光的干涉及其應用

1、光的干涉及其與應用（作者：趙迪）摘 要 我們通過對光的干涉本質(zhì)、種類及其各種應用做了一定的查閱與思考，匯總成為該文章。中文中重點介紹的是，光的干涉在日常生活中、普通物理實驗中的應用以及在天文學方面的發(fā)展和應用，由于文章內(nèi)容和字數(shù)的限制，我們不能對所有提到的應用做出詳細的表述，僅取其中的幾個例子進行具體的介紹。關鍵詞 光的干涉 等傾干涉 等厚干涉 照相技術(shù) 天文學1 緒論我們知道在光學的發(fā)展史上，“光的本質(zhì)”這個問題進行了將近4個世紀的爭論，直到愛因斯坦提出“波粒二象性”才將這個問題的爭論暫時告一段落，本文所提到的的光的干涉現(xiàn)象就是這段精彩歷史上不可磨滅的一部分。1801年的英國由托馬斯

2、3;楊設計的楊氏雙縫干涉實驗使得“微粒說”近乎土崩瓦解，并強有力的支持了“波動說”。1811年，阿拉格首先研究了偏振光的干涉現(xiàn)象?，F(xiàn)代生活中，光的干涉已經(jīng)廣泛的用于精密計量、天文觀測、光彈性應力分析、光學精密加工中的自控等許多領域。雖然“波粒二象性”已經(jīng)作為主流說法，終結(jié)了這個問題的爭論，但是對于現(xiàn)代生活來說，光的干涉及其理論所帶來的影響卻是不可或缺的。我們將在本文中簡單介紹一下光的干涉在日常生活中、普通物理實驗中的應用以及在天文學方面的發(fā)展和應用。2 光的干涉現(xiàn)象與產(chǎn)生2.1 現(xiàn)象簡介干涉，指滿足一定條件的兩列相干波相遇疊加，在疊加區(qū)域某些點的振動始終加強，某些點的震動始終減弱，即在干涉區(qū)域

3、內(nèi)振動強度有著穩(wěn)定的空間分布，而忽略時間的影響。圖2-1 復色光的干涉圖樣由于光也具有波動性，因此，光也可以產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，稱為光的干涉。光的干涉通常表現(xiàn)為光場強度在空間作相當穩(wěn)定的明暗相間的條紋或圓環(huán)的分布；有時則表現(xiàn)為，當干涉裝置的某一參量隨空間改變時，某一固定點處接收到的光強按一定規(guī)律作強弱交替變化。2. 2 產(chǎn)生條件 2.2.1 主要條件 兩列波的產(chǎn)生干涉的條件是：兩列光波頻率一致、相位差恒定、振動方向一致的相干光源才能產(chǎn)生光的干涉。由于兩個普通獨立的光源發(fā)出的光不可能具有相同的頻率，更不可能存在更不可能存在固定的相位差，因此，不可能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。圖2-2 單色光的干涉圖樣 2.2.2

4、補充條件 由于干涉圖樣的效果會受到稱比度的影響，因此，兩列相干波還須滿足三個補充條件：參與疊加的兩束光光強不能相差太大；參與疊加的兩束光振動的夾角越小越好，雖然理論上小于即可產(chǎn)生疊加，但是對比度效果不好，即最好接近平行；光程差不能相差太大。2.3 具體方法為了使合成波場的光強分布的在一段時間內(nèi)穩(wěn)定，要求：各成員波的頻率（因而波長）相同；兩相干波的初相位之差內(nèi)保持不不變。條件意味著若干個通常獨立發(fā)光的光源，即使它們發(fā)出相同頻率的光，這些光相遇時也不會出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。原因在于：通常光源發(fā)出的光的初相位是無規(guī)則的，振動的方向也是不確定的。分布的大量波列，每一波列持續(xù)時間不超過10秒的數(shù)量級，就是說，每

5、隔10秒左右，波列的初相位就會做一次隨機的改變。而且，任何兩個獨立的光源發(fā)出的波列的初相位又是無法統(tǒng)計的。由此可以想象，當這些獨立光源發(fā)出的波列相遇時，只在短暫的時間內(nèi)產(chǎn)生一副確定的條紋圖樣，而每過10秒左右，就換成另一副圖樣迄今尚無任何檢測或記錄裝置能夠跟上如此急劇的變化，因而觀測到的是上述大量圖樣的平均效果，即均勻光強而非明暗條紋。不過，近代特制的激光器已經(jīng)做到發(fā)出的波列長達十公里，亦即波列為10秒的數(shù)量級。因此可以說，若用時間分辨本領比10秒更短的檢測器（這樣的裝置是可以做到的），則兩個同頻率的獨立激光器發(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：兩列波的振幅不得相差

