光的干涉在實際生活中的應用

葉子涵

摘 要：在實際生活當中，有許多應用都是來源于物理學中的光學分支，其中，光的干涉在日常生活中的應用更是占據(jù)了重要的位置。本文主要目的是介紹一些光的干涉在日常生活中運用的幾個典型的例子，如測量表面的平整度、測量微位移的大小和測量透明介質(zhì)的折射率等。通過對這幾類光的干涉的運用事例的介紹，引出利用科學解決實際問題的方法和思路。

關鍵詞：光 干涉 實際應用

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2018）01-0-01

引言

當頻率相同、振動方向相同、相位差恒定的兩束簡諧光波相遇時，就會發(fā)生干涉現(xiàn)象。[1]在光波重疊區(qū)域，某些地方的合成光強極大，有些地方合成光強極小，合成光波的光強在空間形成強弱相間的穩(wěn)定分布，這種現(xiàn)象稱為光的干涉。[2]光的干涉現(xiàn)象在我們的生活當中運用是非常廣泛的，因此也為我們?nèi)粘Ｉa(chǎn)和生活提供了諸多的便利。并且由于大多數(shù)場合下的應用都以波長為單位，我們知道，光的波長都在納米級別，因此在這些場合中的測量精密程度也非常高。下面就著重介紹光的干涉現(xiàn)象在生活中運用的幾個典型案例。

一、檢測工件的平整度

在如今的生產(chǎn)和生活當中，檢測一些部件表面的平整程度越來越受到重視，尤其是對精密程度要求較高的零件，知悉其表面質(zhì)量顯得尤為重要。

以玻璃塊為例，有些領域?qū)ΣＡП砻娴钠秸纫笫潜容^高的，有些瑕疵是肉眼看不出來的，因此需要用光的干涉的方法。我們可以將待測的玻璃水平放置，再用另一塊已知表面非常平整的玻璃放在待測玻璃上方，并且二者之間形成一個楔形的空氣域。使一束單色光從上方入射，那么入射光將會從這個楔形空氣域的上下兩個面同時反射，反射回來的光在上表面發(fā)生干涉現(xiàn)象。假如待測的玻璃上表面是完美的，那么對于空氣域來說，厚度相同的位置的連線應該是位于同一條直線上的，此時，我們可以看到互相平行且很直的干涉條紋；反之，如果待測玻璃表面某處有瑕疵，那么該位置所對應的空氣層的厚度就發(fā)生了變化，這時候我們會看到干涉條紋出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象，因此可以通過看干涉條紋是否有彎曲來判斷表面是否平整，此外，我們還可以通過彎曲的方向來判定瑕疵是凹陷還是凸起。

二、檢測微位移的大小

位移是最基本的幾何參量之一，對位移大小的檢測是非常常見的，對于較大且精度要求不高的位移，我們可以通過卷尺、游標卡尺等工具進行直接測量。然而有的時候位移的大小非常小且對精度要求非常高，這時候普通的工具就不再適用了，此時最有效的方法就是利用光的干涉原理進行測量。

利用光的干涉法進行位移的測量，一般除了測量光路以外，還需要一路參考光束。為了保證光的相干性，我們一般采用同一束光進行入射，并用一定的光學元件（如分光鏡等）分為兩路強度盡可能相等的光，其中一路進入?yún)⒖急?，另一路光進入測量臂，二者最終到達同一個位置，并且發(fā)生干涉，干涉產(chǎn)生的條紋與兩路光的光程差有關。

為了保證測量準確性，參考臂中的光程是始終不變的，而測量臂中由于引入了待測位移，所以沿著測量臂入射的光的光程會發(fā)生微小的變化[3]，這個微位移造成的參考臂光程微小的變化會直接造成兩路光光程差的改變，因此，最終干涉產(chǎn)生的條紋數(shù)也隨之發(fā)生變化，通過條紋數(shù)的改變的多少，我們就可以獲取非常精確的微位移量的大小。

我們知道，條紋數(shù)每改變1，對應光程差改變一個波長，因此可以看出，通過此方法測量位移是非常準確的，在光的波長量級。

三、測量透明介質(zhì)的折射率

對于透明介質(zhì)折射率的測量有助于我們了解其材料的特性，一般情況下，測量折射率基本都是用的光學檢測的方法。利用光的干涉法能夠測量介質(zhì)的折射率，主要是因為光程與光所走過的介質(zhì)的折射率大小有關（成正比）。

對于介質(zhì)折射率測量的基本裝置可以有很多種，其基本原理都是類似的，這里我們以最基本的楊氏雙縫干涉為基本測量模型來進行介紹。在楊氏雙縫干涉裝置中，用已知波長的單色光作為光源，在接收屏上觀察到第N階亮紋所在的位置，然后將一厚度已知的待測折射率的透明介質(zhì)插入光源發(fā)出的光束途中，此時之前的N階亮紋位置處變?yōu)榈贛級亮紋，根據(jù)干涉后明暗條紋產(chǎn)生位置的判斷條件[4]，通過簡單的計算就可以得知插入介質(zhì)的折射率了。

此外值得我們注意的是，在上一小節(jié)介紹光干涉對位移測量的裝置中，我們稍作修改，也可以用于測量介質(zhì)的折射率。參考臂保持不變，測量臂中所有光學元件的位置也不變，測量的時候，在測量臂中的任何一個位置放入長度已知的透明介質(zhì)，通過最后條紋數(shù)的改變量，我們也可以得到介質(zhì)折射率的大小。這是由于光程的大小等于光所走過的幾何路徑長度與介質(zhì)折射率的乘積，測量位移改變的是幾何路徑，測量折射率改變的是光路中某一段的折射率。

結語

在生活和技術領域里，人們一直不斷探索著科學知識在日常生活中的運用，聯(lián)系實際、學以致用是物理科學最大的特點。而光學作為物理學的一大分支，在日常生活中運用尤其多，特別是基于干涉原理的運用。除了本文所介紹的幾類運用外，還有很多很多，需要我們不斷去思考和探索。

參考文獻

[1]李輝棟. 光纖Mach-Zehnder干涉?zhèn)鞲醒芯縖D]. 西安石油大學， 2014.

[2]劉暢. 3×3耦合器解調(diào)方法研究與實現(xiàn)[D]. 哈爾濱工程大學， 2012.

[3]陳本永， 周硯江， 孫政榮，等. 雙頻激光 合成波長干涉儀的精確定位方法研究[J]. 儀器儀表學報， 2003， 24（s1）：53-55.

[4]王本菊， 張佳慧. 光的干涉應用——測量透明介質(zhì)的折射率[J]. 中國校外教育旬刊， 2009（S3）：134-134.