光的干涉

物理现象

光的干涉现象是波动独有的特征，如果光真的是一种波，就必然会观察到光的干涉现象。1801年，英国物理学家托马斯·杨(1773—1829)在实验室里成功地观察到了光的干涉。

现象简介

若干个光波（成员波）相遇时产生的光强分布不等于由各个成员波单独造成的光强分布之和，而出现明暗相间的现象。例如在杨氏双孔干涉（见杨氏干涉实验）中，由每一小孔H1或H2出来的子波就是一个成员波，当孔甚小时，由孔H1出来的成员波单独造成的光强分布 I1(x)在相当大的范围内大致是均匀的；单由从孔H2出来的成员波造成的光强分布I2(x)亦如此。二者之和仍为大致均匀的分布。而由两个成员波共同造成的光强分布I(x)，则明暗随位置x的变化十分显著，显然不等于I1(x)+l2(x)。

每个成员波单独造成大致均匀的光强分布，这相当于要求各成员波本身皆没有明显的衍射，因为衍射也会造成明暗相间的条纹（见光的衍射）。所以，当若干成员波在空间某一区域相遇而发生干涉时，应该是指在该区域中可以不考虑每个成员波的衍射。

应注意，前面所说的光强并不是光场强度（正比于振幅平方）的瞬时值，而是在某一段时间间隔Δt内光场强度的平均值或积分值；Δt的长短视检测手段或装置的性能而定。例如，人眼观察时，Δt就是视觉暂留时间；用胶片拍摄时，Δt则为曝光时间。

干涉现象通常表现为光场强度在空间作相当稳定的明暗相间条纹分布；有时则表现为，当干涉装置的某一参量随时间改变时，在某一固定点处接收到的光强按一定规律作强弱交替的变化。

光的干涉现象的发现，在历史上对于由光的微粒说到光的波动说的演进起了不可磨灭的作用。1801年，T.杨提出了干涉原理并首先做出了双狭缝干涉实验，同时还对薄膜形成的彩色作了解释。1811年，D.F.J.阿喇戈首先研究了偏振光的干涉现象。现代，光的干涉已经广泛地用于精密计量、天文观测、光弹性应力分析、光学精密加工中的自动控制等许多领域。

产生条件

综述

只有两列光波的频率相同，相位差恒定，振动方向一致的相干光源，才能产生光的干涉。由两个普通独立光源发出的光，不可能具有相同的频率，更不可能存在固定的相差，因此，不能产生干涉现象。

具体方法

为使合成波场的光强分布在一段时间间隔Δt内稳定，要求：①各成员波的频率v（因而波长λ ）相同；②任两成员波的初位相之差在Δt内保持不变。条件②意味着，若干个通常独立发光的光源，即使它们发出相同频率的光，这些光相遇时也不会出现干涉现象。原因在于：通常光源发出的光是初位相作无规分布的大量波列，每一波列持续的时间为10的负八次方秒，就是说，每隔10的负八次方秒，波的初位相就要作一次随机的改变。而且，任何两个独立光源发出波列的初位相又是统计无关的。由此可以想象，当这些独立光源发出的波相遇时，只在极其短暂的时间内产生一幅确定的条纹图样，而每过10秒左右，就换成另一幅图样，迄今尚无任何检测或记录装置能够跟上如此急剧的变化，因而观测到的乃是上述大量图样的平均效果，即均匀的光强分布而非明暗相间的条纹。不过，近代特制的激光器已经做到发出的波列长达数十公里，。因此，可以说，若采用时间分辨本领Δt比10秒更短的检测器（这样的装置是可以做到的），则两个同频率的独立激光器发出的光波的干涉，也是能够观察到的。另外，以双波干涉为例还要求：③两波的振幅不得相差悬殊；④在叠加点两波的偏振面须大体一致。

当条件③不满足时，原则上虽然仍能产生干涉条纹，但条纹之明暗区别甚微，干涉现象很不明显。条件④要求之所以必要是因为，当两个光波的偏振面相互垂直时，无论二者有任何值的固定位相差，合成场的光强都是同一数值，不会表现出明暗交替（欲观察明暗交替，须借助于偏振元件）。

以上四点即为通常所说的相干条件。满足这些条件的两个或多个光源或光波，称为相干光源或相干光波。

产生相干光波

综述

由一般光源获得一组相干光波的办法是，借助于一定的光学装置（干涉装置）将一个光源发出的光波（源波）分为若干个波。由于这些波来自同一源波，所以，当源波的初位相改变时，各成员波的初位相都随之作相同的改变，从而它们之间的位相差保持不变。同时，各成员波的偏振方向亦与源波一致，因而在考察点它们的偏振方向也大体相同。一般的干涉装置又可使各成员波的振幅不太悬殊。于是，当光源发出单一频率的光时，上述四个条件皆能满足，从而出现干涉现象。当光源发出许多频率成分时，每一单频成分（对应于一定的颜色）会产生相应的一组条纹，这些条纹交叠起来就呈现彩色条纹。

