光的干涉的研究歷史及發(fā)展

PAGEPAGE7（2016）屆論文（設計）題目：光的干涉的研究歷史及發(fā)展學院：物理科學與技術學院專業(yè)：科學教育學號：201210800112姓名：羅舒雲(yún)指導老師姓名及職稱：秦子雄目錄【內(nèi)容摘要】 3【關鍵詞】 31緒論 31.1研究對象 31.2研究意義 31.3寫作思路 31.4研究方法 42提出背景——微粒說和波動說之爭 42.1牛頓：微粒說 42.2惠更斯：波動說 43光的干涉的首次發(fā)現(xiàn)歷史——楊氏雙縫實驗 53.1光的干涉的建立起源 63.2從定義出發(fā)探討光的干涉 63.3從原理出發(fā)探討光的干涉 73.4光的干涉當時解決的困難 83.4.1首次測出光波的波長 83.4.2測薄片的厚度和折射率 93.4.3測量長度微小改變量 93.5光的干涉重大性意義 94應用 104.1高精度曲率半徑干涉測量技術 104.2光纖干涉?zhèn)鞲衅?115結(jié)束語 12為了解釋這些現(xiàn)象，和牛頓同時代的荷蘭物理學家惠更斯(ChristiaanHuyg(h)ens，1629-1695)，提出了與微粒說相對立的波動說?；莞沟挠^點是光一種波而非粒子流，光像聲音一樣由于物體的振動產(chǎn)生的，但不一樣是光是發(fā)光物體的振動所引起的，憑借著一類異常的東西叫做“以太”的帶有彈性物體而傳播的。[2]引于百度百科《光的波動說》【參考文獻】[1]姚啟鈞.光學教程[M].北京：高等教育出版社，2008年出版.9-60頁[2]丁弗·卡約里.物理學史[M][2]引于百度百科《光的波動說》【參考文獻】[1]姚啟鈞.光學教程[M].北京：高等教育出版社，2008年出版.9-60頁[2]丁弗·卡約里.物理學史[M].北京：中國人民大學出版社，2010年出版[3]周廣麗,鄂書林,鄧文淵.光纖溫度傳感器的研究和應用[J].光通信技術,2007年6期.[4]張森,劉孟華,周琦,王臻.光纖傳感器的研究及應用[J].光通信研究,2007年3期.[5]張森,王臻,劉孟華,周琦.光纖傳感技術的發(fā)展及應用[J].光纖與電纜及其應用技術,2007年3期.[6]嚴非男.大學物理中駐波講授方法的一點探討[J].科教導刊,2015年25期.[7]鄺雄.波干涉現(xiàn)象的三維圖像仿真設計[J]..海南師范大學學報,自然科學版,2012年4期.[8]陳建平.從探索與實踐中認識光現(xiàn)象的本質(zhì)[J].北京聯(lián)合大學學報（自然科學版）,2006年1期.

