光變場現象

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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布變化，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后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。對于揚氏干涉實驗，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，我們并沒有什么理由認為(2)成立，而將(2)的成立認為是“默認的、應該的”。

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

一、揚氏干涉中的場分布

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布值，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

我們在干涉區后增加一個正透鏡，用于對逢AB進行成像，如圖二。這樣單縫成像和雙縫成像的像A`或B`位置和能量分布是不變的。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)式并不成立，即：

(3)

式中：，

由于這種在干涉區內的電磁場分布發生了變化，導致像位置和能量分布是變化的，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里

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后，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對稱垂直于主光軸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坐標系，y軸平行于光縫，x軸方向向紙外且垂直于主光軸Z，其坐標原點在主光軸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坐標系，如圖三中(b)，圖中x軸方向向紙外，y軸平行于AB縫，并且方向相同，其原點在主光軸Z上。

同樣，在像平面R上建立x-y坐標系，如圖三中(c)。

按照幾何光學來說：不論雙縫光源A和B是相干光或非相干光，它們在像空間中所成像的特性[像位置和像的能量分布]不變，這是由光線傳播過程中的三個基本定理決定的：直線傳播定理、獨立傳播定理、反射和折射定理。另一方面，按照光的波動說：縫光源A和B在物空間和像空間中傳播的電磁場分布值，不會隨光源A和B的相干性與否而變化，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，在空間任意一點的總場值是兩者之和。設p(x,y)為P平面上任意一點，如圖三中(b)。定義它們的各自波動方程為：

A縫光源在p(x,y)點的波動方程：(4)

B縫光源在p(x,y)點的波動方程：(5)

波函數EA(t)經正透鏡L后，會在像空間的成像平面R上的xA處成倒像A’，像A’的特性只與(4)式有關，而與(5)式無關，如圖三中(c)；同樣波函數EB(t)在像空間R平面上的xB處成倒像B’，像B’的特性只與(5)式有關，而與(4)式無關。重申：(4)式和(5)式描述的場分布是相互獨立的。

那么，在P面上的相干光EA和EB的相位差δ為：

(6)

式中：Δ是光程差

圖四QPR平面上的光源圖、干涉圖和成像圖

當我們在P面上加入光闌，并限制部分EA和EB的能量通過后，EA和EB同樣會在像空間內的R平面上xA、xB處成倒像A’和B’，這是由于光在傳播過程中的獨立性所決定的。

我們可以畫出在Q面上AB縫光源的位置，如圖四中(a)。

圖中：w為A和B的縫寬

h為A和B的縫高

2d為AB雙縫內邊間距，2d的中心在x-y坐標系的原點上

假設AB縫在P面的干涉條紋如圖四中(b)。

圖中：Dx為相鄰干涉極大值或極小值的間距

Dy為單亮紋或暗紋的高度

光闌的寬度為a，高度為b

我們可以畫出相干光縫AB在P面x軸上的電磁場功率密度分布圖，如圖五中(a)。在圖中，畫出了Dx和光闌的寬邊位置。

圖五P平面上的電磁場強度分布圖

在光闌的b＞Dy和a＞nDx（n是可觀測干涉條紋個數。在圖四中，我們取n=5）的條件下，AB對應的成像圖如圖四中(c)。

圖中：W為像A’和B’的像寬

H為像A’和B’的像高

xA和xB為像A’的左邊位置和B’的右邊位置

2D為雙像A’B’的內邊間距，

圖六單逢A的QPR面上亮暗條紋圖

由于電磁場EA[或EB]在傳播過程中的獨立性，見(4)式[或(5)式]。因此，當我們遮擋縫B時，縫A在Q面、P面和R面的條紋如圖六中的(a)、(b)和(c)。我們在P面上會觀測到縫A對應的連續光帶。

當我們遮擋縫A時，縫B在Q面、P面和R面的條紋類似如圖六中的(a)、(b)和(c)。

圖七窄光闌時，QPR平面上的光源圖、干涉圖和成像圖

那么，當我們減小光闌的寬度a=nDx[在這里，我們取n=3]，并使a>>λ(光波長)，而高度b不變時，雙縫AB的干涉QPR圖的結果如圖七。由于光闌的作用，光闌與R面組成一個相當于夫瑯和費單縫衍射。這樣，單縫A或B在R面上各自的光紋寬度為：

(7)

