光的干涉在生活中的应用

田野

如今我们已步入高科技时代，科技已经充满我们的生活，但是不管是多么高科技的技术和产品都离不开最初简单的原理。。

牛顿曾经在他的文章《光学》中所表明光是由微粒构成的，但是在接下来的一百年的期间里，我们对光学的研究没有大的突破裹足不前，一直等到了托马斯·杨的出现，才为光学的研究指明了方向。光的干涉已经运用到了许多地方。此外我们对光学元件的利用愈来愈遍及,所以我们满足人们需要的同时,我们必须逐步提高其要求。如光的全息照相、判断透镜表面凹凸情况和检查气体浓度等与人们生活社会发展生产各个方面日益相关。人类运用简单的原理制作出了诸多的仪器是人类智慧的结晶，也是人类社会进步的桥梁。有了这些科学的产物我们才能过上现在如此美好的生活。。

在1801年英国的物理学家托马斯·杨(Thomas Yang.1773-1829)做了物理学史上至关重要的经典物理光学试验。托马斯·杨在一所实验室中让一束光经过一个特别小的孔。让经过小孔的光再经过两个特别小的孔成为两束光。像这样的两束光的光源是来自同一个地方，所以它们就成为了相干的光源。经过实验的论证，我们在实验装置的光屏上看到了一条亮一条暗的重复的条纹，就像水波纹一样有更多的光在空间里碰到时会叠在一块儿，有的高有的低，有的强有的弱。到后来小孔被狭缝所取代，这就是著名的杨氏双缝干涉实验。

用强度很高的单色光照射开有小孔的光阑上，当作一个点光源，然后放在点光源后面的是有两个小孔和的不会让光透过的光阑。随着科技的进步社会的发展各个学科技术等相互的衔接也让光的干涉随之进步，激光技术具有高的亮度、高的相干性让我们做光的干涉实验更加明显，并且我们还能用狭缝来取代之前的小孔，让我们所得到的实验条纹可以直接用目镜观察就可以。经过实验得到的实验现象拥有这么些特点，所得到的条纹是平行的而且间距相等亮条纹还是中央条纹。减小狭缝之间的距离，最中央的明暗条纹位置不变。其他条纹都远离中央条纹，条纹变疏。如果增大狭缝间距离，所有现象会与之相反。还有如果光源向上移动的时候，所产生的条纹会整体向下。如果光源向下移动，条纹会整体向上[1]。两次移动条纹间距不变改变狭缝和光屏的距离也会使条纹发生变化，间距增大，条纹变疏。按照惠更斯原理，我们得知杨氏双缝干涉实验是典型的分波面干涉。

有两列波在空间里遇到时会发生干涉是因为它们的振动的方向一样，振动的频率也一样还在所观察的时间里相位差也恒定这种现象叫做波的叠加原理。光波也是一种电磁波，传播的是交变电场，实验证明，当在空间中的几个光波相遇的时候它们合成的光波的矢量为每个光波矢量的和即                           

叠加原理在杨氏双缝的实验中所得到的就是一样的的光波，它们所发出的频率一致。并且在一样的空间里碰到时的点拥有一样的振动的方向和不改变的相位差,像这样的光叫做相干光[2]。假设有这样一个光波从和出发空间中两束光振动可表为                                                          

在上面是真空中的波长，与是这两束波的折射率，是波在真空中传播的速率，经过上面的式子我们得到相位差决定在于这两个原因。第一个是由两点的初振动决定的，第二个是由两点到点所通过的路程和所经过介质本身的性质决定的。并以表示折射率与路程的乘积为光程用表示

从而就是光程差，当光在真空中传播的时候几何的长度就是光程差。那么就可以得出在均匀的介质中当，在这个时候几何的光程差就决定着相位差                          

是波的个数，条纹亮的是偶数倍的时候的光程差。而条纹暗的是奇数倍的时候的光程差。所以说两束光的相干是在空间里叠加后所出现的，光强在某些地方加强某些地方减弱的现象。而且呈现出一定的周期性，在物理学上把这种现象称为光的干涉。