TheresearchhistoryandthedevelopmentoftheinterferenceoflightName:Luoshuyun【Abstract】Interferenceoflightinopticallikehistoryhasgreatsignificance。Modernphysics,interferenceoflightasthemostcompellingofthevolatilityoflight,interferenceoflightnotonlycontradictedtheindestructiblesaidNewtonparticles,laidthefoundationofwavetheory,forthepolarizationoflight,diffractionandopticalbackafterresearchandprovideatheoreticalbasis.So,interferenceoflightisaworthyoffurtherresearchdirection,inthispaper,thewritingdirectioniswrittenbytheinterferenceoflightputforwardtheestablishmentofthebackground,definition,principle,solvetheproblemsdescribed,andthedevelopmentoftheresearchhistoryofinterferenceoflight,writingmethodistoreadbooks,tofindtherelevantliterature,suchastheguidanceofmyteacher.【Keywords】Interferenceofligh；ThomasYoung；History；Development；到了18世紀，這個微粒派有沒有改變呢？其實在這將近一百年的時間里，有關光的性質(zhì)沒有什么突破性的實驗和說法。相對落后的實驗儀器和條件的限制，在人們還不知道第一光在水中的折射率和光在空氣的折射率哪個更大，還有光在空氣中的傳播速度是多少，這些問題的沒有解決限制了很多實驗的進行。雖然惠更斯的波動說能夠解釋光的折射和反射現(xiàn)象以及幾束光波相遇時不干擾并且向前傳播的這些現(xiàn)象。但是這種說法還是有很多不足的，它還沒有找到解決光的直進以及薄膜在太陽底下顏色改變的原因以及光在水中的傳播速度是多少等等一系列的問題，惠更斯的波動說并沒有解決出來。各種各樣的原因，在18世紀的時候，波動說慢慢地就沒有人提及了，人們更多的是相信牛頓的微粒說，于是在18世紀，牛頓的微粒說蓋過了惠更斯的波動說，成為了引領物理學史上的科學大樹。在18世紀，被打壓的波動說失去了活力，但是屬于它的19世紀來臨了，在19世紀，光的波動說掀開了它嶄新的一頁，它已經(jīng)比微粒說更勝一籌，人們開始接受并且認同光的波動說的存在。3光的干涉的首次發(fā)現(xiàn)歷史——楊氏雙縫實驗3.1光的干涉的建立起源最首先質(zhì)疑牛頓的微粒說的是是牛頓的同行英國物理學家托馬斯·楊.(ThomasYoung，1773-1829)。在1801年，年輕的托馬斯·楊面對牛頓如日中天的氣勢，一針見血地說:“無論牛頓在學界上是多么赫赫有名，然而我不認為他的說法觀點一定都是正確的，對于他的微粒說的錯誤，我很慶幸自己能發(fā)現(xiàn)而且能指出來，在這點的認識上，我覺得有時候一個人的權(quán)威有時候會牽涉到科學的進步?！迸ｎD的“微粒說”并沒有解決幾束光波相遇后并沒有相互影響而后又繼續(xù)向前傳播的這一問題，所以“微粒說”是有質(zhì)疑的地方的，在托馬斯·楊看來，要使這個說法破滅的話，首先要有實驗能證明幾束不同的光在相遇后互不影響又繼續(xù)向前傳播。