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干涉色

概念

干涉色
       当两单色光相干波发生干涉时,将产生一系列明暗条纹,称为干涉条纹。而白光发生干涉时,则产生由紫至红的一系列彩色条纹。这些由干涉作用形成的颜色,称为干涉色。

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      干涉色的具体颜色受两束相干光的光程差制约,如果以白光为光源,当光程差在0-550nm范围时,将依次出现暗灰、灰白等干涉色,称为一级干涉色,其特点是只有暗灰、灰白,无蓝、绿;光程差在550-1100nm范围时,依次出现蓝、绿、黄橙、紫红等干涉色,称为二级干涉色,特点是比较鲜艳,干涉色条带间界线较清楚;光程差在1100-1650nm范围时,出现第三级干涉色,颜色与第二级相同,但比第二级较浅,条带间界线也不十分清楚;光程差大于1650nm后出现第四级至更高级干涉色。

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       色级越高,颜色越浅,条带之间界线也越不清楚。 www.18art.com

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干涉色
干涉 :
ɡàn shè
①过问或制止,多指不应该管硬管:互不~内政。②关涉;关系:二者了无~。
干涉现象 :
ɡàn shè xiàn xiànɡ
1.两个或两个以上的波相遇时,在一定情况下会相互影响,这种现象叫干涉现象。声波、光波和其他电磁波等都有此现象。

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杨氏干涉实验 :
yánɡ shì ɡàn shè shí yàn
英国物理学家托马斯·杨所做的光的干涉实验。1802年他用如图所示方式,让太阳光通过小孔s(以后改用狭缝),射出的光又通过相邻两小孔s1和s2,由这两小孔射出的光在其后的屏ac上因光的干涉而形成明暗相间条纹。该实验不仅证明了光的波动性,还可用以测定光的波长。
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光的干涉 #3$$#%%%%%%%6$


一、光的干涉现象的发现 #$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$%

在光学发展史上,意大利科学家格里马第是第一个发现光的干涉现象的人.他做了一个简单的实验,其实验设计如下:在房子的窗户板上打两个紧挨着的小孔,太阳光经过这两个小孔射入室内形成两个锥形光柱.将一个屏放在两个光柱相互重叠的地方,此时可以发现,屏上一些地方的亮度反而比只用一个光柱照射时的还要暗些.格里马第从这一实验中得出结论:两根光柱相加并不总是使亮度增加.他通过类比方法,把光的干涉现象和石块投入水中激起水波的现象作了类比.但他对此干涉现象没有作出深刻的理论分析. #3$$#%%%%%%%6$

英国物理学家胡克(1635—1703)研究了另一种相干现象,他通过实验研究了用肥皂水形成的薄膜和云母薄片上光的干涉.胡克提出光是一种振幅很小的快速振动,还试图分析薄膜干涉时彩色的成因.他提出在薄膜上观察到彩色必须满足三个条件:膜的厚度有一定的限度;膜必须是透明的;在膜的背面必须有好的反射体.他认为,一束最弱的成分领先而最强的成分随后的倾斜而混杂的光脉冲,在网膜上的印象是蓝色;一束最强的成分领先而最弱部分随后的倾斜而混杂的光脉冲,在网膜上的印象是红色.虽然这种解释是不正确的,但其中它包含了两束光的位相差等现代干涉理论的某些观点,胡克关于光的这些理论研究,对于由笛卡儿提出的光是以太压力的模型过渡到光的波动说起了重要的作用.

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牛顿设计并进行了“牛顿环”实验,研究了薄膜干涉问题,从而发现了“牛顿环”现象.牛顿亲自制造了仪器进行实验,他把一块平凸透镜放在一块双凸透镜上面,使平凸透镜的平面向下,然后慢慢压紧,围绕中心便陆续冒出各种颜色的圆环;如果使上面的平凸透镜慢慢抬起离开下面的双凸透镜,则带有颜色的圆环又在中心相继消失,这就是著名的“牛顿环”现象.牛顿还发现色环的颜色有一定的排列次序;当压紧两透镜时,色环的直径会不断增大,其周边的宽度则减小,若是抬起上面的透镜,色环的直径就会缩小,其周边的宽度则增大.牛顿还测量了环的半径,发现它和透镜的曲率半径、空气膜的厚度有一定关系.“牛顿环”现象实际上是两束光发生“干涉”的结果.但是由于牛顿是倾向于光的微粒说的观点,因此对这种光的波动性的表现没有作进一步的实验探索和理论研究.

