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大学物理学:相干光源及其分类

时间:2023-11-15 理论教育 版权反馈
【摘要】:1)相干光源凡自身能持续辐射光能的物体统称发光体或光源.常用的光源有两类,即普通光源和激光光源.普通光源物质是由大量的分子或原子组成的,分子或原子等微观粒子的运动状态发生改变使能量以光的形式被辐射出.普通光源的发光机制是处于激发态的原子或分子的自发辐射.大量的处于激发态的分子或原子从激发态返回到较低能量的基态时,就把多余的能量以光波的形式辐射出来,这便是普通光源的发光.激光光源的发光机制是处于激发

大学物理学:相干光源及其分类

1)相干光源

凡自身能持续辐射光能的物体统称发光体或光源.常用的光源有两类,即普通光源和激光光源.普通光源物质是由大量的分子或原子组成的,分子或原子等微观粒子的运动状态发生改变使能量以光的形式被辐射出.普通光源的发光机制是处于激发态的原子或分子的自发辐射.大量的处于激发态的分子或原子从激发态返回到较低能量的基态时,就把多余的能量以光波的形式辐射出来,这便是普通光源的发光.激光光源的发光机制是处于激发态的原子和分子的受激辐射.

分子或原子从高能级到低能级的跃迁发光是不连续的,且经历的时间是很短的,约为10-8s,这也是一个原子一次发光所持续的时间.因此它们发出的是具有一定频率、振幅恒定、振动方向一定的光波,称为光波列.由于各个分子或原子的发光参差不齐,彼此独立,互不相关,因此在同一时刻,各个分子或原子发出波列的频率、振动方向和相位都不相同.即使是同一个分子或原子,在不同时刻所发出的波列的频率、振动方向和相位也不尽相同.这种辐射具有随机性。

2)光的相干性

设由两个同频率的单色光源S1、S2 发出的两束光相交于空间P 点.若两束光的光矢量的方向相同,则在P 点得到两个频率相同、光矢量方向相同的振动.若两束光的振动方程分别为

而观察到的P 点的光强是在较长时间内的平均值,即

上式表明:当两束光之间无固定的相位关系时,光场中各点光强为两束光分别照射时的光强I1 和I2 之和,即观察不到干涉现象.这种情况称为光的非相干叠加.(www.xing528.com)

(2)相干叠加.如果这两个频率相同、光矢量方向相同的单色光的相位差始终保持恒定,则相位差Δφ 取决于两束光的光程差,与时间无关,即相位差稳定.此时观察到的光强为

从式(12.36)可以看出:当两束光之间的相位差恒定时,光强I 的大小仅决定于相位差,与时间无关,所以光场中光强分布稳定.这种情况称为光的相干叠加.相干叠加时,光场重叠区域的不同位置,其光强将由这些位置的相位差决定.将会出现有些地方始终加强,有些地方始终减弱,这种现象称为光的干涉.当Δφ=±2kπ时,这些位置的光强最大,称为干涉相长或干涉加强,即亮纹中心;当Δφ=±(2k+1)π 时,这些位置的光强最小,称为干涉相消或干涉减弱,即暗纹中心.

普通光源的原子发光过程是完全独立的,具有间歇性,且随机进行,因此普通光源发出的光是不相干的,不能简单地由两个实际点光源或面光源的两个独立部分形成稳定的干涉场.要得到稳定的干涉现象,两束光必须满足振动方向相同、频率相同、相位差恒定的条件,这称为光的相干条件.满足相干条件的光是相干光,相应的光源称为相干光源.

3)相干光的获得

在研究光的干涉时,相干光的获得非常重要.利用普通光源获得相干光的方法的基本原理是设法将光源上同一点发的光分成两部分, 再使它们经过不同的途径后重新相遇.由于这两部分光的相应部分实际上都来自同一发光原子的同一次发光, 所以它们满足相干条件而成为相干光.把同一光源发的光分成两部分的方法有两种:一种叫分波阵面法,是将一束光的波面分成两个部分,使之通过不同的途径后再重叠在一起,在一定区域内产生干涉场.杨氏双缝干涉、劳埃德镜等都是典型的分波面干涉;另一种是分振幅法,利用光在两种透明介质的分界面上的反射和折射将入射光的振幅分解成若干部分,然后再使反射光和折射光在继续传播中相遇而发生干涉.薄膜干涉、迈克耳孙干涉是典型的分振幅干涉.

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