[科普中國(guó)]-光的干涉

光的干涉現(xiàn)象是波動(dòng)獨(dú)有的特征，如果光真的是一種波，就必然會(huì)觀察到光的干涉現(xiàn)象。1801年，英國(guó)物理學(xué)家托馬斯·楊(1773—1829)在實(shí)驗(yàn)室里成功地觀察到了光的干涉1。

兩列或幾列光波在空間相遇時(shí)相互疊加，在某些區(qū)域始終加強(qiáng)，在另一些區(qū)域則始終削弱，形成穩(wěn)定的強(qiáng)弱分布的現(xiàn)象，證實(shí)了光具有波動(dòng)性。

現(xiàn)象簡(jiǎn)介若干個(gè)光波（成員波）相遇時(shí)產(chǎn)生的光強(qiáng)分布不等于由各個(gè)成員波單獨(dú)造成的光強(qiáng)分布之和，而出現(xiàn)明暗相間的現(xiàn)象。例如在楊氏雙孔干涉（見(jiàn)楊氏干涉實(shí)驗(yàn)）中，由每一小孔H1或H2出來(lái)的子波就是一個(gè)成員波，當(dāng)孔甚小時(shí)，由孔H1出來(lái)的成員波單獨(dú)造成的光強(qiáng)分布 I1(x)在相當(dāng)大的范圍內(nèi)大致是均勻的；單由從孔H2出來(lái)的成員波造成的光強(qiáng)分布I2(x)亦如此。二者之和仍為大致均勻的分布。而由兩個(gè)成員波共同造成的光強(qiáng)分布I(x)，則明暗隨位置x的變化十分顯著，顯然不等于I1(x)+l2(x)2。

每個(gè)成員波單獨(dú)造成大致均勻的光強(qiáng)分布，這相當(dāng)于要求各成員波本身皆沒(méi)有明顯的衍射，因?yàn)檠苌湟矔?huì)造成明暗相間的條紋（見(jiàn)光的衍射）。所以，當(dāng)若干成員波在空間某一區(qū)域相遇而發(fā)生干涉時(shí)，應(yīng)該是指在該區(qū)域中可以不考慮每個(gè)成員波的衍射。

應(yīng)注意，前面所說(shuō)的光強(qiáng)并不是光場(chǎng)強(qiáng)度（正比于振幅平方）的瞬時(shí)值，而是在某一段時(shí)間間隔Δt內(nèi)光場(chǎng)強(qiáng)度的平均值或積分值；Δt的長(zhǎng)短視檢測(cè)手段或裝置的性能而定。例如，人眼觀察時(shí)，Δt就是視覺(jué)暫留時(shí)間；用膠片拍攝時(shí)，Δt則為曝光時(shí)間。

干涉現(xiàn)象通常表現(xiàn)為光場(chǎng)強(qiáng)度在空間作相當(dāng)穩(wěn)定的明暗相間條紋分布；有時(shí)則表現(xiàn)為，當(dāng)干涉裝置的某一參量隨時(shí)間改變時(shí)，在某一固定點(diǎn)處接收到的光強(qiáng)按一定規(guī)律作強(qiáng)弱交替的變化。

光的干涉現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)在歷史上對(duì)于由光的微粒說(shuō)到光的波動(dòng)說(shuō)的演進(jìn)起了不可磨滅的作用。1801年，T.楊提出了干涉原理并首先做出了雙狹縫干涉實(shí)驗(yàn)，同時(shí)還對(duì)薄膜形成的彩色作了解釋。1811年，D.F.J.阿喇戈首先研究了偏振光的干涉現(xiàn)象?，F(xiàn)代，光的干涉已經(jīng)廣泛地用于精密計(jì)量、天文觀測(cè)、光彈性應(yīng)力分析、光學(xué)精密加工中的自動(dòng)控制等許多領(lǐng)域。

產(chǎn)生條件綜述只有兩列光波的頻率相同，相位差恒定，振動(dòng)方向一致的相干光源，才能產(chǎn)生光的干涉。由兩個(gè)普通獨(dú)立光源發(fā)出的光，不可能具有相同的頻率，更不可能存在固定的相差，因此，不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。