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二、光的干涉理论的建立 #$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$%

格里马第、胡克、牛顿等人相继发现了光的干涉现象,但是都没有得出正确的解释,也没有建立起光的干涉的正确理论.到了十九世纪初经过托马斯·杨、菲涅耳等人的工作,光的干涉理论终于形成与建立起来.

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1.托马斯·杨运用类比方法首次把光的干涉概念引入了物理学.

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1800年托马斯·杨在《关于光和声的实验和问题》的论文中,根据自己的实验,对当时占统治地位的光的微粒说提出怀疑,为惠更斯的波动理论进行辩护.他通过对声波的研究,提出在声波互相重叠时出现加强和减弱的现象即声波的干涉现象.并摒弃了互相重叠的波只能加强的观念,提出了在某些条件下,重叠的波也可以互相减弱甚至抵消的思想.杨氏在观察了水波的干涉现象后得到了启发,并联想到光的干涉.他运用水波的干涉现象类比提出了光的干涉现象.他说,设想有一组水波,它们以某个不变的速度沿平静的湖面运动,并进入一个狭窄的水道,水道是与湖相连通的.现在我们再设想,在某个因素的作用下形成了另一组同样的波,它与第一组波一样以相同的速度到达该水道.这两组波相互并不干扰,它们的作用将结合在一起.如果它们到达水道后,一组波的波峰与另一组波的波峰相重合,那么将形成一组波峰更高的波.但如果一组波的波峰与另一组波的波谷相重合,那么波峰将恰好填满波谷,水面将保持平静.我假设,如果以与此相同的方式将两束光混合在一起,则会出现与水波叠加类似的效应.我把这一现象称为光的干涉现象.

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2.杨氏提出相干条件.

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杨氏对干涉现象的研究,提出了产生干涉现象的基本条件是:只有同一光线的两部分才能发生干涉现象.按照现代的说法,即只有两束相干光才能产生干涉.

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3.杨氏发现干涉定律 #$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$%

1801年杨氏在一篇论文中提出了他发现的关于光干涉的定律:“凡是同一光线的两部分沿不同的路程进行,而且方向准确地或接近于平行,那么当光线的路程差等于波长的整数倍时,光线相互加强,而在相干部分的中间态上,光线为最强,这波长对各种不同颜色的光各不相同”在这里杨氏还第一次明确地提出了波长、光程的概念和相干光这一名词.

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托马斯·杨还做了一个著名的杨氏双缝干涉实验,他第一个提出干涉现象与衍射现象之间的密切联系等.虽然杨氏对光的波动说作出了杰出的贡献,但他的工作没有受到当时科学界的承认,而且还受到了恶意的攻击,他的论文被斥为“没有任何价值”,他所发现的干涉原理被说成是“荒唐的”和“不合逻辑的”.致使杨氏的发现被埋没了整整二十年.

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4.光的干涉理论的进一步发展

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法国科学家菲涅耳(1788—1827)1815年独立地得到了干涉和衍射方面的规律,同时他称赞了托马斯·杨的杰出工作.使杨氏的干涉理论得到了科学界承认,并使杨氏恢复了对光学的研究工作.菲涅耳用光的干涉的思想补充了惠更斯原理,提出著名的惠更斯——菲涅耳原理,并进行了有名的双面镜和双棱镜的干涉实验.使光的干涉理论更加完善.菲涅耳在光学研究中更多地应用了数学分析进行定量计算的方法,他把正确的物理思想与高超的实验技巧相结合,使他在光学的研究中得到了许多内容深刻和准确定量的成果.他还与阿拉果共同用实验研究了偏振对干涉现象的影响,于1819年得出了相互垂直的两束偏振光不相干涉的原理,从而进一步丰富与发展了光的干涉理论. www.18art.com

