干涉

光的干涉是指多个光波在一定条件下相互作用，导致光波的组合波幅增大或减小的现象。在这篇文章中，我们阐述光波的建设性和抵消性干涉、造成干涉的原因以及一些证明这一现象的现实世界示例和实验。  

什么是光波干涉？

光波的一个重要特征是，在某些情况下，它们能够相互干涉。物理学中对干涉的定义是波的叠加，这会导致所产生波的波幅增大或减小。大多数人每天都会观察到某种类型的光学干涉，但并未意识到发生什么情况会产生这种现象。最好的一个例子是，漂浮在水面上的一层油膜反射出的光是最典型的光干涉。图1所示的肥皂泡是另一个例子，受到自然或人造光源照射时，它会反射出各种美丽的颜色。

建设性干涉和抵消性干涉有什么区别？

这种颜色的动态相互作用源于气泡内外表面的光同时反射（图1）。两个表面非常接近（气泡只有几微米厚），并且内表面反射的光对外表面反射的光既有建设性干涉，也有抵消性干涉。这是因为从气泡内表面反射的光必须比从外表面反射的光传播得更远。当从内表面和外表面反射的光波结合在一起时，它们将相互干涉，通过抵消性或建设性干涉清除或加强白光的某些部分。这会导致从气泡反射的颜色出现明显变化。如果内部光波传播的额外距离正好是外部光波的波长，那么它们将进行建设性的重新结合，并产生这些波长的明亮颜色。在波不同步的地方会发生抵消性干涉，消除反射光（和颜色）。

光的干涉是如何发生的？

以下内容解释了光波如何相互干涉。假设有一对光波来自同一来源，它们正在沿某个方向（例如D方向）传播。这是传播方向（如图2所示），如果振动（与图2中C表示的传播方向垂直）彼此平行，并且还与振动方向平行，则光波可能会相互干涉。如果振动不在同一平面上，并且彼此呈90度角度振动，它们就不会相互干涉。

建设性干涉

假设满足上面列出的所有标准，则光波可以相互进行建设性干涉，也可以相互进行抵消性干涉。如果其中一个光波的波峰与另一个光波的波峰重合，则波幅相加。如果两个光波的波幅相等，合成的波幅就会加倍。请记住，光强与波幅的平方成正比。因此，如果波幅加倍，强度就会变成四倍。这种相加干涉叫做建设性干涉（如图2所示）。

抵消性干涉

如图3所示，如果一个光波的波峰与另一个光波的波谷重合，合成的波幅就会减小，甚至可能完全抵消。这叫做抵消性干涉。其结果是光强下降，或者如果发生完全抵消，则变为黑暗。

探究两个光波如何结合在一起产生相互干涉。

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干涉示例

Thomas Young是19世纪早期的一位物理学家，他通过证明光是一种波现象来演示了干涉，他还假设不同颜色的光是由不同长度的光波组成的。这与当时的普遍观点相左，当时的观点普遍倾向于光是颗粒流的理论。1801年，Young进行了一项实验，为可见光具有波状特性提供了重要证据。这个经典实验通常被称为“双缝实验”，原来使用的是最初通过单缝衍射的阳光作为光源。但我们将介绍的实验使用的是相干红色激光。

双缝实验

双缝实验的基本布置如图4所示。让相干激光照射一个包含两个针孔孔径的障碍物，这两个孔径只允许部分光通过。将一个屏幕放置在缝隙后面的区域，随后在屏幕上出现亮红色和暗干涉谱带图案。这项实验的关键是从障碍物处两个狭缝衍射的光之间的相互相干。