这里补充一下托马斯·杨当年获取相干光的方法：利用在双孔之前加一小孔S，根据惠更斯原理，经小孔S衍射的光成为一球面波，从而获得相干光。一般采用相干性很好的激光来进行实验，不需要小孔S，直接将激光照射在双孔上即可获得干涉图样。

分波阵面法

分波阵面法。将点光源的波阵面分割为两部分，使之分别通过两个光具组，经反射、折射或衍射后交迭起来，在一定区域形成干涉。由于波阵面上任一部分都可看作新光源，而且同一波阵面的各个部分有相同的位相，所以这些被分离出来的部分波阵面可作为初相位相同的光源，不论点光源的位相改变得如何快，这些光源的初相位差却是恒定的。杨氏双缝、菲涅耳双面镜和洛埃镜等都是这类分波阵面干涉装置。

分振幅法

分振幅法。当一束光投射到两种透明媒质的分界面上，光能一部分反射，另一部分折射。这方法叫做分振幅法。最简单的分振幅干涉装置是薄膜，它是利用透明薄膜的上下表面对入射光的依次反射，由这些反射光波在空间相遇而形成的干涉现象。由于薄膜的上下表面的反射光来自同一入射光的两部分，只是经历不同的路径而有恒定的相位差，因此它们是相干光。另一种重要的分振幅干涉装置，是迈克耳孙干涉仪。

干涉条纹

在各种干涉条纹中，等倾干涉条纹和等厚干涉条纹是比较典型的两种。以上假定光源发出的是单色光（或者用滤光片从光源所发的许多波长的光中取出某一单色光）。当光源发出的许多波长的光皆发生干涉时，会形成彩色干涉条纹（见白光条纹）。

干涉分类

双光波干涉

即两个成员波的干涉。杨氏双孔和双缝干涉、菲涅耳双镜干涉及牛顿环等属于此类。双光波干涉形成的明暗条纹都不是细锐的，而是光强分布作正弦式的变化，这就是双光波干涉的特征。多光波干涉则可形成细锐的条纹。

多光波干涉

即多于两个成员波的干涉。陆末-格尔克片干涉属于此类。图1中A为平行平板玻璃，一端开有倾斜的入射窗BC。从S发出的源波经BC进入玻璃片后在其上、下表面间多次反射。每次在上表面反射时，皆同时有一波折射入空气中。所有各次折射入空气中的波就是从同一源波按分振幅方式造成的一组成员波。在透镜L 的焦平面Π上观测干涉条纹。相邻两波在P点的位相差为式中λ 为光波在真空中的波长，n为玻璃的折射率，t为玻璃片厚度，β 为玻璃片内的光程辅助线与表面法线的夹角。在接收面光强分布的条纹十分细锐，这是多光波干涉的特征。

偏振光的干涉

在以上所举的干涉中，各成员波在考察点处可认为偏振方向大体一致。当参与干涉的两个成员波的偏振面夹有一定角（例如 90°）时，如何产生干涉见偏振光的干涉。

应用

根据光的干涉原理可以进行长度的精密计量。例如用迈克耳孙干涉仪校准块规的长度。其方法如下，用单色性很好的激光束（波长为 λ）作为光源，并在迈克耳孙干涉仪的可动镜臂上装有精密的触头，先使触头接触块规的一端，然后撤去块规，令可动镜移动。这时，每移动λ/2，两臂中光路的光程差就增加λ，从而置于干涉视场中心的检测器就输出一次强弱变化，使记数器的数字增加 1。直到触头接触基面（块规的另一端面原来放在基面上）为止。若记数器总共增加的数为n,则测得块规的长度为

精密的装置可以把n精确到±0.1以下，于是测量长度的误差不超过±λ/20。

利用干涉现象还可以检测加工过程中工件表面的几何形状与设计要求之间的微小差异。例如要加工一个平面，则可首先用精密工艺制造一个精度很高的平面玻璃板（样板）。使样板的平面与待测件的表面接触，于是此二表面间形成一层空气薄膜。若待测表面确是很好的平面，则空气膜到处等厚或者是规则的楔形。当光照射时，薄膜形成的干涉光强呈一片均匀或是平行、等间隔的直条纹。如果待测表面在某些局域偏离了平面，则此处的干涉光强与别处不同或者干涉条纹在该处呈现弯曲。从条纹变异的情况可以推知待测表面偏离平面的情况。偏离量为波长的若干分之一是很容易观察得到的。