三、光的干涉规律的现代表述

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1.光的干涉现象 #$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$%

由两个(或两个以上的)光束,在满足一定条件下迭加时,在交迭区的不同地点呈现稳定的互相加强或减弱的现象,称为干涉现象.通常两个独立的光源或同一光源上的两个不同部分都不会产生干涉现象.运用某些方法,如光的反射或折射,可以将同一光源发出的光分成两个光束,当这两光束在空间经不同路径而重新聚合时,就能实现干涉现象.

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两束光在交迭区域中的加强和减弱形成“干涉图样”,能产生干涉现象的光称为“相干光”,产生相干光的光源称为“相干光源”,产生干涉的条件称为“相干条件”.

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2.光的相干条件

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产生光的干涉的必要条件:

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①两光波具有相同的振动频率;

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②两光波在相遇点有固定的位相差; #$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$%

若要得到振动最弱点的振幅为零的干涉现象,除了具有上面两个条件外,还要满足下面两个条件:

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③两光波在相遇点有相同的振动方向;

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④两光波的振幅相同. #3$$#%%%%%%%6$

若两光波在相遇点所产生的振动不在同一方向,则该点的合成振动将不是简谐振动,因而不能产生干涉现象.若两光波在相遇点的位相差不固定,随时间作无规则且迅速的变化,由这种变化引起的光强改变的次数在观察或测量所需要的时间间隔t内几乎是无限大,在相遇点只能获得t间隔内的平均光强.这与两光波在该点单独产生的光强度之和无区别,因而无干涉现象.所以,只有满足上述①、②、③三条条件才能产生干涉现象.但是,要使产生明显的干涉现象,还必须满足产生光的干涉的充分条件. #$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$%

产生光的干涉的充分条件:

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①两光波在相遇点产生的振动的振幅相差不悬殊; #$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$%

②两光波在相遇点的光程差不太大. 若两光波在相遇点所产生的振幅相差悬殊,则该点的合成振动的振幅将与单一光波在该点所产生的振动的振幅没有明显的差别,因而实际观察不出干涉现象,如果两光波在相遇点光程差很大,则在一光波的波列已通过时,另一光波相应的波列尚未到达,两相应的波列间无重叠,因而无干涉现象出现.若光程差为中等大小,两相应波列部分重叠,将出现不很明显的干涉现象.故仅当两光波的振幅相差很小、两光波的光程差很小时,方能观察到明显的干涉现象.当两光波的振幅相等时,还可观察到干涉条纹中最暗处光强为零的清晰的干涉图样.

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3.光的干涉的种类

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光的干涉可以分为两大类,一类是分波阵面的干涉,即从同一光源发出的光波的波阵面上分离出两部分或更多部分,再经两个或多个光具组后,在相遇区域产生干涉现象.如杨氏双缝干涉实验、菲涅耳双棱镜干涉实验和菲涅耳双面镜干涉实验等.

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另一类是分振幅的干涉.利用透明薄板的两个表面对入射光的依次反射,将入射光的振幅分解为若干部分,由这些部分光波相遇产生的光波干涉,即为分振幅的干涉.如牛顿环实验、迈克耳逊干涉仪等.

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在分振幅干涉中,如干涉条纹对应于同一入射角称为等倾干涉;干涉条纹对应于同一厚度的称为等厚干涉.

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利用光的干涉可以测量微小的角度、微小的长度、检查表面的质量,测量长度的微小改变等.

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四、几个著名的干涉实验方法分析 www.18art.com

由光的干涉规律可知,为了观察到稳定的光的干涉现象,就必须创造特殊的条件.这些条件可归结为:在任何瞬时到达观察点的,应该是从同一批原子发射出来但经过不同光程的两列光波(例如反射或折射等方法).各原子的发光尽管迅速的改变,但任何位相改变总是同时发生在两列波中,因而它们到达同一观察点时总是保持着不变的位相差,只有经过这样特殊装置的两束光才是相干的.所以历史上进行的一些著名的光的干涉实验都是采用以上的实验设计原理进行设计实验的.

