干涉光的變場現象-(續2)

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概述:本文在揚氏干涉基礎之上,增加了一個成像光學系統,以實驗觀測雙相干光源成像的位置變化和能量分佈變化,從中得到一個值得再探討的新現象。
關鍵字:干涉、成像、分離、變場

19世紀的揚氏干涉實驗對後世的物理學影響極大,至今它仍是物理學中的一個基礎實驗。對於揚氏干涉實驗,人們一直是將雙相干光投射到相干區內,以觀察干涉的明暗條紋。我們普遍認為(1)式成立。
(1)
式中: 和 是單縫場。
和 是雙縫場。
(2-1)
(2-2)
參見圖一。請參考有關資料。

實際上,我們並沒有什麼理由認為(2)成立,而將(2)的成立認為是“預設的、應該的”。

現在,我們將這個實驗加以引申,採用成像的方法,即採用光束“分-合-分”的方法,將相干區內的相干光分離成像,並觀察干涉光分離後的成像位置和能量分佈狀況。作者從實驗的結果中,得出了一些新現象。

一、揚氏干涉中的場分佈
揚氏干涉如圖一中(a)。按照光的波動說:縫光源A和B在空間中傳播的電磁場分佈值,不會隨光源A或B的存在與否而變化,即從A和B所發出的光波在整個光路傳播過程中是相互獨立的。這樣,單縫場 和 被認為與雙縫場 和 是相同的,如圖一中(b)和(c)。參見(1)式。

圖二 干涉光的成像分離
我們在干涉區後增加一個正透鏡,用於對逢AB進行成像,如圖二。這樣單縫成像和雙縫成像的像A`或B`位置和能量分佈是不變的。它們分別由 和 決定,也可以說由 和 決定。
但是,在實際中,像A`或B`的特性是變化的,(1)式並不成立,即:
(3)
式中: ,
由於這種在干涉區內的電磁場分佈發生了變化,導致像位置和能量分佈是變化的,我們不妨將這種現象稱之為“變場”。這種變化量有多大?下面的干涉光源的成像實驗可以證明這種現象的存在。
在論述光學系統中干涉光源的成像問題之前,我們先回顧一下目前有關光學理論的成像原理。

二、物光源在共軸球面系統中的成像規律
圖三 雙縫光源A和B成像光學圖
Ÿ物體或像箭頭由紙面向上 ª物體或像箭頭向紙面裡
按高斯光學,物空間中的一個點、一條直線或平面經光學系統後,在像空間中有其一一對應的點、線或面存在。例如,有縫光源A、B和正透鏡L組成一個成像光學系統,L的焦距為f [正透鏡為圓形,在空氣介質中],物、像距離正透鏡L的物、像方主平面K和K’分別為u和v,如圖三。
在圖三中,縫A、B對稱垂直於主光軸Z,但不與主光軸Z相交,且偏離主光軸Z都為d。定義AB縫所在平面為Q面。我們在Q面上建立x-y座標系,y軸平行於光縫,x軸方向向紙外且垂直於主光軸Z,其座標原點在主光軸Z與Q面的交點上,如圖三中(a)。
在距正透鏡主平面K前(左側)s處取一平面P,P面與主光軸Z垂直,則P面到Q面的間距為 。在P面上建立x-y座標系,如圖三中(b),圖中x軸方向向紙外,y軸平行於AB縫,並且方向相同,其原點在主光軸Z上。
同樣,在像平面R上建立x-y座標系,如圖三中(c)。

干涉光的變場現象-(續2)

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