在上面我们知道了光干涉的条件。我们为了获得稳定的干涉现象要使任何时候来到观测点时，应当从同一批原子所发射出来的而光程有差别的两列波原子是变化很快的。但是不管是任何的变化全是在这两个波上一起进行的，这样当它们来到同一个观测地点的时候相位差还是一致的，要想证明是相干光束的两束光源只能经过这样的装置才能证明。

分振幅干涉与波面干涉是干涉的两种。波被分为两束后经过路程不同然后叠加所发生的干涉现象叫做分振幅干涉。而波面的一些不同部分当作光源叠加之后发生了干涉现象叫做分波面干涉。

牛顿环是用一个凸透镜、一个玻璃板组成的。这个凸透镜的曲率半径很大，凸透镜和玻璃板中间构成了一个空层。如图2-1所示，用一束光垂直射入的时候，会发生光的反射和折射现象。并在附近发生干涉，空层厚度不同形成的干涉条纹不同所以就会出现同心圆环的现象。这种同心圆环就叫做牛顿环。

我们设为射入光波的波长牛顿环的半径

为对应的空气层厚度为。，所以空层中间的光程差为                                                   

杨氏双缝实验中所用的狭缝很小，边缘会对实验产生一定的影响，比如光的衍射会使问题更加复杂。而菲涅耳到了后来又提出一种获取相干光束的方法，他利用两个平面镜就获取了相干光束。这两块平面镜交界夹角处几乎等于180°，夹角的角度不大是光阑上的狭缝，被一种颜色的光照射后形成了单色的光源。在初中物理课本中我们就知道由平面镜所形成的像是虚像。并且虚像到平镜面的距离和物到镜面的距离是一样的。。             

在测量直径的过程中人的视力是有限的，如果观察过小的东西我们会感觉眼睛很疲惫，所以我们要选用级数比较大的牛顿环[3]。当级数过小时条纹会很粗犷也不利于准确测量。所以我们应该选择适当的级数有利于测量的级数。

测量光学元件的表面质量也是运用牛顿环，方法还是和上面所说的是一样的，通过观察光环的情况来判断透镜。观察光环的个数的多少和光环的移动距离来判断与合格产品偏差多少[4]。如果说我们看不到牛顿环，那么这个被测元件就是合格的，反之就是没有到达标准的。通过给元件表面增加压力，来观察如果条纹向外扩散，说明该透镜表面曲率比较大，所以我们需要继续再对中间的部分进行加工，要是正好是相反的那么就要继续加工边缘的部分当透镜出现缺陷时，可看到同一级的两端不一样。一端正常一端不正常，不正常的地方就是不规格的。根据求出高度，得到高度差便可对缺陷情况进行估计。

首先我们了解一下如何用光的干涉来检测气体浓度。如图3-2所示光源发光后经过一个聚光镜变为一支平行的光。这支平行光在经过点时分成两支光，一支光经过进入望远镜系统另一支光经过进入望远镜系统。虽然同一束光波被平面镜分成两束并且最后都进入了望远镜系统，但是这两束光走过的路程是不同的。所以当两束光最后汇聚成一束光时发生了干涉现象。并且产生了干涉条纹，并且从望远镜可看到干涉条纹。

全息图像所形成的照片和平时的照片是不同的，它形成的是干涉条纹所以我们用人类的眼睛是看不清楚的[6]。所以我们想要看清楚图像就需要一个方法将图像显现出来。显现图像的方法就是用原来的参考光来照射底片。这样我们就能在底片上看到物体的像。

全息图是干涉条纹形成的这的好处是条纹遍布整个底片，就算是底片缺少了一部分也不会影响它的成像。只不过会降低图像的亮度和图像的分辨率。也就是说全息图片对于这些损伤或者污垢没有太大的要求。这个特点在应用中非常的重要。

本文通过对光的干涉的原理的探讨,了解了一些光的干涉的基本实验仪器和实验原理。并对一些光干涉应用的仪器做出说明和用法的研究。本文着重介绍了光干涉经典的干涉实验和光的干涉在生活中的具体应用如检测气体浓度和全息技术等。以此来增进我们对光的干涉的理解，当然本文只是对光的干涉原理和光的干涉在生活中应用的初步探讨，未来还可以更深入的对其展开探讨。