具體方法為使合成波場(chǎng)的光強(qiáng)分布在一段時(shí)間間隔Δt內(nèi)穩(wěn)定，要求：①各成員波的頻率v（因而波長(zhǎng)λ ）相同；②任兩成員波的初位相之差在Δt內(nèi)保持不變。條件②意味著，若干個(gè)通常獨(dú)立發(fā)光的光源，即使它們發(fā)出相同頻率的光，這些光相遇時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。原因在于：通常光源發(fā)出的光是初位相作無(wú)規(guī)分布的大量波列，每一波列持續(xù)的時(shí)間不超過(guò)10秒的數(shù)量級(jí)，就是說(shuō)，每隔10秒左右，波的初位相就要作一次隨機(jī)的改變。而且，任何兩個(gè)獨(dú)立光源發(fā)出波列的初位相又是統(tǒng)計(jì)無(wú)關(guān)的。由此可以想象，當(dāng)這些獨(dú)立光源發(fā)出的波相遇時(shí)，只在極其短暫的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生一幅確定的條紋圖樣，而每過(guò)10秒左右，就換成另一幅圖樣，迄今尚無(wú)任何檢測(cè)或記錄裝置能夠跟上如此急劇的變化，因而觀測(cè)到的乃是上述大量圖樣的平均效果，即均勻的光強(qiáng)分布而非明暗相間的條紋。不過(guò)，近代特制的激光器已經(jīng)做到發(fā)出的波列長(zhǎng)達(dá)數(shù)十公里，亦即波列持續(xù)時(shí)間為10秒的數(shù)量級(jí)。因此，可以說(shuō)，若采用時(shí)間分辨本領(lǐng)Δt比10秒更短的檢測(cè)器（這樣的裝置是可以做到的），則兩個(gè)同頻率的獨(dú)立激光器發(fā)出的光波的干涉，也是能夠觀察到的。另外，以雙波干涉為例還要求：③兩波的振幅不得相差懸殊；④在疊加點(diǎn)兩波的偏振面須大體一致。

當(dāng)條件③不滿足時(shí)，原則上雖然仍能產(chǎn)生干涉條紋，但條紋之明暗區(qū)別甚微，干涉現(xiàn)象很不明顯。條件④要求之所以必要是因?yàn)?，?dāng)兩個(gè)光波的偏振面相互垂直時(shí)，無(wú)論二者有任何值的固定位相差，合成場(chǎng)的光強(qiáng)都是同一數(shù)值，不會(huì)表現(xiàn)出明暗交替（欲觀察明暗交替，須借助于偏振元件）。

以上四點(diǎn)即為通常所說(shuō)的相干條件。滿足這些條件的兩個(gè)或多個(gè)光源或光波，稱為相干光源或相干光波。

產(chǎn)生相干光波綜述由一般光源獲得一組相干光波的辦法是，借助于一定的光學(xué)裝置（干涉裝置）將一個(gè)光源發(fā)出的光波（源波）分為若干個(gè)波。由于這些波來(lái)自同一源波，所以，當(dāng)源波的初位相改變時(shí)，各成員波的初位相都隨之作相同的改變，從而它們之間的位相差保持不變。同時(shí)，各成員波的偏振方向亦與源波一致，因而在考察點(diǎn)它們的偏振方向也大體相同。一般的干涉裝置又可使各成員波的振幅不太懸殊。于是，當(dāng)光源發(fā)出單一頻率的光時(shí)，上述四個(gè)條件皆能滿足，從而出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。當(dāng)光源發(fā)出許多頻率成分時(shí)，每一單頻成分（對(duì)應(yīng)于一定的顏色）會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的一組條紋，這些條紋交疊起來(lái)就呈現(xiàn)彩色條紋3。

這里補(bǔ)充一下托馬斯·楊當(dāng)年獲取相干光的方法：利用在雙孔之前加一小孔S，根據(jù)惠更斯原理，經(jīng)小孔S衍射的光成為一球面波，從而獲得相干光。目前一般采用相干性很好的激光來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不需要小孔S，直接將激光照射在雙孔上即可獲得干涉圖樣。