有種說法大概是這樣說的：興趣會使一個人對另一件事產(chǎn)生有益的一面。托馬斯·楊熱衷于樂器，并且差不多可以使用當時有的樂器來演奏，他的這個愛好對于他能夠驗證光的干涉實驗產(chǎn)生了相得益彰的結(jié)果。因為聲音和光波是有一定的聯(lián)系的，它們在有些地方有相似性。托馬斯·楊思考著光可不可能也和聲音屬于同一種波的性質(zhì)，也許是波？他朝著這個想法出發(fā)，用楊氏雙縫實驗驗證了光的一種波的想法。3.2從定義出發(fā)探討光的干涉先讓我們來理解什么叫做相干光，相干光概念是頻率一樣，且振動方向一樣一列或幾列光。那什么叫做波的干涉，波的干涉是這樣定義的：頻率一樣的兩列波的彼此疊加產(chǎn)生了振動方向始終增強，但是另一些地方是保持著變小變?nèi)醯臓顟B(tài)，疊加后增強的范圍和疊加后削弱范圍的地方彼此分離。像這樣條紋的出現(xiàn)，叫做波的干涉，加強區(qū)域是波峰和波峰相疊加，減弱區(qū)域是波谷和波谷相疊加。干涉現(xiàn)象是所有的波都能產(chǎn)生的，比如我們熟知的水波、電磁波等。從定義我們可以知道，如果光是一種波的話，它應該能發(fā)生光的干涉，如果不是，那它就不能出現(xiàn)干涉的情況。托馬斯·楊的實驗的演示操作非常容易：首先將一支蠟燭放在一張被開了一個小孔的白紙前面，蠟燭作為光源，然后在第一張白紙的后面放多一張白紙，現(xiàn)在放上的這張白紙開了兩個平行的距最原先的那個孔的距離相等的狹縫，最后放一個光屏。點亮蠟燭，光從第一個縫中然后穿過兩道狹縫最終投射到光屏上，由此可知，經(jīng)狹縫的這兩列光是滿足頻率相同、振動方向相同的這兩列光是相干光，最終屏幕上有明顯等距的明暗相間的條紋，滿足了波的干涉定義要求。像這樣子由兩束相干光波疊加一起產(chǎn)生的波峰與波峰相疊加的增強地方，波谷和波谷疊加在一起相疊加產(chǎn)生的相互減弱的地方，我們就把這種現(xiàn)象叫做光的干涉。他用這實驗來闡明了光的性質(zhì)是波而非粒子，光是波就能發(fā)生波的干涉產(chǎn)生干涉圖樣，托馬斯·.楊利用干涉原理獲取了干涉條紋，而且說明了我們最常見的一個現(xiàn)象——薄膜變成彩色。他在工作室首先順利地觀察到兩束光在一個地方遇上時彼此疊加，也就是波峰和波峰疊加，波谷和波谷疊加，得到的不變的明暗相間條紋的圖形，這個由托馬斯·楊發(fā)現(xiàn)的實驗之后以他的名字命名為楊氏雙縫實驗。托馬斯.楊因為這個光的干涉的提出受到了物理學界的很多有名人士的排斥，在這些人士中間有牛頓的忠實支持者布勞安的排擠是最突出最不讓人好過的，說他的思想和說法根本沒有意義，并不算是實驗，而且對他的光的干涉更是貶低和不認同，在提出了光的干涉以后的一大段時間里，并沒有人能夠看重他的這個實驗和無人問津的他的想法，但是僅僅是要證明自己的觀點的正確性的托馬斯·楊沒有地方聲明編輯好自己的觀點的論文，他后來為了讓自己沒有白費苦心他把這些論點寫成小書四處發(fā)放，但是結(jié)局卻是黑白的，只賣了一本。但是，成功是留給有準備的人的，在微粒說不能解釋一些光學問題時，楊氏雙縫干涉實驗解決了這其中存在的問題，之后不久，波動說被慢慢地物理學上所采納。3.3從原理出發(fā)探討光的干涉光的干涉的原理大抵和楊氏干涉原理相同，我們可以從楊氏雙縫實驗的原理圖來探討出光的干涉的原理。首先，用單色光照射縫S（也可以使用激光），S1、S2的發(fā)光光源是S，我們根據(jù)光的相干需要滿足的條件：兩個單色光源發(fā)出的兩列波是方向一致、入射光頻率一樣、初相位差保持不變。所以最后的屏幕上會顯示出間距相等的明暗相間的條紋。按照波動理論，如果兩列光波的光程差符合：，上是顯示亮紋。因此屏上的亮條紋的最中間的地方是：（干涉條紋的級數(shù)，單色光波長）。類似，在，P顯示是暗條紋時，于是屏上的暗條紋的最中間的地方是：

