分析光干涉的问题在分析光的干涉问题时,为什么要用光程差而不用路程差?

Question

分析光干涉的问题
在分析光的干涉问题时,为什么要用光程差而不用路程差?

Answer 1

光的干涉
定义
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两列或几列光波在空间相遇时相互迭加,在某些区域始终加强,在另一些区域则始终削弱,形成稳定的强弱分布的现象.
产生稳定干涉的条件:
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只有两列光波的频率相同,位相差恒定,振动方向一致的相干光源,才能产生光的干涉.由两个普通独立光源发出的光,不可能具有相同的频率,更不可能存在固定的相差,因此,不能产生干涉现象.
说明
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①在交迭区域内各处的强度如果不完全相同而形成一定的强弱分布,显示出固定的图象叫做干涉图样.也即对空间某处而言,干涉迭加后的总发光强度不一定等于分光束的发光强度的迭加,而可能大于、等于或小于分光束的发光强度.
②通常的独立光源是不相干的.这是因为光的辐射一般是由原子的外层电子激发后自动回到正常状态而产生的.由于辐射原子的能量损失,加上和周围原子的相互作用,个别原子的辐射过程是杂乱无章而且常常中断,持续对同甚短,即使在极度稀薄的气体发光情况下,和周围原子的相互作用已减至最弱,而单个原子辐射的持续时间也不超过10^-8秒.当某个原子辐射中断后,受到激发又会重新辐射,但却具有新韵初相位.这就是说,原子辐射的光波并不是一列连续不断、振幅和频率都不随时间变化的简谐波,即不是理想的单色光,而是如图所示,在一段短暂时间内(如τ=10-8s)保持振幅和频率近似不变,在空间表现为一段有限长度的简谐波列.此外,不同原子辐射的光波波列的初相位之间也是没有一定规则的.这些断续、或长或短、初相位不规则的波列的总体,构成了宏观的光波.由于原子辐射的这种复杂性,在不同瞬时迭加所得的干涉图样相互替换得这样快和这样地不规则,以致使通常的探测仪器无法探测这短暂的干涉现象.
尽管不同原子所发的光或同一原子在不同时刻所发的光是不相干的,但实际的光干涉对光源的要求并不那么苛刻,其光源的线度远较原子的线度甚至光的波长都大得多,而且相干光也不是同一时刻发出的.这是因为实际的干涉现象是大量原子发光的宏观统计平均结果,从微观上来说,光子只能自己和自己干涉,不同的光子是不相干的；但是,宏观的干涉现象却是大量光子各自干涉结果的统计平均效应.
③由于六十年代激光的问世,已使光源的相干性大大提高,同时快速光电探测仪器的出现,探测仪器的时间响应常数缩短,以至可以观察到两个独立光源的干涉现象.
1963年玛格亚和曼德用时间常数为10^-8～10^-9秒的变像管拍摄了两个独立的红宝石激光器发出的激光的干涉条纹.可目视分辨的干涉条纹有23条.
④相干光的获得.对于普通的光源,保证相位差恒定成为实现干涉的关键.为了解决发光机制中初相位的无规则迅速变化和干涉条纹的形成要求相位差恒定的矛盾,可把同一原子所发出的光波分解成两列或几列,使各分光束经过不同的光程,然后相遇.这样,尽管原始光源的初相位频繁变化,分光束之间仍然可能有恒定的相位差,因此也可能产生干涉现象.
通常采用的方法有两种：
a．分波阵面法.将点光源的波阵面分割为两部分,使之分别通过两个光具组,经反射、折射或衍射后交迭起来,在一定区域形成干涉.由于波阵面上任一部分都可看作新光源,而且同一波阵面的各个部分有相同的位相,所以这些被分离出来的部分波阵面可作为初相位相同的光源,不论点光源的位相改变得如何快,这些光源的初相位差却是恒定的.杨氏双缝、菲涅耳双面镜和洛埃镜等都是这类分波阵面干涉装置.
b．分振幅法.当一束光投射到两种透明媒质的分界面上,光能一部分反射,另一部分折射.这方法叫做分振幅法.最简单的分振幅干涉装置是薄膜,它是利用透明薄膜的上下表面对入射光的依次反射,由这些反射光波在空间相遇而形成的干涉现象.由于薄膜的上下表面的反射光来自同一入射光的两部分,只是经历不同的路径而有恒定的相位差,因此它们是相干光.另一种重要的分振幅干涉装置,是迈克耳孙干涉仪.
⑤光的于涉现象是光的波动性的最直接、最有力的实验证据.光的干涉现象是牛顿微粒模型根本无法解释的,只有用波动说才能圆满地加以解释.由牛顿微粒模型可知,两束光的微粒数应等于每束光的微粒之和,而光的干涉现象要说明的却是微粒数有所改变,干涉相长处微粒数分布多；干涉相消处,粒子数比单独一束光的还要少,甚至为零.这些问题都是微粒模型难以说明的.再从另一角度来看光的干涉现象,它也是对光的微粒模型的有力的否定.因为光总是以3×10^8m／s的速度在真空中传播,不能用人为的方法来使光速作任何改变(除非在不同介质中,光速才有不同.但对于给定的一种介质,光速也是一定的).干涉相消之点根本无光通过.那么按照牛顿微粒模型,微粒应该总是以3×10^8m／s的速度作直线运动,在干涉相消处,这些光微粒到那里去了呢?如果说两束微粒流在这些点相遇时,由于碰撞而停止了,那么停止了的(即速度不再是3×lO^8m／s,而是变为零)光微粒究竟是什么东西呢?如果说是移到干涉相长之处去了,那么又是什么力量使它恰恰移到那里去的呢?所有这些问题都是牛顿微粒模型根本无法回答的.然而波动说却能令人信服地解释它,并可由波在空间按一定的位相关系迭加来定量地导出干涉相长和相消的位置以及干涉图样的光强分布的函数解析式.
因此干涉现象是波的相干迭加的必然结果,它无可置疑地肯定了光的波动性,我们还可进一步把它推广到其他现象中去,凡有强弱按一定分布的干涉图样出现的现象,都可作为该现象具有波动本性的最可靠最有力的实验证据.