分波陣面法分波陣面法。將點(diǎn)光源的波陣面分割為兩部分，使之分別通過(guò)兩個(gè)光具組，經(jīng)反射、折射或衍射后交迭起來(lái)，在一定區(qū)域形成干涉。由于波陣面上任一部分都可看作新光源，而且同一波陣面的各個(gè)部分有相同的位相，所以這些被分離出來(lái)的部分波陣面可作為初相位相同的光源，不論點(diǎn)光源的位相改變得如何快，這些光源的初相位差卻是恒定的。楊氏雙縫、菲涅耳雙面鏡和洛埃鏡等都是這類分波陣面干涉裝置。

分振幅法分振幅法。當(dāng)一束光投射到兩種透明媒質(zhì)的分界面上，光能一部分反射，另一部分折射。這方法叫做分振幅法。最簡(jiǎn)單的分振幅干涉裝置是薄膜，它是利用透明薄膜的上下表面對(duì)入射光的依次反射，由這些反射光波在空間相遇而形成的干涉現(xiàn)象。由于薄膜的上下表面的反射光來(lái)自同一入射光的兩部分，只是經(jīng)歷不同的路徑而有恒定的相位差，因此它們是相干光。另一種重要的分振幅干涉裝置，是邁克耳孫干涉儀。

干涉條紋在各種干涉條紋中，等傾干涉條紋和等厚干涉條紋是比較典型的兩種。以上假定光源發(fā)出的是單色光（或者用濾光片從光源所發(fā)的許多波長(zhǎng)的光中取出某一單色光）。當(dāng)光源發(fā)出的許多波長(zhǎng)的光皆發(fā)生干涉時(shí)，會(huì)形成彩色干涉條紋（見(jiàn)白光條紋）。

干涉分類雙光波干涉即兩個(gè)成員波的干涉。楊氏雙孔和雙縫干涉、菲涅耳雙鏡干涉及牛頓環(huán)等屬于此類。雙光波干涉形成的明暗條紋都不是細(xì)銳的，而是光強(qiáng)分布作正弦式的變化，這就是雙光波干涉的特征4。多光波干涉則可形成細(xì)銳的條紋。

多光波干涉即多于兩個(gè)成員波的干涉。陸末-格爾克片干涉屬于此類。圖中A為平行平板玻璃，一端開有傾斜的入射窗BC。從S發(fā)出的源波經(jīng)BC進(jìn)入玻璃片后在其上、下表面間多次反射。每次在上表面反射時(shí)，皆同時(shí)有一波折射入空氣中。所有各次折射入空氣中的波就是從同一源波按分振幅方式造成的一組成員波。在透鏡L 的焦平面Π上觀測(cè)干涉條紋。相鄰兩波在P點(diǎn)的位相差為式中λ 為光波在真空中的波長(zhǎng)，n為玻璃的折射率，t為玻璃片厚度，β 為玻璃片內(nèi)的光程輔助線與表面法線的夾角。在接收面光強(qiáng)分布的條紋十分細(xì)銳，這是多光波干涉的特征。

偏振光的干涉在以上所舉的干涉中，各成員波在考察點(diǎn)處可認(rèn)為偏振方向大體一致5。當(dāng)參與干涉的兩個(gè)成員波的偏振面夾有一定角（例如 90°）時(shí)，如何產(chǎn)生干涉見(jiàn)偏振光的干涉。

應(yīng)用根據(jù)光的干涉原理可以進(jìn)行長(zhǎng)度的精密計(jì)量。例如用邁克耳孫干涉儀校準(zhǔn)塊規(guī)的長(zhǎng)度。其方法如下，用單色性很好的激光束（波長(zhǎng)為 λ）作為光源，并在邁克耳孫干涉儀的可動(dòng)鏡臂上裝有精密的觸頭，先使觸頭接觸塊規(guī)的一端，然后撤去塊規(guī)，令可動(dòng)鏡移動(dòng)。這時(shí)，每移動(dòng)λ/2，兩臂中光路的光程差就增加λ，從而置于干涉視場(chǎng)中心的檢測(cè)器就輸出一次強(qiáng)弱變化，使記數(shù)器的數(shù)字增加 1。直到觸頭接觸基面（塊規(guī)的另一端面原來(lái)放在基面上）為止。若記數(shù)器總共增加的數(shù)為n,則測(cè)得塊規(guī)的長(zhǎng)度為