我們把上面明暗天紋的最中心位置的公式聯(lián)立起來就能得到相鄰明條紋或暗條紋的間距是：在我們讀中學的時候，我們學習過楊氏雙縫實驗，在大學時我們在高等教育出版社出版的第四版《光學》教程也學習了光的干涉。在高中時，我們所學的楊氏雙縫實驗是這樣子的，首先選定光源，一束鈉光光源，讓光源通過極小的縫S，接著經(jīng)過距S兩相等的狹縫S1和S2，得到兩束相干光，最后在屏上出現(xiàn)了明顯的明暗相間的亮紋和暗紋間隔著。對楊氏雙縫實驗的改進在于光源的改進，現(xiàn)在做這個實驗很多是采用激光作為光源。3.4光的干涉當時解決的困難在當時，光的干涉具有非常實際的現(xiàn)實價值，解決了一些實際性的問題和困難，比如，首次測出了光波的波長、測出薄片的厚度和折射率、長度測量微小改變量、用來解決檢查了元件表面的質(zhì)量等，下面簡單舉例子說明用光的干涉測量出光波的波長、測薄片的厚度和折射率和測量長度微小改變量這三個問題。3.4.1首次測出光波的波長因為光的干涉中使用的公式是：，這個公式的相關量有入射光的波長λ、屏幕與雙縫距離D、雙縫距離d、兩相鄰條紋的寬度為△x，我們可以看到有波長這個量的出現(xiàn)，那么假設我們用未知波長的光來做楊氏雙縫實驗，那么我們是否可以測出未知光波的波長呢？這個讓我們很是期待，當時，人們根據(jù)了這個想法，利用這個實驗進行了首次的測量光波波長。首先我們先做干涉實驗，得到清晰的干涉條紋后，我們可以用尺子測出屏幕與雙縫的距離D，雙縫間隔為d，相鄰的兩條明紋的寬度△x，利用公式：△x=Dλ/d，就可以得到λ=△xd/D,就可以算出光波波長，歷史上正是從雙縫干涉中首次測出光波的波長。3.4.2測薄片的厚度和折射率同理可得，根據(jù)楊氏雙縫干涉實驗我們可以看到更加明亮的平行等間距條紋，使得我們可以測出薄片的厚度和折射率。如果在雙縫干涉裝置中用一透明薄片覆蓋其中一縫，干涉條紋就會移動，根據(jù)移動的條紋數(shù)目，薄片的厚度，光的波長，雙縫距離就可以算出折射率，如果知道折射率就可以測出薄片的厚度。最主要的計算測量的方法是知任意三可求其一。3.4.3測量長度微小改變量在物體突然產(chǎn)生了微小的變化，比如當一個零件受到外界的影響如：熱膨脹或者壓力或者表面張力，在或者其他變故等，這種微小的該變量怎么能測出來呢？在光的干涉原理出現(xiàn)后，物理學家們想到了用光的干涉的方法可以測量出一個元件的長度微小的改變量，原理是利用恰當?shù)难b置中移動明顯的干涉條紋，使它剛好能夠吻合。精確讀出條紋的移動量利用公式就可以測出它的高度的變化量。當時科學家們則是利用這種方法將這些微小的該變量計算出來。3.5光的干涉重大性意義托馬斯·楊成功做出了光的干涉實驗在科學史上做出了卓越的貢獻，推進了光的波動性質(zhì)的進一步探索。光的干涉鞏固了光是以波動形式存在的說法，并不像牛頓提出的“微粒說”光以顆粒形式存在，“物理最美實驗”之一是對這個實驗的很高的評價。過了不久后物理學家們把楊氏雙縫實驗和著名的猶太裔物理學家愛因斯坦（AlbertEinstein,1879-1955）的光量子假說概括起來首次得到了經(jīng)典的光的波動性和粒子性結(jié)合的二象性，不久又被法國波動力學創(chuàng)始人德布羅意(LouisVictordeBroglie，1892-1987)把量子力學應用到一切微粒上。光的干涉這一種物理現(xiàn)象說明了光具有波動性這一種屬性，托馬斯·楊本人的光的干涉是一個解決了一些當時相關的問題。第一驗證了波特有的性質(zhì)干涉中光也有這種性質(zhì)，說明光是一種波，第二解決了薄膜的彩色性等等。