光的干涉在实际生活中的应用

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光的干涉在实际生活中的应用

在实际生活当中，有许多应用都是来源于物理学中的光学分支，其中，光的干涉在日常生活中的应用更是占据了重要的位置。本文主要目的是介绍一些光的干涉在日常生活中运用的几个典型的例子，如测量表面的平整度、测量微位移的大小和测量透明介质的折射率等。通过对这几类光的干涉的运用事例的介绍，引出利用科学解决实际问题的方法和思路。



标签：光 干涉 实际应用

引言

当频率相同、振动方向相同、相位差恒定的两束简谐光波相遇时，就会发生干涉现象。[1]在光波重叠区域，某些地方的合成光强极大，有些地方合成光强极小，合成光波的光强在空间形成强弱相间的稳定分布，这种现象称为光的干涉。[2]光的干涉现象在我们的生活当中运用是非常广泛的，因此也为我们日常生产和生活提供了诸多的便利。并且由于大多数场合下的应用都以波长为单位，我们知道，光的波长都在纳米级别，因此在这些场合中的测量精密程度也非常高。下面就着重介绍光的干涉现象在生活中运用的几个典型案例。



一、检测工件的平整度

在如今的生产和生活当中，检测一些部件表面的平整程度越来越受到重视，尤其是对精密程度要求较高的零件，知悉其表面质量显得尤为重要。



以玻璃块为例，有些领域对玻璃表面的平整度要求是比较高的，有些瑕疵是肉眼看不出来的，因此需要用光的干涉的方法。我们可以将待测的玻璃水平放置，再用另一块已知表面非常平整的玻璃放在待测玻璃上方，并且二者之间形成一个楔形的空气域。使一束单色光从上方入射，那么入射光将会从这个楔形空气域的上下两个面同时反射，反射回来的光在上表面发生干涉现象。假如待测的玻璃上表面是完美的，那么对于空气域来说，厚度相同的位置的连线应该是位于同一条直线上的，此时，我们可以看到互相平行且很直的干涉条纹；反之，如果待测玻璃表面某处有瑕疵，那么该位置所对应的空气层的厚度就发生了变化，这时候我们会看到干涉条纹出现弯曲现象，因此可以通过看干涉条纹是否有弯曲来判断表面是否平整，此外，我们还可以通过弯曲的方向来判定瑕疵是凹陷还是凸起。



二、检测微位移的大小

位移是最基本的几何参量之一，对位移大小的检测是非常常见的，对于较大且精度要求不高的位移，我们可以通过卷尺、游标卡尺等工具进行直接测量。然而有的时候位移的大小非常小且对精度要求非常高，这时候普通的工具就不再适用了，此时最有效的方法就是利用光的干涉原理进行测量。






利用光的干涉法进行位移的测量，一般除了测量光路以外，还需要一路参考光束。为了保证光的相干性，我们一般采用同一束光进行入射，并用一定的光学元件（如分光镜等）分为两路强度尽可能相等的光，其中一路进入参考臂，另一路光进入测量臂，二者最终到达同一个位置，并且发生干涉，干涉产生的条纹与两路光的光程差有关。



为了保证测量准确性，参考臂中的光程是始终不变的，而测量臂中由于引入了待测位移，所以沿着测量臂入射的光的光程会发生微小的变化[3]，这个微位移造成的参考臂光程微小的变化会直接造成两路光光程差的改变，因此，最终干涉产生的条纹数也随之发生变化，通过条纹数的改变的多少，我们就可以获取非常精确的微位移量的大小。



我们知道，条纹数每改变1，对应光程差改变一个波长，因此可以看出，通过此方法测量位移是非常准确的，在光的波长量級。



三、测量透明介质的折射率

对于透明介质折射率的测量有助于我们了解其材料的特性，一般情况下，测量折射率基本都是用的光学检测的方法。利用光的干涉法能够测量介质的折射率，主要是因为光程与光所走过的介质的折射率大小有关（成正比）。



对于介质折射率测量的基本装置可以有很多种，其基本原理都是类似的，这里我们以最基本的杨氏双缝干涉为基本测量模型来进行介绍。在杨氏双缝干涉装置中，用已知波长的单色光作为光源，在接收屏上观察到第N阶亮纹所在的位置，然后将一厚度已知的待测折射率的透明介质插入光源发出的光束途中，此时之前的N阶亮纹位置处变为第M级亮纹，根据干涉后明暗条纹产生位置的判断条件[4]，通过简单的计算就可以得知插入介质的折射率了。



此外值得我们注意的是，在上一小节介绍光干涉对位移测量的装置中，我们稍作修改，也可以用于测量介质的折射率。参考臂保持不变，测量臂中所有光学元件的位置也不变，测量的时候，在测量臂中的任何一个位置放入长度已知的透明介质，通过最后条纹数的改变量，我们也可以得到介质折射率的大小。这是由于光程的大小等于光所走过的几何路径长度与介质折射率的乘积，测量位移改变的是几何路径，测量折射率改变的是光路中某一段的折射率。



结语

在生活和技术领域里，人们一直不断探索着科学知识在日常生活中的运用，联系实际、学以致用是物理科学最大的特点。而光学作为物理学的一大分支，在日常生活中运用尤其多，特别是基于干涉原理的运用。除了本文所介绍的几类运用外，还有很多很多，需要我们不断去思考和探索。



参考文献




[1]李辉栋. 光纤Mach-Zehnder干涉传感研究[D]. 西安石油大学， 2014.

[2]刘畅. 3×3耦合器解调方法研究与实现[D]. 哈尔滨工程大学， 2012.

[3]陈本永， 周砚江， 孙政荣，等. 双频激光 合成波长干涉仪的精确定位方法研究[J]. 仪器仪表学报， 2003， 24（s1）：53-55.



[4]王本菊， 张佳慧. 光的干涉应用——测量透明介质的折射率[J]. 中国校外教育旬刊， 2009（S3）：134-134.

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