-光波的时间相干性与空间相干性课件.ppt

1、制作人 周杰1/1/2023第1章光的干涉1.51.5干涉条纹的可见度干涉条纹的可见度光波的时间相干性和空间相干性光波的时间相干性和空间相干性1.5.1 1.5.1 干涉的可见度干涉的可见度1.5.2 1.5.2 光源的非单色性对干涉条纹的影响光源的非单色性对干涉条纹的影响1.5.3 1.5.3 时间相干性时间相干性1.5.4 1.5.4 光源线度对干涉条纹的影响光源线度对干涉条纹的影响1.5.5 1.5.5 空间相干性空间相干性n光的空间相干性与时间相干性是共存的，光的空间相干性与时间相干性是共存的，可用相干体积进行度量可用相干体积进行度量n相干体积相干体积=相干长度相干长度*相干面积相干面

2、积返回首页制作人 周杰1/1/2023第1章光的干涉1.5.1 1.5.1 干涉的可见度干涉的可见度n可见度：亦称对比度、反衬度。是描述干涉图样中条纹的强弱对比可见度：亦称对比度、反衬度。是描述干涉图样中条纹的强弱对比的。其定义为：的。其定义为：返回minmaxminmaxIIIIVn当当I Iminmin=o=o时，时，V V1 1，条纹反差最大，清晰可见：，条纹反差最大，清晰可见：n当当I Iminmin=I=Imaxmax时，时，V V0 0，条纹模糊不清，不可辨，条纹模糊不清，不可辨n影响可见度的因素：很多。对影响可见度的因素：很多。对理想的相干点光源理想的相干点光源，主要因素是振幅，

3、主要因素是振幅比。由双光束干涉强度分布公式比。由双光束干涉强度分布公式cos22122212AAAAAIn可见度可表示为可见度可表示为22121222121221221221221)(1)(22)()()()(AAAAAAAAAAAAAAAAVn若令若令I I0 0I I1 1+I+I2 2=A=A1 12 2+A+A2 22 2双光束光强之和，则双光束双光束光强之和，则双光束干涉强度分布可表示为干涉强度分布可表示为)cos1(0VII频率单一；初相位一定；光束窄。制作人 周杰1/1/2023第1章光的干涉1.5.2 1.5.2 光源的非单色性对干涉条纹的影响光源的非单色性对干涉条纹的影响n干

4、涉实验中，通常使用的光源并不是理想的单色光源，干涉实验中，通常使用的光源并不是理想的单色光源，波长一般在波长一般在内。内。n由于每一个波长的光均形成一组干涉条纹，且由于每一个波长的光均形成一组干涉条纹，且除零级外，除零级外，其他各级条纹相互间是不重合的其他各级条纹相互间是不重合的，且，且是非相干叠加是非相干叠加，叠，叠加结果使得条纹的可见度下降。加结果使得条纹的可见度下降。波长为波长为 的单色光，的单色光，j j级明纹的位置级明纹的位置jdryj0 波长为波长为 的单色光，的单色光，j j级明级明纹的位置纹的位置)(0jdryjj j级明纹的宽度级明纹的宽度drjyj0n随着干涉级随着干涉级j

5、 j的增大，同一级干涉的宽度增大，可见度下降的增大，同一级干涉的宽度增大，可见度下降.n以杨氏干涉实验为例具体分析以杨氏干涉实验为例具体分析制作人 周杰1/1/2023第1章光的干涉条纹分辨的极限条纹分辨的极限n条纹分辨的极限条纹分辨的极限：波长为：波长为 的的j j1 1级与波长为级与波长为 的的j j级条纹重合，条纹的可见度降为零。级条纹重合，条纹的可见度降为零。)1()(jjn与与V V0 0，对应的干涉级为，对应的干涉级为jn与这对应的光程差是实现相干的最大光程差与这对应的光程差是实现相干的最大光程差,)(2maxjn max称为相干长度。由光源的单色性决定称为相干长度。由光源的单色性