楊氏雙縫干涉實驗是一個能承上啟下的重大實驗，現(xiàn)代物理學中將光的干涉作為光的波動性的最具說服力的說法，光的干涉不僅反駁了堅不可摧的牛頓微粒說，奠定了波動說的基礎，為之后光的偏振、衍射以及往后的光學研究等提供了理論依據(jù)。所以說來，干涉現(xiàn)象肯定了波的相干性的加強的區(qū)域逐步加強，減弱的區(qū)域跟著減弱的這種現(xiàn)象，證實了光的波動性這一說法的可靠而且正確性，由于這樣子，我們還可以用我們身邊中的很多現(xiàn)象來闡明光具有波動性的，干涉實驗可以解釋為什么顏色的變化。例如，我們可以看到太陽光底下肥皂五彩顏色的泡泡，抬頭看樹上葉子看到的太陽光，透過薄刀片看到的像等等，這些都是生活中干涉的現(xiàn)象可以說明光具有波動性的特征。4應用在現(xiàn)代高科技發(fā)展的日新月異的時代中，機器的使用是我們生活中必不可少的。目前，光的干涉技術已經(jīng)被廣泛地用于高精度小平面的平整度檢測、高精度曲率半徑的測量、光釬測壓傳感器、激光干涉測量技術等許多領域。4.1高精度曲率半徑干涉測量技術曲率半徑對我們來說并不陌生,我們也聽說過這個名詞,比如我們戴上非球面隱形眼鏡的時候我們可以看到其中有標注曲率半徑是多少毫米,為了使隱形眼鏡更貼合我們的瞳孔,是要精細量出它的曲率半徑是多少的,以至于讓我們戴隱形的時候眼睛更加舒適。這個對我們來說的不陌生的名詞其實是光學元件里面的不可缺少的檢測部分。光學元件對我們的生活越來越重加之我們對光學元件的使用越來越廣泛,所以在滿足人類需求的同時,我們對它的要要求逐漸慢慢地提高。光的干涉檢測作為主要手段被應用于檢測光學元件中?，F(xiàn)在，高精度曲率半徑在使用過程中，我們采用的方法一般都是用干涉測量技術法，因為這種方法在不斷的走向技術的成熟，而且通過檢測結(jié)果精確而且非?？煽俊＿@種干涉測量技術的兩個非常有利的方向是第一設備更小就像美國研發(fā)出來世界第一臺計算機一樣由原來的150平方米到如今的筆記本一樣大小準備走進我們的生活。第二是測量的精度水準更高。傳統(tǒng)的光學曲率半徑檢測設備通常是靠目視法評估干涉圖像的好壞,其操作復雜瑣碎,多個步驟增加了測量的偶然誤差,因此測量精度收到了限制,采用測量曲率半徑的辦法有許多,傳統(tǒng)有球面樣板法、球徑儀法、刀口陰影法……。這些方法測量精度不高而且定量困難,高精度曲率半徑干涉測量技術克服了這些缺陷發(fā)展起來了。高精度曲率半徑干涉測量技術是首先對一個光學元件的曲率的半徑進行它的頂點和圓心和尾部進行精確的定位，然后用干涉長度測量的方法將其精準地測出來，再進行計算得出結(jié)論。由于目前在光學生產(chǎn)的加工中,高精度曲率半徑干涉測量技術可以解決在需要測量的光學曲率半徑范圍大到平面,小到幾毫米的范圍,所以目前,高精度曲率半徑干涉測量技術在國外越加成熟、測量范圍也越加廣泛、測量精度也不斷改善,更加服務奉獻于科技的進步。4.2光纖干涉?zhèn)鞲衅髦两?，光纖傳感器的研究已經(jīng)經(jīng)歷了半個世紀，我們知道光纖的反應速度很快，例如在我們身邊出現(xiàn)且與我們息息相關的光纖上網(wǎng)。對于干涉?zhèn)鞲衅骷夹g的逐步發(fā)展壯大，干涉型光纖傳感器的種類也越來多且功能越來越強大。第一有可以放大水聲的光纖水聽器，有測量溫度變化量的光纖溫度傳感器，有測量壓力差的光纖壓力傳感器，有測量振動頻率的光纖振動傳感器，更加有甚者是測量生物酶的光纖生物傳感器等等?；诟缮嬖淼母缮嫘凸饫w傳感器是光纖傳感器家族中的重要成員，干涉型光纖傳感器和其他的傳感器的檢測的原理是基本相同的，是由于受到外界因素影響到光纖的感受范圍引起光纖的熱膨脹、橫方向應變、壓力或者其他原因?qū)е碌淖屗墓饫w橫向、縱向、軸向、總長度發(fā)生微小的變化時，干涉?zhèn)鞲衅鞅隳軠y出來，