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1.杨氏干涉实验 www.18art.com

托马斯·杨在1801年以极其简单的装置和巧妙的构思,做到了用普通光源来实现光的干涉.这一实验设计,不仅是许多其它光的干涉实验的装置原型,在理论上还可以从中得到许多重要的概念和启发. 杨氏干涉实验装置如图所示.让光源照射到开有小孔S的不透明的遮光板(称为光阑)上,后面置有另一块光阑,开有两个小孔S1和S2.从针孔S1和S2中发出的两组球面光波互相干涉,结果在屏幕D上形成一个对称而强度有变化的图样.若用单色光作光源,则在屏幕上可以观察到干涉图样.当时杨氏利用了惠更斯对光的传播所提出的次波假设(即惠更斯原理)解释了这个实验. 后来为了提高干涉的亮度,实验中S、S1、S2用三个相互平行的狭缝,即称之为杨氏双缝干涉.并且可以用目镜代替屏幕进行直接观测.在激光出现后,用激光作光源进行实验,则在屏幕可观察到稳定清晰的干涉条纹,还可用目镜放大或用照相机摄像.在杨氏实验装置中一般要求双孔间距d在0.1mm~1mm之间,横向观测范围在1cm~10cm之间,幕与双孔屏的间隔在1cm~10cm之间. 从杨氏实验中可以得出,从同一列波的波面上取出的两个次波源,总是相干的,后来的一切分波阵面干涉装置的设计思想都是源于杨氏这一精巧的构思.杨氏在分析干涉条纹的特征时推得:双孔干涉条纹的间距: 即光的波长为: 杨氏由此式算出了光的波长,这是人类历史上第一次由实验测得的光的波长.而且杨氏干涉实验在光学发展上是一个决定性的判决实验,由此导致了光的波动理论复兴的开端. #$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$%

2.菲涅耳双棱镜实验

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1817年法国物理学家菲涅耳设计进行了著名的菲涅耳双棱镜实验,如图:缝光源S发出的光经过一个顶角α很小(约1°左右)的薄棱镜P,借助于棱镜的折射,将自S发出的光束分为两束ac和bd,并沿不同方向传播,这两束光好像自图中所示的虚光源S1和S2发出的一样,在两束光重叠的bc区域产生干涉条纹.测量出由双棱镜所产生的干涉条纹宽度△x,则可由下式计算出光波的波长 式中L1和L2分别为光源及屏幕到棱镜P的距离d为两虚光源S1和S2之间的距离,△x为幕上相邻两个条纹的距离.接着菲涅耳又完成了两束光干涉的双面镜实验.

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3.迈克耳逊干涉仪

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一种用分光束法产生双光束干涉的精密光学仪器.是由美国物理学家迈克耳逊在1881年提出,故名.如图所示,从单色广光源S发出来的光,在平行平面玻璃板G1上镀有一薄层银的半反射面A,光在A上分成光强近于相等的两束,它们分别从平面镜M1、M2上反射回到A而重新会合,在透镜L2的焦平面F上形成等倾条纹.M2是固定的,而M1安装在一个可以平移调节的座架上.通常在G1与G2之间放一块与G1相同且与G1平行的补偿板G2·当M1与M2对A面互成镜象关 中的像,故在F上的等倾条纹可以看作是在反射面M1和虚反射面M'2之间的平行空气层上产生的.条纹的形状是以焦点为中心的同心圆.M1向M'2移近λ/2,则向中心收缩一个条纹;反之移远λ/2,则在中心冒出一个条纹.测出条纹变化的数目,就可计算M1移动的距离.迈克耳逊曾用此仪器做了如下三个重要实验:1887年测量以太漂移的迈克耳逊莫雷实验;1892年首次系统地研究光谱线的精细结构;1895年首次直接将光的波长与标准米进行比较. 迈克耳逊干涉仪的设计是光的干涉现象的典型应用。 #3$$#%%%%%%%6$
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参考文献

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