精密的裝置可以把n精確到±0.1以下，于是測(cè)量長(zhǎng)度的誤差不超過(guò)±λ/20。

利用干涉現(xiàn)象還可以檢測(cè)加工過(guò)程中工件表面的幾何形狀與設(shè)計(jì)要求之間的微小差異。例如要加工一個(gè)平面，則可首先用精密工藝制造一個(gè)精度很高的平面玻璃板（樣板）。使樣板的平面與待測(cè)件的表面接觸，于是此二表面間形成一層空氣薄膜。若待測(cè)表面確是很好的平面，則空氣膜到處等厚或者是規(guī)則的楔形。當(dāng)光照射時(shí)，薄膜形成的干涉光強(qiáng)呈一片均勻或是平行、等間隔的直條紋。如果待測(cè)表面在某些局域偏離了平面，則此處的干涉光強(qiáng)與別處不同或者干涉條紋在該處呈現(xiàn)彎曲。從條紋變異的情況可以推知待測(cè)表面偏離平面的情況。偏離量為波長(zhǎng)的若干分之一是很容易觀察得到的。

說(shuō)明①在交迭區(qū)域內(nèi)各處的強(qiáng)度如果不完全相同而形成一定的強(qiáng)弱分布，顯示出固定的圖象叫做干涉圖樣。也即對(duì)空間某處而言，干涉迭加后的總發(fā)光強(qiáng)度不一定等于分光束的發(fā)光強(qiáng)度的迭加，而可能大于、等于或小于分光束的發(fā)光強(qiáng)度，這是由波的疊加原理決定的（即波峰和波峰相加為兩倍的波峰）。

②通常的獨(dú)立光源是不相干的。這是因?yàn)楣獾妮椛湟话闶怯稍拥耐鈱与娮蛹ぐl(fā)后自動(dòng)回到正常狀態(tài)而產(chǎn)生的。由于輻射原子的能量損失，加上和周圍原子的相互作用，個(gè)別原子的輻射過(guò)程是雜亂無(wú)章而且常常中斷，持續(xù)對(duì)同甚短，即使在極度稀薄的氣體發(fā)光情況下，和周圍原子的相互作用已減至最弱，而單個(gè)原子輻射的持續(xù)時(shí)間也不超過(guò)10^-8秒。當(dāng)某個(gè)原子輻射中斷后，受到激發(fā)又會(huì)重新輻射，但卻具有新韻初相位。這就是說(shuō)，原子輻射的光波并不是一列連續(xù)不斷、振幅和頻率都不隨時(shí)間變化的簡(jiǎn)諧波，即不是理想的單色光，而是如圖所示，在一段短暫時(shí)間內(nèi)(如τ=10-8s)保持振幅和頻率近似不變，在空間表現(xiàn)為一段有限長(zhǎng)度的簡(jiǎn)諧波列。此外，不同原子輻射的光波波列的初相位之間也是沒(méi)有一定規(guī)則的。這些斷續(xù)、或長(zhǎng)或短、初相位不規(guī)則的波列的總體，構(gòu)成了宏觀的光波。由于原子輻射的這種復(fù)雜性，在不同瞬時(shí)迭加所得的干涉圖樣相互替換得這樣快和這樣地不規(guī)則，以致使通常的探測(cè)儀器無(wú)法探測(cè)這短暫的干涉現(xiàn)象。

盡管不同原子所發(fā)的光或同一原子在不同時(shí)刻所發(fā)的光是不相干的，但實(shí)際的光干涉對(duì)光源的要求并不那么苛刻，其光源的線度遠(yuǎn)較原子的線度甚至光的波長(zhǎng)都大得多，而且相干光也不是同一時(shí)刻發(fā)出的。這是因?yàn)閷?shí)際的干涉現(xiàn)象是大量原子發(fā)光的宏觀統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果，從微觀上來(lái)說(shuō)，光子只能自己和自己干涉，不同的光子是不相干的；但是，宏觀的干涉現(xiàn)象卻是大量光子各自干涉結(jié)果的統(tǒng)計(jì)平均效應(yīng)。