6、懸殊；在疊加點兩波的偏振面大體一致。以上四點即為通常所說的相干條件。滿足這些條件的兩個或多個光源或光波，稱為相干光源或相干光波。2.4 光的干涉分類光的干涉根據(jù)產(chǎn)生條件的不同，可以分成三大類：分波陣面法（分波面法）、分振幅法（分光強法）、分振動法。 2.4.1 分波面法分波面法的典型實驗是1801年由托馬斯·楊設計的楊氏雙縫干涉實驗。兩個點光源的干涉實驗中，兩振源是裝在同一支架上的振子，其裝置如圖：圖2-4-1 楊氏實驗裝置簡圖楊氏雙縫干涉實驗的實驗結(jié)果是：在觀察屏上出現(xiàn)等寬、等間距的、明暗相間的條紋。實驗使得“微粒說”近乎土崩瓦解，并強有力的支持了“波動說”。另外，分波面法得到干涉

7、現(xiàn)象典型的實驗還有菲涅爾雙面鏡干涉、菲涅爾雙棱鏡干涉、勞埃鏡干涉不細展開。 2.4.2 分振幅法分陣幅法的典型例子有兩種：等傾干涉和等厚干涉。為防止重復，后面要介紹的應用中會具體展開相關內(nèi)容。3 光的干涉的應用3.1 等傾干涉的實際應用與等傾干涉有著莫大聯(lián)系的重要儀器有：邁克爾遜干涉儀和發(fā)布羅-玻羅干涉儀，在這里我們會簡單展開一下邁克爾遜干涉儀及其應用，介紹之前，我們先了解一下等傾干涉。3.1.1 等傾干涉簡介簡單地說，等傾干涉是薄膜干涉的一種，是指相干光線在經(jīng)過一層薄膜時，傾角相同的光會在薄膜厚度為常數(shù)的條件下，發(fā)生對應同一級條紋的干涉現(xiàn)象。3.1.2 邁克爾遜干涉儀及其應用圖3-1-2-a

8、 邁克爾遜干涉實物圖a.邁克爾遜簡介邁克爾遜是美國物理學家，主要從事光學和光譜學方面的研究。以其畢生精力從事光速的精密測量。由于他在光學精密測量儀器、光譜學及基本度量學中的卓越貢獻，1907年獲得了美國的第一個諾貝爾物理學獎。b.測量折射率 在邁克爾遜干涉儀的兩臂中分別引入長的玻璃管A、B，其中一個抽成真空，另一個在充以一個大氣壓空氣的過程中觀察到條條紋移動，所用波長為，則其折射率可以這樣求得：圖3-1-2-b 測量折射率簡圖設空氣的折射率為 相鄰條紋或說條紋移動一條時，對應光程差的變化為一個波長，當觀察到條紋過時,光程差的改變量滿足：邁克爾遜干涉儀的兩臂中便于放入待測樣品，由條紋的變化測量有

9、關參數(shù)。3.1.3 邁克爾遜-莫雷實驗1887年邁克爾遜和莫雷根據(jù)設想：如果以太存在而且以太又不完全為地球運動所帶動，則地球?qū)τ谝蕴倪\動速度就是地球的絕對速度。利用地球的絕對速度和光速在方向上的不同，應該在所設計的邁克爾遜干涉儀試驗中觀測某種預期的結(jié)果，從而求得地球相對以太的速度。邁克爾遜-莫雷實驗一直被認為是狹義相對論的主要實驗支柱。另外，法布爾-玻羅干涉儀也是與等傾干涉原理有很大聯(lián)系的一種光學儀器，由于內(nèi)容及字數(shù)的限制在此不再展開。3.2 等厚干涉及其應應用 3.2.1等厚干涉簡介與等傾干涉一樣，等厚干涉也是薄膜干涉的一種，與之不同的是，等厚干涉是在相干光線與薄膜傾角不變的情況下，照射到

10、薄膜厚度相同的相干光線在反射之后對應著同一級的相干條紋的干涉現(xiàn)象。a. 劈尖及其應用圖3-1-2-a 劈尖 儀器平整度檢測 利用干涉現(xiàn)象還可以檢測加工過程中工件表面的幾何形狀與設計要求之間的微小差異。簡單的說，首先將兩塊玻璃構(gòu)成一個劈尖，然后用單色光從劈尖上方垂直照射，最后觀察條紋形狀，如下圖所示：圖3-1-2-b 利用劈尖干涉檢驗光學儀器的平整度如上圖所示，若出現(xiàn)的條紋不是等寬等間距，且平行與棱邊，則被測光學儀器的表面不是平整的。精度很高的平面玻璃板（樣板）。使樣板的平面與待測件的表面接觸，于是此二表面間形成一層空氣薄膜。若待測表面確是合格的平面，則當光照射時，薄膜形成的干涉光強呈一片均勻或

11、是平行、等間隔的直條紋。如果待測表面在某些局域偏離了平面，則此處的干涉光強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表面偏離平面的情況。測量波長其中是兩個劈尖之間的夾角，是兩塊玻璃的折射率，是待測波長。除以上兩種應用之外，利用劈尖還可以測量精密儀器的微小長度微小長度變化等。另外還有牛頓環(huán)全息干涉同樣與人們的生活密不可分。3.3在天文學方面的應用 3.3.1天體測量在邁克耳孫測星干涉儀被發(fā)明以前，恒星直徑的測量始終是天文學上的一個難題，因為已知體積最大的恒星的角直徑也只有10角秒。然而即使是邁克耳孫測星干涉儀，其分辨率也只能測量某些巨星的角直徑，對質(zhì)量稍小的恒星就無能為力

