光的干涉

光的干涉是漲落的一個獨特特征如果光真的是一種波，它必然會被觀測到。1801年，英國物理學(xué)家托馬斯·楊(1773—1829)在實驗室里成功地觀察到了光的干涉。

當(dāng)兩個或兩個以上的光波在空間相遇時，總會在某些區(qū)域加強，而在另一些區(qū)域減弱，形成穩(wěn)定的強度分布，這就證明了光具有漲落。

若干個光波（成員波）當(dāng)它們相遇時，光強分布不等于每個分量波單獨引起的光強分布之和，而是明暗交替

光的干涉

的現(xiàn)象。例如，在Young s雙孔干涉（見楊氏干涉實驗）從每個洞H1或H2出來的子波是一個成員波當(dāng)孔很小時，僅由孔H1出射的成員波引起的光強分布為 I1(x)在相當(dāng)大的范圍內(nèi)是大致均勻的；僅由從孔H2出來的成員波引起的光強分布I2(x)亦如此。兩者之和還是大致均勻分布的。以及由兩個分量波一起引起的光強分布I(x)，明暗隨位置x的變化是非常顯著的，這顯然不是說每個分量波單獨造成一個大致均勻的光強分布，這相當(dāng)于要求每個分量波本身沒有明顯的衍射，因為衍射也會造成明暗交替的條紋（見光的衍射）因此，當(dāng)幾個成員波在空間的某個區(qū)域相遇并發(fā)生干涉時，應(yīng)該意味著在這個區(qū)域內(nèi)可以忽略每個成員波的衍射。

應(yīng)當(dāng)注意，前述光強度不是光場強度（正比于振幅平方）而是某個時間間隔δt內(nèi)光場強度的平均值或積分值；δt的長度取決于檢測裝置或設(shè)備的性能。比如人眼觀察時，δt就是視覺停留時間；用膠片拍攝時，δ T是曝光時間。

干涉現(xiàn)象通常表現(xiàn)為空間中相當(dāng)穩(wěn)定的光場強度條紋分布；有時，當(dāng)干涉儀的一個參數(shù)隨時間變化時，在某一固定點接收到的光的強度按照一定的規(guī)律交替變化。

光干涉現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，在歷史上從光粒子理論到光漲落理論的演變過程中起到了不可磨滅的作用。1801年，T.楊提出了干涉原理，首先做了雙縫干涉實驗，還解釋了薄膜形成的顏色。1811年，D.F.J.阿拉戈首先研究了偏振光的干涉現(xiàn)象。在現(xiàn)代，光的干涉被廣泛應(yīng)用于精密測量中、天文觀測、光彈性應(yīng)力分析、光學(xué)精密加工等許多領(lǐng)域的自動控制。

只有兩個頻率相同相位差恒定振動方向一致的相干光源才能產(chǎn)生光干涉。兩個普通獨立光源發(fā)出的光可以 它們沒有相同的頻率，更不用說固定的相位差了，所以干擾可以 不會發(fā)生。

為了使合成波場的光強分布在時間間隔δt內(nèi)保持穩(wěn)定，要求：①各成員波的頻率v（所以波長λ ）相同；②任意兩個分量波的初始相位之差在δ T內(nèi)保持不變。條件2是指通常獨立發(fā)光的幾個光源，即使以相同的頻率發(fā)光，也不會互相干擾。原因在于：通常情況下，光源發(fā)出的光是大量初始相位隨機分布的波列，每個波列的持續(xù)時間不超過10秒，即每隔10秒左右就會隨機改變一次波的初始相位。此外，任意兩個獨立光源發(fā)出的波列的初始相位在統(tǒng)計上是不相關(guān)的?？上攵?，當(dāng)這些獨立光源發(fā)出的光波相遇時，在極短的時間內(nèi)只產(chǎn)生某一種條紋圖案，每隔10秒鐘左右，就被另一種圖案所取代到目前為止，還沒有任何探測或記錄裝置能跟上如此急劇的變化，所以觀察到的是上述大量圖案的平均效果，即均勻的光強分布而不是明暗條紋。而現(xiàn)代的特殊激光已經(jīng)把波列做到了幾十公里長，也就是波列持續(xù)時間在10秒量級。因此，可以說如果使用時間分辨率δt短于10秒的探測器（這樣的裝置可以做到）那么同樣可以觀察到兩個頻率相同的獨立激光器發(fā)出的光波的干涉。另外，以雙波干涉為例，也要求：3兩種波的振幅不應(yīng)相差太大；④在疊加點，兩個波的偏振面必須大致相同。