③由于六十年代激光的問(wèn)世，已使光源的相干性大大提高，同時(shí)快速光電探測(cè)儀器的出現(xiàn)，探測(cè)儀器的時(shí)間響應(yīng)常數(shù)縮短，以至可以觀察到兩個(gè)獨(dú)立光源的干涉現(xiàn)象。另，在高中課本中，已經(jīng)有光的干涉實(shí)驗(yàn)，用激光或者同一燈泡通過(guò)雙縫進(jìn)行實(shí)驗(yàn)）.

1963年瑪格亞和曼德用時(shí)間常數(shù)為10^-8～10^-9秒的變像管拍攝了兩個(gè)獨(dú)立的紅寶石激光器發(fā)出的激光的干涉條紋?？赡恳暦直娴母缮鏃l紋有23條。

④相干光的獲得。對(duì)于普通的光源，保證相位差恒定成為實(shí)現(xiàn)干涉的關(guān)鍵。為了解決發(fā)光機(jī)制中初相位的無(wú)規(guī)則迅速變化和干涉條紋的形成要求相位差恒定的矛盾，可把同一原子所發(fā)出的光波分解成兩列或幾列，使各分光束經(jīng)過(guò)不同的光程，然后相遇。這樣，盡管原始光源的初相位頻繁變化，分光束之間仍然可能有恒定的相位差，因此也可能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。

⑤光的干涉現(xiàn)象是光的波動(dòng)性的最直接、最有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。光的干涉現(xiàn)象是牛頓微粒模型根本無(wú)法解釋的，只有用波動(dòng)說(shuō)才能圓滿地加以解釋。由牛頓微粒模型可知，兩束光的微粒數(shù)應(yīng)等于每束光的微粒之和，而光的干涉現(xiàn)象要說(shuō)明的卻是微粒數(shù)有所改變，干涉相長(zhǎng)處微粒數(shù)分布多；干涉相消處，粒子數(shù)比單獨(dú)一束光的還要少，甚至為零。這些問(wèn)題都是微粒模型難以說(shuō)明的。再?gòu)牧硪唤嵌葋?lái)看光的干涉現(xiàn)象，它也是對(duì)光的微粒模型的有力的否定。因?yàn)楣饪偸且?×10^8m/s的速度在真空中傳播，不能用人為的方法來(lái)使光速作任何改變(除非在不同介質(zhì)中，光速才有不同。但對(duì)于給定的一種介質(zhì)，光速也是一定的)。干涉相消之點(diǎn)根本無(wú)光通過(guò)。那么按照牛頓微粒模型，微粒應(yīng)該總是以3×10^8m/s的速度作直線運(yùn)動(dòng)，在干涉相消處，這些光微粒到那里去了呢?如果說(shuō)兩束微粒流在這些點(diǎn)相遇時(shí)，由于碰撞而停止了，那么停止了的(即速度不再是3×10^8m/s,而是變?yōu)榱?光微粒究竟是什么東西呢?如果說(shuō)是移到干涉相長(zhǎng)之處去了，那么又是什么力量使它恰恰移到那里去的呢?所有這些問(wèn)題都是牛頓微粒模型根本無(wú)法回答的。然而波動(dòng)說(shuō)卻能令人信服地解釋它，并可由波在空間按一定的位相關(guān)系迭加來(lái)定量地導(dǎo)出干涉相長(zhǎng)和相消的位置以及干涉圖樣的光強(qiáng)分布的函數(shù)解析式。

因此干涉現(xiàn)象是波的相干迭加的必然結(jié)果，它無(wú)可置疑地肯定了光的波動(dòng)性，我們還可進(jìn)一步把它推廣到其他現(xiàn)象中去，凡有強(qiáng)弱按一定分布的干涉圖樣出現(xiàn)的現(xiàn)象，都可作為該現(xiàn)象具有波動(dòng)本性的最可靠最有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

郎奠波 - 副教授 - 黑龍江財(cái)經(jīng)學(xué)院