200字
[大学物理] 光的干涉(1)
2025-10-30
2025-10-30

由于前一段时间一直在摸鱼,索性直接不上课听了,在这里整理下这章的重要知识点。

前置知识:电磁波

任意电磁波可以表示为这样的波函数:

E(x,t) = E_0cos\omega(t-\frac{x}{u}) = E_0cos(\omega t - \frac{2\pi}{\lambda}x) \\ H(x,t) = H_0cos\omega(t-\frac{x}{u}) = H_0cos(\omega t - \frac{2\pi}{\lambda}x)

同时, \textbf{E}\textbf{H} 、以及传播方向 \textbf{r} 在方向上具备如下关系:

(\textbf{E} \times\textbf{H}) \parallel \textbf{r}

能量和动量将会在后续继续推导,接下来主要推导光的干涉。

光矢量

光的强度就是光的平均能流密度,有:

I=\frac{1}{2}u\varepsilon E_0^2

可见光强与电场强度的平方成正比,于是我们就规定电场的平方为(相对)光强, \textbf{E} 称为光矢量、 E_0 称为光振幅。

折射率公式:

n = \frac{c}{u} = \sqrt{\varepsilon_r \mu_r}

相干叠加

此处具体推导过程省略

两点光振动方程:

E_1(t) = E_{m1}cos[\omega t+\varphi_{10}(t)] \\ E_2(t) = E_{m2}cos[\omega t+\varphi_{20}(t)]

在P点的光振动:

E_{1P}(r_1,t) = E_{m1}cos[\omega t+\varphi_{10}(t)-\frac{2\pi}{\lambda}r_1]
E_{2P}(r_2,t) = E_{m2}cos[\omega t+\varphi_{20}(t)-\frac{2\pi}{\lambda}r_2]

叠加强度:

E_{P0} = \sqrt{E_{10}^2+E_{20}^2+2E_{10}E_{20}cos{\Delta\varphi_P}}

相位差:

\Delta\varphi_P=\varphi_{20}(t)-\varphi_{10}(t)-\frac{2\pi}{\lambda}(r_2-r_1)

非相干叠加由于不是两束相干光无法形成稳定的干涉图案,此处讨论相干叠加:

显然,cos项取+1和-1分别对应最大最小值:

\Delta\varphi_P=\pm 2k\pi , k=0,1,2,...

E_{P0} = E_{max} = E_{10} + E_{20} \\ I=I_{max} = (E_{10} + E_{20})^2

\Delta\varphi_P=\pm (2k-1)\pi , k=0,1,2,...

E_{P0} = E_{min} = |{E_{10} - E_{20}}| \\ I=I_{min} = (E_{10} - E_{20})^2

干涉条纹对比度:

\eta = \frac{I_{max}-I_{min}}{I_{max}+I_{min}}

0对应非相干叠加,1对应对比度最强的相干叠加。

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