12、。正是激光和外差干涉技術(shù)的發(fā)明，自二十世紀七十年代起在測星干涉領域引發(fā)了一場革新。在這些經(jīng)改進的干涉儀中，望遠鏡捕捉到的星光與本地的激光發(fā)生外差干涉，兩者頻率非常接近，從而產(chǎn)生了射電頻域內(nèi)的拍頻信號；并且由于這個拍頻信號的光強來自星光和激光光強的乘積，這種干涉從而能獲得更高的分辨率。此外這些實驗大多使用了波長為10.6微米的二氧化碳激光，這也是由于較長的波長能提高外差干涉的分辨率。1974年，約翰森、貝茨和唐尼斯建造了一臺基線長度為5.5米的差頻干涉儀，使用了功率為1瓦特并經(jīng)過穩(wěn)頻的二氧化碳激光，其工作波長為10.6微米。他們用這臺干涉儀對一系列紅外線源進行了觀測，包括M型超巨星、米拉變星，并

13、取得了一些星周塵殼的溫度和質(zhì)量分布等信息。而今隨著技術(shù)和制造工藝的進步，這類干涉儀的基線長度已經(jīng)可以擴展到幾百米的距離，從而克服了最初邁克耳孫測星干涉儀遇到的困難。天體測量學上的另一個問題是關于天體的位置和運動的測量。通過對恒星進行精確定位，可以將觀測到的射電源位置和它們觀測到的相應光學位置進行比對，從而直接測量它們的視差并建立宇宙距離尺度。此外這種測量還能幫助確定雙星系統(tǒng)軌道的尺寸和形狀。這類干涉儀包括位于亞利桑那州的海軍原型光學干涉儀（NPOI），它由四個基本部分組成Y形，彼此之間的干涉臂長度為20米，NPOI對天體的定位可以達到毫角秒的量級；以及太陽系外行星天文干涉儀（ASEPS-0），

14、它通過監(jiān)視恒星因圍繞其運動的行星而引起的反映運動來研究太陽系外行星。引力波探測引力波是廣義相對論所預言的以光速傳播的時空擾動，雖然引力波與物質(zhì)的相互作用非常微弱，但已有間接的天體觀測證據(jù)表明它確實存在于諸如雙星系統(tǒng)這樣的天體中，并對這類天體的物理性質(zhì)有著重要影響。對引力波的直接觀測不僅可以驗證廣義相對論，更重要的是提供了一種有別于基于電磁波觀測的傳統(tǒng)觀測天文學的新觀測手段。并且由于電磁波與引力波的不同性質(zhì)，引力波天文學所研究的將是借助電磁波無法觀測到的宇宙的另一個側(cè)面。自二十世紀七十年代起，人們逐漸認識到基于干涉原理的引力波探測器是一種較有希望成功的設計，這類探測器的基本構(gòu)成都是一架等臂邁克耳

15、孫干涉儀：本質(zhì)上，激光干涉引力波探測器是對干涉臂的長度變化進行測量，并對所觀測得的數(shù)據(jù)進行分析，寄希望于尋找到其中引力波所導致的影響。即引力波所導致的干涉臂長度變化與干涉臂長度的比值。其中和是引力波的兩個偏振態(tài)，和是探測器分別對這兩個偏振態(tài)的響應，是引力波的應力強度。在實際操作中，來自外界振動、分子熱運動、以及光檢測器讀出的散粒噪聲等噪聲會疊加到觀測數(shù)據(jù)中，因而對一般來自天體的引力波而言，如要探測到它們要求探測器的靈敏度要優(yōu)于并盡可能地降低其他噪聲。通過使用較長的干涉臂同時在兩端分別增加法布里珀羅諧振腔，以及采用功率回收技術(shù)等方法，可以有效地降低噪聲并提高干涉儀的靈敏度。4 總結(jié)光學的發(fā)展史是

16、曲折而多變的，人們對光的本質(zhì)的認識分為以下幾個階段：17世紀，人們提出了光本性的兩種學說“微粒說”與“波動說”。光的“微粒說”由笛卡爾提出，并得到了牛頓的支持。“微粒說”認為光是由一份一份的微粒所組成的。由于牛頓在科學界的威望，以及“波動說”不成熟，在17世紀和18世紀，多數(shù)的科學家傾向于“微粒說”。19世紀初，英國科學家托馬斯·楊，設計并完成了著名的“楊氏雙縫干涉實驗”，提出了“光的干涉原理”，動搖了“微粒說”的地位，并有力地支持了“波動說”。與托馬斯·楊同一時期的科學家菲涅爾把惠更斯的子波假設和楊氏干涉原理相結(jié)合，提出了“惠更斯-菲涅爾原理”。1817年，托馬斯·楊證明光波是一種橫波，驗證了之前惠更斯與菲涅爾的設想，至此，波動說已占盡優(yōu)勢，微粒說幾近崩潰。結(jié)合前面對光的干