6、决定！这里是从干涉图！这里是从干涉图样来分析的样来分析的返回j+j+1 +n此时（此时（V V0 0），在重合点），在重合点P P的光程差为的光程差为制作人 周杰1/1/2023第1章光的干涉PP0S1SS21.5.31.5.3*时间相干性时间相干性具体分析n实际光源的光谱线都有一定的频率宽度实际光源的光谱线都有一定的频率宽度（波长范围（波长范围）-亦即相应的发光时间亦即相应的发光时间 t t是有限的。因此所发波是有限的。因此所发波列的长度列的长度L Lc c t t也是有限的。也是有限的。n由于原子发光的随机性，不同波列间没有确定的初相由于原子发光的随机性，不同波列间没有确定的初相位关系，所

7、以不同波列间是不相干的。位关系，所以不同波列间是不相干的。nP27 P27 图图1-141-14中中a a、b b两波列是不相干的。如下图所示两波列是不相干的。如下图所示 a b制作人 周杰1/1/2023第1章光的干涉具体分析具体分析n波列波列a a 经经s s1 1、s s2 2分波面后次波列分波面后次波列a a1 1、a a2 2。n若若a a1 1、a a2 2在在P P点相遇，则出现干涉图样点相遇，则出现干涉图样n若若a a1 1、a a2 2不能同时到达不能同时到达P P点，即光程差大于波列的长度。此点，即光程差大于波列的长度。此时在时在P P点相遇的是来自不同波列的光波，不相干，

8、则无干涉点相遇的是来自不同波列的光波，不相干，则无干涉图样图样n临界情况，临界情况，s s1 1、s s2 2到到P P点的最大光程差等于波列的长度，点的最大光程差等于波列的长度，即即 maxmaxL L。亦即。亦即a a1 1通过通过P P点时，点时，a a2 2刚好到达刚好到达P P点。点。n则有则有2maxL 波列的长度波列的长度L L（即是相干长度）（即是相干长度）由光源的单色性决定，由光源的单色性决定，n时间相干性描述到达空间定点处两列波的相关程度时间相干性描述到达空间定点处两列波的相关程度n若在观察点前后两时刻传来的光波来源于同一波列，则它们若在观察点前后两时刻传来的光波来源于同一

9、波列，则它们是相干光波。称该光波场具有时间相干性。是相干光波。称该光波场具有时间相干性。n否则为非相干光波，称为无时间相干性。否则为非相干光波，称为无时间相干性。继续讨论PP0S1SS2！这里是从波源的！这里是从波源的发光机制来分析的发光机制来分析的制作人 周杰1/1/2023第1章光的干涉相干时间的度量相干时间的度量n相干时间：考虑空间一定点相干时间：考虑空间一定点P P，光波列通过该，光波列通过该点所需的时间，即定义为该光波的相干时间。点所需的时间，即定义为该光波的相干时间。ccLt20n可见可见n相干时间是描述光场纵向相干性的；相干时间是描述光场纵向相干性的；n相干时间由光源的单色性决定

10、；相干时间由光源的单色性决定；n相干时间的长短反映光场时间相干性的好坏。长相干时间的长短反映光场时间相干性的好坏。长好，短差；好，短差；n相干时间可用相干长度来度量相干时间可用相干长度来度量 -可通过迈克耳孙可通过迈克耳孙实验测量。实验测量。返回制作人 周杰1/1/2023第1章光的干涉 sP r0P0 r0 d S1 S2 r2 r1 d s1.5.4 1.5.4 光源线度对干涉条纹的影响光源线度对干涉条纹的影响具体 分析 n干涉实验中，通常使用的光源总是具有一定的宽度干涉实验中，通常使用的光源总是具有一定的宽度扩展光源扩展光源。可看作是由很多条线光源构成的；。可看作是由很多条线光源构成的；

11、)n由于每一个线光源在屏上均形成一组干涉条纹，这由于每一个线光源在屏上均形成一组干涉条纹，这些条纹不重合，干涉图样间有一定位移，位移量的些条纹不重合，干涉图样间有一定位移，位移量的大小与线光源到屏的距离有关。这些条纹间是非相大小与线光源到屏的距离有关。这些条纹间是非相干叠加，叠加结果使得条纹的可见度下降。干叠加，叠加结果使得条纹的可见度下降。制作人 周杰1/1/2023第1章光的干涉 sP r0P0 r0 d S1 S2 r2 r1 d s具体分析具体分析以杨氏干涉实验为例以杨氏干涉实验为例n先讨论两个线光源先讨论两个线光源s s和和s s的情况的情况ns s到到s s的距离的距离d d变大，