了解干涉图案如何随波长和缝隙大小变化。

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什么是干涉条纹？

当激光通过衍射穿过两个障碍物缝隙时，每个衍射波都会在一系列步骤中与另一个衍射波相遇，如图4所示（如上述互动式辅导课程中的图形所示）。有时波相遇时同步（或同相；建设性干涉），有时相遇时则不同步（或异相；抵消性干涉），有时它们相遇时部分同步。当两波同步相遇时，由于发生建设性干涉，它们会相加在一起，屏幕上会显示一个亮区。在两波完全不同步的区域，由于发生抵消性干涉，它们会相互抵减，屏幕的该部分将出现一个暗区。屏幕上产生的图案是两束激光衍射光束之间干涉的产物，通常被称为干涉条纹。

人们还构思了其他类型的实验来证明光的波状性质和干涉效应。最著名的实验是Humphrey Lloyd的单反射镜实验和Augustin Fresnel构思的双反射镜和双棱镜实验。对于这些实验，在我们参考书目中列出的许多物理学书籍中都有详细描述。

牛顿环实验

17世纪著名的数学家和物理学家Isaac Newton爵士是最早研究干涉现象的科学家之一。在他著名的牛顿环实验中，他将一个大曲率半径的凸透镜放在一块平玻璃板上，然后施加压力使透镜和玻璃板结合在一起。当他通过反射的阳光观察这些板时，观察到一系列色彩丰富的同心亮暗光带，类似于图5中所示的光带。牛顿意识到这些光环表明存在某种程度的周期性，并利用这一观察结果提出了光的波动理论。尽管如此，牛顿仍认为光是一股颗粒流。

这些环的产生是因为弯曲的凸面和平坦玻璃表面之间存在一层薄薄的空气。从玻璃的顶面和底面反射的光叠加（组合）后产生表现为彩色环的干涉图案。透镜制造商经常利用这一原理来测试大型抛光表面的均质性。

干涉强度和条纹分布

干涉强度分布条纹（如在Young的双缝实验中观察到的条纹）在均匀背景上呈现时会有强度变化。按照20世纪早期物理学家Albert Michelson的定义，强度的可视性（V）是条纹的最大和最小强度之差与其总和的商：

V = I(max) - I(min)/I(max) + I(min)

其中I(max)是最大强度，I(min)是最小强度。从公式中可以看出，理想化的条纹强度总是介于零和一之间，但实际上条纹可视性取决于实验的几何设计和所使用的光谱范围。这就是在自然发生的事件中观察到无数干涉图案的原因。

在偏振光中，很容易观察到材料中应力区产生的干涉颜色。图6中的尺子由塑料制成，正在通过交叉偏光镜进行观察。在正常光线下，尺子呈现为半透明状，刻度清晰可见。但当在偏振光下观察时，尺子呈现的应力图案在变形程度较高的区域显得深度更大。这是由于组成尺子的长链聚合物分子对齐度高。请注意，最大程度的双折射发生在尺子左侧的洞附近。

干涉的实际用途

光干涉的其他用途是用激光进行远距离测量。在这种情况下，可使用激光在数英里的范围内测量微小的距离。这是通过离散激光光束并让其从不同的表面反射回来而实现的。通过对产生的干涉条纹进行分析（在重新组合单独的激光光束后），可以非常准确地计算两个物体之间的距离。

全息图便是依靠光的干涉来产生三维状图像。在反射全息图中，参考和物体照明光束都从对侧反射到一个厚膜上。这些光束经干涉后，产生与三维状图像相对应的明暗区域。透射全息图是在薄膜的同一侧同时使用参考光束和物体照明光束，然后产生相似类型的效果。

声波和静止水池中产生的波也会产生干涉。可以在家里用一个装满水的水槽和两个弹球进行一个非常简单明了的干涉实验。首先，让水变得非常静止，然后同时使弹球从大约一英尺的高度落入水中（大约相距10-14英寸）。就像光波一样，这两个弹球会在水中引发一系列向四面八方发散的波。在弹球入水位置之间的区域形成的波最终会发生碰撞。在它们同步相撞的位置，会产生建设性的相加干涉，形成更大的波，而在它们不同步相撞的位置，则会产生相互抵消的抵消性干涉。试试看！