光的干涉在實(shí)際生活中的應(yīng)用

葉子涵

摘 要：在實(shí)際生活當(dāng)中，有許多應(yīng)用都是來(lái)源于物理學(xué)中的光學(xué)分支，其中，光的干涉在日常生活中的應(yīng)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(yùn)用的幾個(gè)典型的例子，如測(cè)量表面的平整度、測(cè)量微位移的大小和測(cè)量透明介質(zhì)的折射率等。通過(guò)對(duì)這幾類光的干涉的運(yùn)用事例的介紹，引出利用科學(xué)解決實(shí)際問(wèn)題的方法和思路。

關(guān)鍵詞：光 干涉 實(shí)際應(yīng)用

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-9082（2018）01-0-01

引言

當(dāng)頻率相同、振動(dòng)方向相同、相位差恒定的兩束簡(jiǎn)諧光波相遇時(shí)，就會(huì)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(qiáng)極大，有些地方合成光強(qiáng)極小，合成光波的光強(qiáng)在空間形成強(qiáng)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(dāng)中運(yùn)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(chǎng)合下的應(yīng)用都以波長(zhǎng)為單位，我們知道，光的波長(zhǎng)都在納米級(jí)別，因此在這些場(chǎng)合中的測(cè)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(yùn)用的幾個(gè)典型案例。

一、檢測(cè)工件的平整度

在如今的生產(chǎn)和生活當(dāng)中，檢測(cè)一些部件表面的平整程度越來(lái)越受到重視，尤其是對(duì)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(lǐng)域?qū)ΣＡП砻娴钠秸纫笫潜容^高的，有些瑕疵是肉眼看不出來(lái)的，因此需要用光的干涉的方法。我們可以將待測(cè)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(cè)玻璃上方，并且二者之間形成一個(gè)楔形的空氣域。使一束單色光從上方入射，那么入射光將會(huì)從這個(gè)楔形空氣域的上下兩個(gè)面同時(shí)反射，反射回來(lái)的光在上表面發(fā)生干涉現(xiàn)象。假如待測(cè)的玻璃上表面是完美的，那么對(duì)于空氣域來(lái)說(shuō)，厚度相同的位置的連線應(yīng)該是位于同一條直線上的，此時(shí)，我們可以看到互相平行且很直的干涉條紋；反之，如果待測(cè)玻璃表面某處有瑕疵，那么該位置所對(duì)應(yīng)的空氣層的厚度就發(fā)生了變化，這時(shí)候我們會(huì)看到干涉條紋出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象，因此可以通過(guò)看干涉條紋是否有彎曲來(lái)判斷表面是否平整，此外，我們還可以通過(guò)彎曲的方向來(lái)判定瑕疵是凹陷還是凸起。

二、檢測(cè)微位移的大小

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

利用光的干涉法進(jìn)行位移的測(cè)量，一般除了測(cè)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(jìn)行入射，并用一定的光學(xué)元件（如分光鏡等）分為兩路強(qiáng)度盡可能相等的光，其中一路進(jìn)入?yún)⒖急郏硪宦饭膺M(jìn)入測(cè)量臂，二者最終到達(dá)同一個(gè)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(guān)。

為了保證測(cè)量準(zhǔn)確性，參考臂中的光程是始終不變的，而測(cè)量臂中由于引入了待測(cè)位移，所以沿著測(cè)量臂入射的光的光程會(huì)發(fā)生微小的變化[3]，這個(gè)微位移造成的參考臂光程微小的變化會(huì)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(guò)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(duì)應(yīng)光程差改變一個(gè)波長(zhǎng)，因此可以看出，通過(guò)此方法測(cè)量位移是非常準(zhǔn)確的，在光的波長(zhǎng)量級(jí)。

三、測(cè)量透明介質(zhì)的折射率

對(duì)于透明介質(zhì)折射率的測(cè)量有助于我們了解其材料的特性，一般情況下，測(cè)量折射率基本都是用的光學(xué)檢測(cè)的方法。利用光的干涉法能夠測(cè)量介質(zhì)的折射率，主要是因?yàn)楣獬膛c光所走過(guò)的介質(zhì)的折射率大小有關(guān)（成正比）。

對(duì)于介質(zhì)折射率測(cè)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(cè)量模型來(lái)進(jìn)行介紹。在楊氏雙縫干涉裝置中，用已知波長(zhǎng)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(cè)折射率的透明介質(zhì)插入光源發(fā)出的光束途中，此時(shí)之前的N階亮紋位置處變?yōu)榈贛級(jí)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(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)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(duì)位移測(cè)量的裝置中，我們稍作修改，也可以用于測(cè)量介質(zhì)的折射率。參考臂保持不變，測(cè)量臂中所有光學(xué)元件的位置也不變，測(cè)量的時(shí)候，在測(cè)量臂中的任何一個(gè)位置放入長(zhǎng)度已知的透明介質(zhì)，通過(guò)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(guò)的幾何路徑長(zhǎng)度與介質(zhì)折射率的乘積，測(cè)量位移改變的是幾何路徑，測(cè)量折射率改變的是光路中某一段的折射率。

結(jié)語(yǔ)

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

參考文獻(xiàn)

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

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

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

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