说明

①在交迭区域内各处的强度如果不完全相同而形成一定的强弱分布，显示出固定的图象叫做干涉图样。也即对空间某处而言，干涉迭加后的总发光强度不一定等于分光束的发光强度的迭加，而可能大于、等于或小于分光束的发光强度，这是由波的叠加原理决定的（即波峰和波峰相加为两倍的波峰）。

②通常的独立光源是不相干的。这是因为光的辐射一般是由原子的外层电子激发后自动回到正常状态而产生的。由于辐射原子的能量损失，加上和周围原子的相互作用，个别原子的辐射过程是杂乱无章而且常常中断，持续对同甚短，即使在极度稀薄的气体发光情况下，和周围原子的相互作用已减至最弱，而单个原子辐射的持续时间也不超过10^-8秒。当某个原子辐射中断后，受到激发又会重新辐射，但却具有新韵初相位。这就是说，原子辐射的光波并不是一列连续不断、振幅和频率都不随时间变化的简谐波，即不是理想的单色光，而是在一段短暂时间内(如τ=10-8s)保持振幅和频率近似不变，在空间表现为一段有限长度的简谐波列。此外，不同原子辐射的光波波列的初相位之间也是没有一定规则的。这些断续、或长或短、初相位不规则的波列的总体，构成了宏观的光波。由于原子辐射的这种复杂性，在不同瞬时迭加所得的干涉图样相互替换得这样快和这样地不规则，以致使通常的探测仪器无法探测这短暂的干涉现象。

尽管不同原子所发的光或同一原子在不同时刻所发的光是不相干的，但实际的光干涉对光源的要求并不那么苛刻，其光源的线度远较原子的线度甚至光的波长都大得多，而且相干光也不是同一时刻发出的。这是因为实际的干涉现象是大量原子发光的宏观统计平均结果，从微观上来说，光子只能自己和自己干涉，不同的光子是不相干的；但是，宏观的干涉现象却是大量光子各自干涉结果的统计平均效应。

③由于六十年代激光的问世，已使光源的相干性大大提高，同时快速光电探测仪器的出现，探测仪器的时间响应常数缩短，以至可以观察到两个独立光源的干涉现象。另，在高中课本中，已经有光的干涉实验，用激光或者同一灯泡通过双缝进行实验）。

1963年玛格亚和曼德用时间常数为10^-8～10^-9秒的变像管拍摄了两个独立的红宝石激光器发出的激光的干涉条纹。可目视分辨的干涉条纹有23条。

④相干光的获得。对于普通的光源，保证相位差恒定成为实现干涉的关键。为了解决发光机制中初相位的无规则迅速变化和干涉条纹的形成要求相位差恒定的矛盾，可把同一原子所发出的光波分解成两列或几列，使各分光束经过不同的光程，然后相遇。这样，尽管原始光源的初相位频繁变化，分光束之间仍然可能有恒定的相位差，因此也可能产生干涉现象。

⑤光的干涉现象是光的波动性的最直接、最有力的实验证据。光的干涉现象是牛顿微粒模型根本无法解释的，只有用波动说才能圆满地加以解释。由牛顿微粒模型可知，两束光的微粒数应等于每束光的微粒之和，而光的干涉现象要说明的却是微粒数有所改变，干涉相长处微粒数分布多；干涉相消处，粒子数比单独一束光的还要少，甚至为零。这些问题都是微粒模型难以说明的。再从另一角度来看光的干涉现象，它也是对光的微粒模型的有力的否定。因为光总是以3×10^8m/s的速度在真空中传播，不能用人为的方法来使光速作任何改变(除非在不同介质中，光速才有不同。但对于给定的一种介质，光速也是一定的)。干涉相消之点根本无光通过。那么按照牛顿微粒模型，微粒应该总是以3×10^8m/s的速度作直线运动，在干涉相消处，这些光微粒到那里去了呢?如果说两束微粒流在这些点相遇时，由于碰撞而停止了，那么停止了的(即速度不再是3×10^8m/s,而是变为零)光微粒究竟是什么东西呢?如果说是移到干涉相长之处去了，那么又是什么力量使它恰恰移到那里去的呢?所有这些问题都是牛顿微粒模型根本无法回答的。然而波动说却能令人信服地解释它，并可由波在空间按一定的位相关系迭加来定量地导出干涉相长和相消的位置以及干涉图样的光强分布的函数解析式。

因此干涉现象是波的相干迭加的必然结果，它无可置疑地肯定了光的波动性，我们还可进一步把它推广到其他现象中去，凡有强弱按一定分布的干涉图样出现的现象，都可作为该现象具有波动本性的最可靠最有力的实验证据。

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