不滿足條件③時，原則上雖然仍可產(chǎn)生干涉條紋，但條紋的明暗差別不大，干涉現(xiàn)象不明顯。條件4的要求是必要的，因為當(dāng)兩個光波的偏振面相互垂直時，無論它們之間的固定相位差是多少，組合場的光強都是相同的值，不會表現(xiàn)出明暗交替（為了觀察明暗的交替，必須使用偏振元件）

以上四點就是所謂的連貫條件。滿足這些條件的兩個或兩個以上的光源或光波稱為相干光源或相干光波。

在各種干涉條紋中，等傾干涉條紋和等厚干涉條紋是兩種典型的干涉條紋。假設(shè)光源發(fā)出單色光（或者使用濾光器從光源發(fā)出的多種波長的光中提取單色光）當(dāng)一個光源發(fā)出的多種波長的光發(fā)生干涉時，就會形成彩色干涉條紋（見白光條紋）

雙光波干涉

即兩個分量波的干涉。揚 s雙孔雙縫干涉、菲涅耳雙鏡stem涉及牛頓 s環(huán)等等。雙光波干涉形成的明暗條紋不尖銳，但光強分布呈正弦變化，這是雙光波干涉的特點。多光干涉可以形成細而尖的條紋。

多光波干涉

即兩個以上分量波的干涉。陸末-格爾克干擾就屬于這一類。圖中A是平行平板玻璃，一端有傾斜入射窗BC。

S發(fā)出的源波通過BC進入玻璃片，并在上面、下表面之間的多次反射。每次反射到上表面，都有一個扭曲同時射向空中。每次折射到空氣中的波都是同一震源波以分數(shù)振幅方式引起的一組成員波。在透鏡L 的焦平面π上觀察到干涉條紋。P點兩相鄰波的相位差為其中λ 為光波在真空中的波長，n為玻璃的折射率，t為玻璃片的厚度，β 為玻璃片中光路輔助線與表面法線的夾角。接收面上光強分布的條紋非常精細尖銳，這是多光波干涉的特點。

偏振光的干涉

在上述干涉中，可以認為每個分量波的偏振方向在檢查點大致相同。當(dāng)干涉所涉及的兩個分量波的偏振面有一定角度時，如何對偏振光進行干涉。

根據(jù)光的干涉原理，可以精確測量長度。例如，邁克爾遜干涉儀用于校準(zhǔn)塊規(guī)的長度。該方法如下使用單色性好的激光束（波長為 λ）作為光源，邁克爾遜干涉儀的可動鏡臂上安裝有精密觸頭首先，觸點接觸塊規(guī)的一端，然后移開塊規(guī)以移動可移動反射鏡。此時各動臂中光路的光程差增加λ，使放置在干涉視場中心的探測器輸出強度變化，使計數(shù)器的個數(shù)增加 1。直到觸點接觸到基面（塊規(guī)的另一個端面最初放置在基面上）為止。如果計數(shù)器的總增量為n，則塊規(guī)的測量長度為

精密器件可以使n不那么精確，所以測長誤差小于

干涉現(xiàn)象還可以用來檢測加工過程中工件表面幾何形狀與設(shè)計要求的微小差異。比如要加工一個平面，可以先用精密技術(shù)制造一個高精度的平面玻璃板（樣板）使模板的平面與待測工件的表面接觸，使兩個表面之間形成一層空氣膜。如果被測表面真的是一個好平面，空氣膜到處都是等厚或規(guī)則的楔形。當(dāng)光照射時，薄膜形成的干涉光強均勻或平行、等間隔的直條紋。如果被測表面在某些局部區(qū)域偏離平面，則此處的干涉強度與其他地方不同或干涉條紋在此處出現(xiàn)彎曲。從條紋變化可以推斷出被測表面偏離了平面。很容易觀察到偏差是波長的一部分。