正方形的立方公式相位差的计算

2020年10月3日发(作者：穆林)

12.1.3 光程与光程差的计算
在分析和讨论光的干涉过程时，必须考虑光在 不同介质中传播的
问题，例如光穿过透镜时的情况。由于光在不同介质中的波速和波
长不相同， 光干涉的情况比前面在机械波中的讨论要复杂一些。
一、光程和光程差
先分析光的波长在介质中变化的情况。介质的折射率定义为真空
光速与介质中光速的比，故有

，其中λ表示光在真空中的波长，表示介质中的波长。由于
所以即光在介质中的 波长比真空中的波长要短一些。
下面分析一束光在介质中传播时光振动的相位差。设有一束光在
空间传播，沿光线设立x轴，A和B为x轴上两点，光在AB之间的
路程（波程）为x，即B点比A点 距离波源要远x这么一段长度，见
下图（a）。若AB之间是真空或空气，则AB之间光振动的时间差，
即B点的光振动比A点在时间上要落后；AB之间光振动的相位
差，即B点比A点在相位上要落 后，其中λ为光
在真空中的波长。若AB之间是折射率为n的介质，见下图（b），
则AB之间 光振动的时间差，相位差，其中
为介质中的波长，可见相位差不仅和波程x相关，还与折射率有关。若AB之间有几种不同的介质，其长度分别为、、…折射率分
别为、、…，见下图（c），则AB之 间的时间差为，
相位差为，其中λ为真空中的波长。

光程的概念
定义AB之间的光程为

进行，则AB之间光振动的时间差可简求和沿光线（光路）
洁表示为

相位差为


在形式上又回到了“真空”情况。光程显然和波程不同， 光程含有
波程和折射率两个因数，除非在光路上全是真空或空气，光程大于
波程。
在 物理意义上，光程的概念有等价折算的含义。例如，有34毫
米长折射率为43的一层水膜，有23毫米 折射率为32的一块玻璃
片，这两个物体在很多方面性质都不同，如力学性质、热学性质、
电学 性质等等。但它们的光程相同（1毫米），这意味着光通过它们
时所需要的时间，以及由此产生的相位差 相同，都相当于1毫米的
真空。在引起光振动的时间差和相位差方面，它们完全等价，或者
通俗 地说，是不可分辨的。
下面考虑两束相干光在干涉点的相位差。设有两束相干光，来自
于同一 个光源，在干涉点p相遇。它们从光源到干涉点的光程分别
为和，于是它们在p点引起的两个光振动的相 位分别比光源落后
和，故它们之间的相位差为
。
定义两束相干光在干涉点p的光程差

则该点光振动的相位差

和是从两束相干光共同的光源开始计在上面的定义中，光程
算的（两个子光波列被分开的地方开 始计算）。显然，如果不从光
源而是从两个同相点算起，其结果仍然正确。
二、薄透镜的等光程性
在光的干涉实验中，常常需要用薄透镜将平行光会聚成一点，为
了讨论会聚点的干涉情况，需要计算相干光在该点的光程差。由于
透镜各处的厚度不相同，折射率也往 往不知道，按光程的定义来计
算有困难。下面我们讨论薄透镜的等光程性，提供一个简便计算的
方法。
几何光学告诉我们，平面光波通过透镜会聚在焦平面上时，叠加
后总是形成亮点，如下 图所示。这个光学现象隐含着一个结论：与
光束正交的波面上所有的同相点到透镜焦平面上像点的光程相 同。
即图 (a)中的a
1
、
a
2
、
a
3
各点到像点a’的光程相同；图(b)中的b
1
、
b
2
、< br>b
3
各
点到b’的光程相同。正是由于光程相同，所以光传播到像
点的 相位变化也一样，因而在像点的各个光振动同相，才能干涉增
强形成亮点。这个结果可以通过光程的定义 来帮助理解。从波程来
看，从同一波面到像点的光线中，过透镜中心的光线要短一些，过
透镜边 缘的光线要长一些；但从折射率来看，过透镜中心的光线要
更多地经过玻璃，过透镜边缘的光线却很少通 过玻璃，从波程和折
射率这两个因素来分析，各条光线的光程相等是可以理解的。

(a) (b)
薄透镜的等光程性
上述结论称为薄透镜的等光程性，即平行光经薄透镜会聚时各光
线 的光程相等。这提示我们，如果要计算两束平行光在会聚点的光
程差，只需要在透镜前面垂直于光线作一 个波面，只要知道两条光
线在波面上的光程差，由于在会聚过程中各光线的光程相等，这个
光程 差将保持到会聚点。例如在图（a）表示的光路中，有两束平行
光到达波面上a
1
点和 a
2
点后，经过透镜最终在会聚点a’相迂，如果
它们在a
1
点和a
2
点的光程差是δ，则它们在a’点的光程差也是δ。
所以这个结论又叫做平行光经薄 透镜会聚不附加光程差。
三、光的半波损失
在研究驻波时我们知道，若波从波疏介质入射到 波密介质表面反
射时，反射波将发生相位突变或半波损失。光的反射也同样可能有
半波损失现象 发生。两种介质相比较，我们把折射率大的介质称为
光疏介质，折射率小的称为光疏介质。光从光疏介质 入射到光密介
质分界面而反射时，反射光也会产生半波损失。半波损失不是光在
介质内传播过程 中产生的，而是在反射的瞬间在界面上发生的，常
称为附加光程差。在光程和光程差的计算中必须考虑附 加光程差。
一般来说，如果总共发生了偶数个半波损失，亦即发生了偶数次的
相位突变，它们相 互抵消，可以不必考虑；如果有基数个半波损失，
偶数次的相互抵消后，最终可算作一个半波损失。考虑 了附加光程
差后，一束光在介质中传播时AB两点之间的光程应表示为

其中 l’为附加光程差，有0和λ2两个可能的取值，依半波损失
的情况而定。两束相干光在干涉点p的光程 差为

其中求和沿两条光路进行，从同相点计算到干涉点，δ’是附加光
程差， 同样有0和λ2两个可能的取值，取决于两束相干光半波损失
的情况。
波的干涉