12、变大，s s的干涉图样相对的干涉图样相对s s的向下平移；的向下平移；n极限情况：极限情况：s s干涉图样的最大与干涉图样的最大与s s的最小重合，此时干涉条纹的的最小重合，此时干涉条纹的V V0 0n s s到到P P0 0的光程差：的光程差：0n s s到到P P0 0的光程差：的光程差：ddrrsin12n 极限情况：极限情况：2n又又20rddtgn s s与与s s间的距离：间的距离：drd20 )n若杨氏干涉实验中用的是扩展光源，若杨氏干涉实验中用的是扩展光源，其宽度为其宽度为d d0 0，且，且d d0 0=2d=2d。n面光源分成许多相距为面光源分成许多相距为d d的线光源对，

13、由于每对线光源叠加后的可见的线光源对，由于每对线光源叠加后的可见度为零，故整个干涉图样的可见度为零。度为零，故整个干涉图样的可见度为零。n d d0 0称为临界宽度称为临界宽度，扩展光源的线度大于、等于其值时，可见度为零，扩展光源的线度大于、等于其值时，可见度为零返回制作人 周杰1/1/2023第1章光的干涉1.5.5 1.5.5 空间相干性空间相干性n由临界宽度由临界宽度(实验装置给定时，实验装置给定时，对光源宽度的要求对光源宽度的要求)：drdd200n双缝的最大间距双缝的最大间距(光源宽度给定时，对缝间光源宽度给定时，对缝间距的要求距的要求)：00maxdrd .S1 .S1 .S1”d

14、0 )dmax r0 .S2.S2”.S2n在在r r0 0、d d0 0及及 给定时。给定时。n若缝宽等于或大于若缝宽等于或大于d dmaxmax，则屏上无干涉图样，则屏上无干涉图样，s s1 1与与s s2 2不相干；不相干；n若缝宽小于若缝宽小于d dmaxmax，则屏上有干涉图样，则屏上有干涉图样，s s1 1与与s s2 2是是相干，或称两光场具有相干，或称两光场具有空间相干性空间相干性；n上图上图S S1 1与与S S2 2、S S1 1”与与S S2 2”相干，相干，S S1 1与与S S2 2不相干。不相干。制作人 周杰1/1/2023第1章光的干涉空间相干性空间相干性n空间相

15、干性空间相干性：是描述光场中在光的传播路径上空间横：是描述光场中在光的传播路径上空间横向两点在同一时刻光振动的关联程度；向两点在同一时刻光振动的关联程度；亦即是说亦即是说，对，对给定宽度的扩展给定宽度的扩展d d0 0光源，在它照明的空间中在横向波光源，在它照明的空间中在横向波面上多大的范围内提取出来的两个次光源面上多大的范围内提取出来的两个次光源S S1 1和和S S2 2还是还是相干的？相干的？(两次波源间距小于或等于两次波源间距小于或等于d dmaxmax)n空间相关性也称横向相干性；空间相关性也称横向相干性；n空间相干性与光源的线度有关，光束窄空间相空间相干性与光源的线度有关，光束窄空间相干性好；干性好；实验中常通过限制光束的宽度，来提高实验中常通过限制光束的宽度，来提高光场的空间相干性光场的空间相干性；n光的空间相干性与时间相干性是不能严格分割的。实光的空间相干性与时间相干性是不能严格分割的。实际光源既有一定的宽度，也的一定的谱线宽度，光场际光源既有一定的宽度，也的一定的谱线宽度，光场的空间相干性和时间相干性是同时存在的。实际干涉的空间相干性和时间相干性是同时存在的。实际干涉中需同时考虑。中需同时考虑。返回制作人 周杰作品欣赏谢谢观看！