式中：W是成像光條A’(或B’)兩邊的光強零值到零值的寬度

λ是光波波長，對應的角頻率為ω

a是光闌的寬度

w是縫A(或B)的縫寬

u和v分別是Q面到主平面K和R面到主平面K’的距離

(7)式說明：在有光闌存在時，在R面上衍射成像條紋的寬度要大于無光闌時的成像條紋寬度。如圖七中(c)所示。

在單縫A或B成像情況下，其結果與圖六類似，不再畫出，只是像A’和B’條紋的寬度增加了，如(7)式。我們可以畫出相干光縫AB在P面x軸上的電磁場強度圖，如圖五中(b)。注意：我們可以選擇適當的f、a、v和u值，使成像條紋A’和B’不相重合，即，使光闌的寬度a和像A’B’的間距2D足夠大，讓像A’的光強主極大值對像B’無影響，反之依然。在下面的討論中，都滿足以上條件，我們忽略光強的次極部分，而不再考慮它們的相互影響。這樣，不論是單縫成像或雙縫成像，我們都有如下的結論：

像A’的場分布值域范圍都為：(8-1)

像B’的場分布值域范圍都為：(8-2)

為固定不變域。

三、干涉光在窄光闌成像中的悖論

上面是從目前的理論框架下得出的結論。現在，我們可以從理論上推導出一個悖論。

在P面上，我們在習慣上只關心光強度的相對值，因此將同一介質中描述電磁場的系數略去。單縫A和B在P面x軸上的光輻照度(光強)和為：

(非相干情況下)

式中：AP是逢光源投射在P面上的振幅[在近軸Z情況下]

圖八功率密度和功率圖

光強IS代表逢光源A和B發射出的總功率之和，如圖八中(a)。我們只求單縫A和B投射在P面[0,x]之間的光功率之和為：

(9)

式中：S是積分面積，。

ES如圖八中(b)。如果A和B縫在R面成像，則(9)式也是R面上像A’B’的功率和。當x=L時，(9)式變為：

(14)

在另一種情況下──在雙縫干涉情況下，干涉光在P面x軸上的光強為：

(相干情況下)(11)

式中：，見(6)式。由于，，我們有：

式中：是P面與Q面之間的距離

2d是縫AB間距

λ是相干光的波長

那么，(11)式變為：

光強ID如圖八中(a)。當ID=IS時，可以解得。我們求相干光在[0,x]之間的功率之和為：

(12)

式中：S是積分面積，。

圖九功率比值與功率總和

ED如圖八中(b)。那么，我們取(12)式與(9)式之比為：

(13)

我們將B與x之間的關系繪于圖九中(a)。我們有；

上式說明：以L為周期，相干與非相干光在[n,(n+1)L]區段內的功率積分是相等的(n∈整數)。

圖十

如果場EA(t)和EB(t)在空間中的傳播是獨立的，即不隨單縫或雙縫的成像條件變化而改變，那么，取光闌縫的位置為，其中：成立，如圖十。我們可以求得對應光功率成像在R面上之和為：

(14)

式中：是P面光闌區的積分面積，。

即在R面上的像功率和等同于電磁場分別穿過P面光闌所對應分量的功率和，(14)式既適用于單縫成像，也適用于雙縫成像的條件。這樣，在雙縫干涉成像，并取光闌的位置取為時，我們計算在P面上之間的功率與像A’B’的功率和為：

(15)

將E(x)畫于圖九中(b)。那么，當我們考察的時，有：

(16)

我們會得到這樣的結論：當光闌縫取為，即時，能量E(x)將最大限度地大于由AB縫發出的總能量之和ESL，能量有“超生”現象！其超出的功率如圖九中(b)的陰影部分。同樣地，當我們取光闌縫為時，會得出能量“隱含”的現象！但是，實際情況并非如此，這是一個悖論！問題出在哪？

那么，我們以實驗來測量(8)式的結果，以判斷像A’B’的域值范圍。

四、干涉光的窄光闌成像實驗

圖十一激光器Las和Q面上的檔片

我們用實驗來觀測上面的結論，可以得到一個新現象。在雙縫平面Q上的左側沿中軸Z放置一個激光器Las，其光束的發散角近似為零，波長為λ=750nm。我們在Q面上安裝一個檔片，它可以在Q面上沿x方向左右移動，以遮擋縫A或B，可以完成單縫或雙縫成像的選擇，如圖十一。我們在干涉面P上取部分光闌的透光區進行成像。我們在成像面R上沿x軸上放置一個線陣ICCD接收單元，以測量倒像A’和B’在x軸向上的位置和能量分布狀況。實驗條件：

u是物方距離，u=131.1cm

v是像方距離，v=233.5cm

w是A和B的縫寬，w=0.1mm

f是正透鏡的焦距，f=1.0m

h和H分別是縫AB的高度和像高度，h=1.0mm，H=4~5mm

d和D分別是縫AB物體和像偏離主光軸Z的距離，2d=0.7~0.8mm，2D=1.5~2.0mm

Dx為干涉面上相鄰極大值或極小值的間距，Dx=1.1mm

實驗測量的結果如下：

圖中：曲線是雙縫AB的像；曲線‚是單縫A的像；曲線ƒ是單縫B的像。

1.當a=2.0Dx時，干涉光的成像結果.