法1．分波面法如下图所示，单色光照射到屏上小孔S，S可视为一个点光源，它发出的球面波的波面被另一个屏上的两个小孔S1和S2分割由惠更斯原理可知，S1和S2可视为发出子波的新波源。因这两个波源来自同一波面，满足频率相同、振动方向相同、相位差恒定的相干条件，故在这两列波的相遇区域会产生干涉现象。这种将一个点光源的波面分割成两束光，以获得相干光的方法称为分波面法。

2．分振幅法如下图所示，AB为一透明薄膜（如油膜、肥皂膜等），入射光的同一波列在界面A上反射形成波列1，在界面B上反射形成波列2。波列1、2也满足频率相同、振动方向相同、相位差恒定的相干条件，故在这两列波的相遇区域也会产生干涉现象。这种利用界面的反射和折射，将光振动的能量（或振幅）分成两部分，以获得相干光的方法称为分振幅法。

1.3光程与光程差1．光程设一频率为的单色光，它在真空中的传播速度为c，波长为λ＝c/。当它在折射率为n的介质中传播时，其速度变为u＝c/n，波长变为：上式表明，一定频率的光在折射率为n的介质中传播时，其波长为真空中波长的1/n。根据波的干涉知识可知，两束相干光在相遇处是干涉加强还是干涉减弱，取决于它们在相遇点的相位差。由波动知识可知，每一束光自光源至相遇点经l距离传播后，其相位改变量为：

因同一频率的光在不同介质的波长不同，上式中的λ应理解为在相应介质中的波长，故单色光在折射率为n的介质中传播l距离后，其相位改变量为：上式表明，光在折射率为n的介质中传播l距离后，其相位改变量与它在真空中传播nl距离后的相位改变量相同。于是，我们把光在介质中传播的路程l与介质的折射率n的乘积nl称为光程。

2．光程差如下图所示，若两个初相均为φ的相干光源S1、S2发出的光在P点相遇，则它们在P点的相位差为：令n1r1－n2r2＝δ，δ称为两束光的光程差，则上式可写为：因此，波动光学中干涉相长和干涉相消的条件可用光程差表示：δ＝±kλ（k＝0，1，2…）干涉相长（明纹）δ＝±（2k＋1）λ/2（k＝0，1，2…）干涉相消（暗纹）以上两式为讨论光波干涉问题的基本公式。

1.4透镜的等光程性如下图所示，平行光经过透镜会聚后，会在焦平面上出现亮点。这是由于平行光束波面上各点（A、B、C或A′、B′、C′）的相位相同，在焦平面上相遇时干涉加强而形成的，即从垂直于入射光束的任一平面算起，直到焦平面上的相遇点，各条光线都具有相等的光程，这称为透镜的等光程性。对透镜的等光程性可以理解如下：如左图所示，虽然光线AaF比光线BbF经过的总路程长，但光线BbF比光线AaF在透镜内经过的路程长，由于透镜的折射率大于1，因此折算成光程后光线AaF与光线BbF的光程相等。

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